基于虛擬分散控制系統(tǒng)激勵(lì)模式的電站仿真支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王鵬，楊衛(wèi)民，吳科

(國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210003)

1 問(wèn)題的提出

電站仿真技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)水平的限制，僅用模擬計(jì)算機(jī)對(duì)火電站某個(gè)局部的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真。20世紀(jì)70年代以后，隨著大容量、高參數(shù)機(jī)組的投運(yùn)以及新技術(shù)在火電機(jī)組中的應(yīng)用，電站日趨復(fù)雜，電站自動(dòng)化程度逐漸提高，機(jī)組運(yùn)行人員的操作量明顯減少，機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性也越來(lái)越受到重視。相應(yīng)來(lái)說(shuō)，對(duì)電廠熱控人員在分散控制系統(tǒng)(DCS)的運(yùn)行、組態(tài)與調(diào)試能力的培訓(xùn)變得更為重要，火電站仿真系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展。時(shí)至今日，仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為電站重要的培訓(xùn)設(shè)備［1］。電站仿真系統(tǒng)從實(shí)現(xiàn)方式上來(lái)劃分，主要有以下3種方式。

(1)傳統(tǒng)的全仿真。僅實(shí)現(xiàn)了操作員站的仿真，控制系統(tǒng)模型與設(shè)備模型糅合在一起，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱工人員的培訓(xùn)、控制系統(tǒng)的分析研究和測(cè)試功能。

(2)全激勵(lì)仿真。保留原有DCS的軟件和硬件，接入1臺(tái)只限于實(shí)現(xiàn)電站設(shè)備模型的仿真計(jì)算機(jī)，保留了DCS的全部功能，可進(jìn)行算法分析研究及改進(jìn)工作，但軟件和硬件費(fèi)用很高。

(3)基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真模式。結(jié)合了前2種仿真模式的優(yōu)點(diǎn)，使用虛擬DCS復(fù)現(xiàn)真實(shí)DCS的全部功能，接入實(shí)現(xiàn)電站設(shè)備模型仿真計(jì)算機(jī)，具有極高的軟件逼真度，同時(shí)降低了實(shí)現(xiàn)成本［2］。

2 整體結(jié)構(gòu)

仿真支撐系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)仿真模型的組態(tài)、模型的運(yùn)行和虛擬DCS的接口以及教練員培訓(xùn)等功能。根據(jù)這些系統(tǒng)功能需求，該系統(tǒng)可劃分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理、模型組態(tài)、算法引擎、數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)、虛擬I/O通信和教練員功能等6個(gè)模塊。

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊。建立了系統(tǒng)全局的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，用以存貯仿真計(jì)算產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，提供API函數(shù)對(duì)該數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行訪問(wèn)。

(2)模型組態(tài)模塊。提供了圖形化的模型組態(tài)環(huán)境，建模工程師根據(jù)電站生產(chǎn)工藝流程建立仿真模型。

(3)算法引擎模塊。對(duì)建立的電站仿真模型進(jìn)行調(diào)度運(yùn)算，模擬電站的生產(chǎn)流程。

(4)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)模塊。仿真支撐系統(tǒng)和虛擬DCS之間的數(shù)據(jù)接口，完成虛擬DCS側(cè)的變量和電站模型變量的關(guān)聯(lián)。

(5)虛擬I/O通信模塊。仿真支撐系統(tǒng)和虛擬DCS之間的通信接口，完成仿真支撐系統(tǒng)和虛擬DCS的通信。

(6)教練員功能。仿真支撐系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用功能，教練員通過(guò)該模塊控制整個(gè)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行并對(duì)受訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)考核。

系統(tǒng)基于Windows Server 2003平臺(tái)，采用Visual C++6.0工具開發(fā)，運(yùn)行于單臺(tái)獨(dú)立的服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)模塊及虛擬I/O通信模塊與虛擬DCS連接，構(gòu)成完整的基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真系統(tǒng)。仿真支撐系統(tǒng)將模型的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)虛擬I/O通信模塊傳遞給虛擬 DCS，虛擬分散處理單元(DPU)接受仿真支撐系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)后，將運(yùn)算結(jié)果傳遞給仿真模型，同時(shí)在人機(jī)交互界面(HMI)顯示，完成激勵(lì)過(guò)程。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理的實(shí)現(xiàn)

在電站數(shù)字仿真計(jì)算過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為保證仿真精度，就要保證這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可被系統(tǒng)的各個(gè)模塊方便訪問(wèn)，對(duì)這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理有很高的要求。該系統(tǒng)采用了快速、高效、跨進(jìn)程、適于大容量數(shù)據(jù)管理的內(nèi)存文件映射技術(shù)，建立了實(shí)時(shí)共享內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并提供了對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的接口函數(shù)。內(nèi)存文件映射方法是通過(guò)讓2個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程映射同一個(gè)文件映射對(duì)象的視圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，多個(gè)進(jìn)程可共享磁盤上同一個(gè)文件或物理存儲(chǔ)器的同一頁(yè)面，多個(gè)進(jìn)程可共享該數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊提供了數(shù)據(jù)訪問(wèn)API函數(shù)，系統(tǒng)各個(gè)模塊通過(guò)API函數(shù)對(duì)共享數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。

實(shí)時(shí)共享內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)可劃分為算法數(shù)據(jù)區(qū)、變量數(shù)據(jù)區(qū)、操作指令區(qū)、系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)和外部參數(shù)區(qū)5個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)。

(1)算法數(shù)據(jù)區(qū)。用于存放支撐系統(tǒng)中每個(gè)算法模塊的輸入、輸出以及參數(shù)的值和狀態(tài)。

(2)變量數(shù)據(jù)區(qū)。用于存放系統(tǒng)中I/O變量的屬性(包括變量名稱、類型、值在算法數(shù)據(jù)區(qū)的偏移地址)。

(3)操作指令區(qū)。用于存放教練員對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)的控制指令(包括系統(tǒng)的凍結(jié)/運(yùn)行、重演、快存、回退、查詢文件狀態(tài)等)。虛擬I/O模塊可在該區(qū)域獲得操作指令，對(duì)虛擬DCS進(jìn)行控制。

(4)系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)。用于存放仿真支撐系統(tǒng)的狀態(tài)和虛擬DCS中虛擬DPU的狀態(tài)(包含運(yùn)行、凍結(jié)、記錄、重演、重演暫停、重演變速等狀態(tài))。

(5)外部參數(shù)區(qū)。用于存放教練員對(duì)機(jī)組模型的外部環(huán)境參數(shù)的設(shè)定(如煤種、環(huán)境溫度等)，環(huán)境參數(shù)可由用戶自定義。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理

4 模型組態(tài)

模型組態(tài)模塊為建模工程師提供了搭建電站模型的組態(tài)環(huán)境。組態(tài)全部采用圖形化、模塊化和交互方式進(jìn)行，算法在組態(tài)環(huán)境界面中，表現(xiàn)形式為封裝好的模塊，建模工程師只需要根據(jù)電站生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝流程，通過(guò)圖形化的模塊搭接，設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)電站仿真模型的構(gòu)建工作。

系統(tǒng)不但具有基本模塊的增加、刪除、復(fù)制、剪切、粘貼、變量查找/關(guān)聯(lián)和模塊查找/關(guān)聯(lián)等編輯功能，還設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)曲線、棒狀圖現(xiàn)實(shí)及動(dòng)態(tài)參數(shù)顯示等多種輔助調(diào)試手段。另外，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了為大型仿真系統(tǒng)開發(fā)而專門設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)模型拼接技術(shù)，還可實(shí)現(xiàn)建模工程師的并行開發(fā)，為模型人員提供了一個(gè)高級(jí)方便的模型開發(fā)、調(diào)試和維護(hù)環(huán)境，大大提高了仿真模型的開發(fā)效率，降低了系統(tǒng)開發(fā)的人力成本和時(shí)間成本。模型組態(tài)的界面如圖3所示。

5 算法引擎

算法為仿真建模的基本元素，算法庫(kù)為仿真系統(tǒng)的建模核心。該系統(tǒng)算法庫(kù)內(nèi)置基本算法有300余種，涉及鍋爐、汽輪機(jī)、電氣、電網(wǎng)、熱控和保護(hù)等多種專業(yè)。算法引擎模塊通過(guò)精準(zhǔn)定時(shí)，根據(jù)建模工程師構(gòu)建的電站模型中算法的運(yùn)行周期，循環(huán)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊獲得算法塊的輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)，驅(qū)動(dòng)算法接口函數(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)算，獲得算法的輸出數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入實(shí)時(shí)共享內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)。對(duì)算法引擎而言，算法是黑盒子，被封裝成Windows操作系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(dll)并形成算法庫(kù)。算法引擎并不關(guān)心算法的具體實(shí)現(xiàn)，它只關(guān)心該算法的接口函數(shù)，通過(guò)該接口函數(shù)對(duì)算法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。滿足接口函數(shù)規(guī)則的任何算法庫(kù)皆可適用于該系統(tǒng)。

由于采用基于算法引擎的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)具有很高的開放性，算法引擎除了可驅(qū)動(dòng)仿真系統(tǒng)內(nèi)置的算法庫(kù)外，還可驅(qū)動(dòng)用戶自定義算法庫(kù)。用戶在需要增加新算法時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)提供的算法管理工具對(duì)算法進(jìn)行定義，算法可通過(guò)C，F(xiàn)ortran等編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，具有語(yǔ)言無(wú)關(guān)性并封裝成dll格式的算法庫(kù)，在用戶算法庫(kù)中加入算法庫(kù)的dll文件即可。

用戶可使用不同的算法庫(kù)，建立不同對(duì)象、不同目標(biāo)的仿真系統(tǒng)，不但可實(shí)現(xiàn)電站全范圍仿真，還可將此系統(tǒng)擴(kuò)展到電網(wǎng)變電站聯(lián)合仿真系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)度仿真系統(tǒng)以及化工、航空和水利等領(lǐng)域的仿真系統(tǒng)。

圖3 模型組態(tài)的界面

6 教練員功能

在仿真系統(tǒng)中，教練員擔(dān)負(fù)著仿真系統(tǒng)運(yùn)行控制、監(jiān)視仿真過(guò)程和培訓(xùn)受訓(xùn)學(xué)員的任務(wù)。豐富、方便、實(shí)用的教練員臺(tái)功能，是仿真系統(tǒng)能力得以發(fā)揮的重要手段，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了豐富的教練員功能。

(1)工況選擇/保存。教練員培訓(xùn)模塊實(shí)現(xiàn)了工況選擇及保存功能，可方便地裝入或存儲(chǔ)任意工況。

(2)凍結(jié)/恢復(fù)運(yùn)行?？稍谌我鈺r(shí)刻凍結(jié)仿真模型，在需要時(shí)恢復(fù)仿真模型的運(yùn)行。

(3)故障設(shè)置。在任何需要的時(shí)刻，加入或消除工程師配置好的故障。

(4)外部參數(shù)設(shè)置?？稍O(shè)置仿真系統(tǒng)運(yùn)行中的環(huán)境參數(shù)，真實(shí)反映機(jī)組實(shí)際運(yùn)行環(huán)境。

(5)回退。在仿真系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可連續(xù)記錄仿真機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，以便回退到過(guò)去某一狀態(tài)，回退點(diǎn)可由教練員選定。

(6)重演?？蓮娜我换赝它c(diǎn)對(duì)仿真機(jī)進(jìn)行重演，重演過(guò)程時(shí)間由教練員選定。

(7)工況快存。在仿真機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，可自動(dòng)按一定時(shí)間間隔(由用戶設(shè)定)快存任一時(shí)刻的特定工況，也可以由教練員在任意時(shí)間手動(dòng)進(jìn)行快存，快存數(shù)據(jù)可供回退、重演使用，也可作為初始工況調(diào)用。

(8)模型的變速運(yùn)行。對(duì)某些快速動(dòng)態(tài)過(guò)程，可人為放慢其仿真模型的運(yùn)行速度，對(duì)某些慢速動(dòng)態(tài)過(guò)程，可人為加快模型的運(yùn)行速度。

(9)學(xué)員成績(jī)?cè)u(píng)定。通過(guò)監(jiān)視有關(guān)變量和記錄，通過(guò)統(tǒng)計(jì)變量越過(guò)限值的時(shí)間及計(jì)算變量的命中率和逆序率，自動(dòng)對(duì)學(xué)員的操作水平給出切合實(shí)際的評(píng)價(jià)，教練員可組態(tài)評(píng)分規(guī)則。

7 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及虛擬I/O通信

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和虛擬I/O通信是仿真支撐系統(tǒng)和虛擬DCS之間的接口。在基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真模式下，控制系統(tǒng)的模型由虛擬DCS實(shí)現(xiàn)，它實(shí)現(xiàn)了真實(shí)DCS的全部控制功能并復(fù)制了真實(shí)DCS的數(shù)據(jù)庫(kù)(包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出等數(shù)據(jù)類型的變量)。仿真支撐系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)依據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際設(shè)備及工藝流程可由仿真機(jī)建模人員使用仿真支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。仿真支撐系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)模塊可完成虛擬DCS中的變量和支撐系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)成完整的仿真系統(tǒng)。

虛擬I/O模塊負(fù)責(zé)仿真支撐系統(tǒng)和虛擬DCS之間的數(shù)據(jù)通信。包括實(shí)時(shí)虛擬I/O數(shù)據(jù)的通信、運(yùn)行狀態(tài)的通信及控制命令的通信。數(shù)據(jù)高速公路使用碰撞檢測(cè)以太網(wǎng)絡(luò)，采用了標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議。對(duì)指令傳遞來(lái)說(shuō)，由于要求較高的可靠性，采用可靠的數(shù)據(jù)流進(jìn)行TCP連接。對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)而言，要求其具有高實(shí)時(shí)性并具有一定的容錯(cuò)性，可采用方便的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP(User Datagram Protocol)方式進(jìn)行。

考慮到仿真支撐系統(tǒng)的通用性和開放性，系統(tǒng)支持OPC協(xié)議，可作為其服務(wù)器端，支持Modbus/TCP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了Modbus/TCP協(xié)議從站功能?？梢耘c支持OPC，Modbus/TCP協(xié)議的虛擬DCS進(jìn)行互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及虛擬I/O通信如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及虛擬I/O通信

8 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的仿真支撐系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

(1)系統(tǒng)仿真功能完備，采用面向設(shè)備對(duì)象建模方法，實(shí)現(xiàn)快捷簡(jiǎn)單。

(2)模型調(diào)試手段實(shí)用直觀，仿真精度高。

(3)教練員功能豐富，考核評(píng)分結(jié)果客觀公正。

(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放，擴(kuò)展性強(qiáng)，可用于仿真系統(tǒng)的研究，可拓展到其他領(lǐng)域的仿真。

(5)支持多種通信協(xié)議，可方便地與第三方虛擬DCS互聯(lián)互通。

目前該系統(tǒng)已在洛陽(yáng)新安電力集團(tuán)發(fā)電公司的2×300 MW機(jī)組項(xiàng)目中應(yīng)用，系統(tǒng)采用了國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司生產(chǎn)的TCS3000儀電一體化分散控制系統(tǒng)的虛擬DCS和本文所述的仿真支撐系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該公司#5機(jī)組主、輔設(shè)備的全工況仿真，關(guān)鍵參數(shù)穩(wěn)態(tài)值與參考機(jī)組實(shí)際運(yùn)行值相比偏差小于2%，具有很高的仿真精度。目前該系統(tǒng)已投運(yùn)，運(yùn)行人員及熱工維護(hù)人員通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)考核以獲得上崗資質(zhì)，通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行了大量技術(shù)改造方案的試驗(yàn)，取得了良好的效果。

實(shí)踐結(jié)果表明，基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真系統(tǒng)方案在保持傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，還可用于電站運(yùn)行、管理、專職人員等的培訓(xùn)、考核和事故演練，提供了對(duì)電站機(jī)組控制系統(tǒng)和龐大設(shè)備群進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真建模的平臺(tái)環(huán)境。利用仿真技術(shù)的特點(diǎn)，可有效地解決在實(shí)際電站機(jī)組上難以直接進(jìn)行某些試驗(yàn)和研究的問(wèn)題，對(duì)電廠運(yùn)行水平的提高，保證電站安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電廠的最佳效益具有積極的意義。

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