仿真技术在中国电力中的发展及应用

1　现代化大型火电机组仿真系统的硬件组成和软件结构
1.1　仿真系统的硬件组成
　　中国新建的大型火电机组的控制室有三种方式：a.以常规型的控制盘、操作台为主要控制和操作手段，以屏幕显示操作为辅；b.以屏幕操作和显示的操作员站（OIS）为主，备有小规模的控制盘，装有一定量的模拟操作器和逻辑操作器作为备用操作设备；c.单纯采用计算机屏幕操作和显示，没有仪表盘和操作台。那么相应的仿真系统同样具有三种硬件组成。本文提供的硬件组成是以b方式为主。
操作员站（OIS）采用了五台同一规格的PC机，分别具有同一规格的专用键盘和20寸显示屏幕。电液调节系统DEH采用一台专用PC机及20寸显示屏幕。指导教师工作站是一台HP-715小型工作站。两台就地操作站采用X-终端。对监视锅炉燃烧火焰、烟囱排烟、锅炉水位等的仿真，则采用了多媒体技术，使用三台PC机。上述所有PC机和X-终端都作为下位机，通过开放式以太网和作为主机的HP-9000/800-K100服务器进行数据交换，其通信速率为10MB/s。该仿真机对辅助操作盘也进行了1∶1的仿真。应该说明的是，硬件系统中的各种计算机型号没有严格的规定，一般是随着计算机的发展，选用国际市场上最新型号和性能价格比比较高的原装机。
1.2　计算机仿真系统的软件结构
　　一般是以多用户、多任务操作系统为基础，如UNIX、VMS等。以数据库管理、进程通讯、内存共享和实时任务调度为手段，建立仿真支持环境。并在它的支持下实现多层次的建模工具，包括源代码管理、工程管理、自动建模工具以及仿真培训所必须的辅助软件，如指导教师站软件、就地操作站软件等。
　　仿真环境软件是现代化仿真机开发和运行维护必不可少的大型软件。从某种意义上说是仿真机的操作系统。世界上各大仿真公司都有各自的支持环境软件，如从事电站仿真开发的美国S3T公司的S3、ABB公司的CETRAN，加拿大CAE公司的ROSE等。这些软件按当时或现在计算机软件开发水平，对仿真机的开发全过程起到重要的支持作用。
　　从我国电站仿真机生产的几大厂家来看，主要是以借用、租用或修改外国仿真公司80年代的同类仿真软件为主。唯有清华大学独立开发了具有自主版权的支持软件“一体化仿真支持环境”，简称ISSE。
　　ISSE具有完整的支持环境功能，基于B-TREE算法（平衡树算法）的数据库管理内核，提供了从变量、源代码、工况文件、I/O接口等各种仿真机要素的管理。以对仿真机开发的各个阶段，包括图形化建模的支持。基于共享内存、信号灯和实时内核的技术，ISSE提供了可靠而准确的任务调度功能以及各种在线调试功能。由于采用了面向大型的程序设计和数据驱动的思想，ISSE对项目子组形式的开发提供了各种手段，并可实现一机多模的功能。ISSE全部采用C++写成，并形成了ISSE开发类库。该系统已在HP-UX、DECOpenVMS、SGIIRIX等操作系统上完整实现，体现了支持环境作为仿真操作系统的思想。除此之外，ISSE提供了一个基于网络通讯的开发接口，以便于第三方软件和ISSE的通讯。
　　ISSE软件结构有三个层面，分别为类库、工具软件和应用软件。
1.3　对象模型
　　电厂机组的各种不同热力系统都是由一些热力设备，如换热器、风机、水泵、阀门、容器等经过管道连接而成，形成一个个流体网络。热力系统的动态过程不仅取决于各热力设备本身的特性，即设备模块；还取决于这些设备的连接方式，即拓扑结构。因此流体网络建模技术成为电厂仿真中的一项重要技术。清华大学开发的流体网络计算软件FLOWNET，可建立单相不可压缩、单相可压缩流体网络模型，采用半隐式欧拉积分算法和大型稀疏矩阵技术求解，很好的解决了网络计算中的稳定性和实时性等问题。
　　为了更快速和直观地进行建模，在ISSE支持下，增加了图形编辑器GNET，发展成为图形化、模块化的建模软件，形成了一种新的流体网络自动建模工具。
　　当确定了热力系统拓扑结构之后，根据GNET的图形编辑器功能，调用各种不同设备所对应的图标，再根据模块入/出口进行连接，组成被仿真的热力系统。同时相应的FORTRAN源程序随之生成。经过实例化，即输入被仿真设备和系统的参数和数据，该仿真系统即可进行调试。