王鹏，杨卫民，吴科

(国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210003)

1 问题的提出

电站仿真技术的应用始于20世纪60年代，受当时计算机水平的限制，仅用模拟计算机对火电站某个局部的动态特性进行仿真。20世纪70年代以后，随着大容量、高参数机组的投运以及新技术在火电机组中的应用，电站日趋复杂，电站自动化程度逐渐提高，机组运行人员的操作量明显减少，机组的安全性、经济性也越来越受到重视。相应来说，对电厂热控人员在分散控制系统(DCS)的运行、组态与调试能力的培训变得更为重要，火电站仿真系统得到了快速的发展。时至今日，仿真系统已经成为电站重要的培训设备［1］。电站仿真系统从实现方式上来划分，主要有以下3种方式。

(1)传统的全仿真。仅实现了操作员站的仿真，控制系统模型与设备模型糅合在一起，不能实现对热工人员的培训、控制系统的分析研究和测试功能。

(2)全激励仿真。保留原有DCS的软件和硬件，接入1台只限于实现电站设备模型的仿真计算机，保留了DCS的全部功能，可进行算法分析研究及改进工作，但软件和硬件费用很高。

(3)基于虚拟DCS的激励式仿真模式。结合了前2种仿真模式的优点，使用虚拟DCS复现真实DCS的全部功能，接入实现电站设备模型仿真计算机，具有极高的软件逼真度，同时降低了实现成本［2］。

2 整体结构

仿真支撑系统需实现仿真模型的组态、模型的运行和虚拟DCS的接口以及教练员培训等功能。根据这些系统功能需求，该系统可划分为实时数据管理、模型组态、算法引擎、数据对应、虚拟I/O通信和教练员功能等6个模块。

(1)实时数据管理模块。建立了系统全局的实时数据区，用以存贮仿真计算产生的实时数据及系统的实时状态，提供API函数对该数据区进行访问。

(2)模型组态模块。提供了图形化的模型组态环境，建模工程师根据电站生产工艺流程建立仿真模型。

(3)算法引擎模块。对建立的电站仿真模型进行调度运算，模拟电站的生产流程。

(4)数据对应模块。仿真支撑系统和虚拟DCS之间的数据接口，完成虚拟DCS侧的变量和电站模型变量的关联。

(5)虚拟I/O通信模块。仿真支撑系统和虚拟DCS之间的通信接口，完成仿真支撑系统和虚拟DCS的通信。

(6)教练员功能。仿真支撑系统的高级应用功能，教练员通过该模块控制整个仿真系统的运行并对受训学员进行培训考核。

系统基于Windows Server 2003平台，采用Visual C++6.0工具开发，运行于单台独立的服务器通过数据对应模块及虚拟I/O通信模块与虚拟DCS连接，构成完整的基于虚拟DCS的激励式仿真系统。仿真支撑系统将模型的状态数据通过虚拟I/O通信模块传递给虚拟 DCS，虚拟分散处理单元(DPU)接受仿真支撑系统的数据驱动后，将运算结果传递给仿真模型，同时在人机交互界面(HMI)显示，完成激励过程。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构图

3 实时数据管理的实现

在电站数字仿真计算过程中，会产生大量的数据，为保证仿真精度，就要保证这些实时数据可被系统的各个模块方便访问，对这些数据的存储和处理有很高的要求。该系统采用了快速、高效、跨进程、适于大容量数据管理的内存文件映射技术，建立了实时共享内存数据区存储实时数据并提供了对数据访问的接口函数。内存文件映射方法是通过让2个或多个应用程序进程映射同一个文件映射对象的视图来实现的，多个进程可共享磁盘上同一个文件或物理存储器的同一页面，多个进程可共享该数据区的数据。实时数据管理模块提供了数据访问API函数，系统各个模块通过API函数对共享数据区的数据进行访问。

实时共享内存数据区可划分为算法数据区、变量数据区、操作指令区、系统状态区和外部参数区5个数据区。

(1)算法数据区。用于存放支撑系统中每个算法模块的输入、输出以及参数的值和状态。

(2)变量数据区。用于存放系统中I/O变量的属性(包括变量名称、类型、值在算法数据区的偏移地址)。

(3)操作指令区。用于存放教练员对整个仿真系统的控制指令(包括系统的冻结/运行、重演、快存、回退、查询文件状态等)。虚拟I/O模块可在该区域获得操作指令，对虚拟DCS进行控制。

(4)系统状态区。用于存放仿真支撑系统的状态和虚拟DCS中虚拟DPU的状态(包含运行、冻结、记录、重演、重演暂停、重演变速等状态)。

(5)外部参数区。用于存放教练员对机组模型的外部环境参数的设定(如煤种、环境温度等)，环境参数可由用户自定义。实时数据管理模块结构如图2所示。

图2 实时数据管理

4 模型组态

模型组态模块为建模工程师提供了搭建电站模型的组态环境。组态全部采用图形化、模块化和交互方式进行，算法在组态环境界面中，表现形式为封装好的模块，建模工程师只需要根据电站生产现场的工艺流程，通过图形化的模块搭接，设置各个模块的参数，即可实现电站仿真模型的构建工作。

系统不但具有基本模块的增加、删除、复制、剪切、粘贴、变量查找/关联和模块查找/关联等编辑功能，还设计了实时曲线、棒状图现实及动态参数显示等多种辅助调试手段。另外，系统实现了为大型仿真系统开发而专门设计的子系统模型拼接技术，还可实现建模工程师的并行开发，为模型人员提供了一个高级方便的模型开发、调试和维护环境，大大提高了仿真模型的开发效率，降低了系统开发的人力成本和时间成本。模型组态的界面如图3所示。

5 算法引擎

算法为仿真建模的基本元素，算法库为仿真系统的建模核心。该系统算法库内置基本算法有300余种，涉及锅炉、汽轮机、电气、电网、热控和保护等多种专业。算法引擎模块通过精准定时，根据建模工程师构建的电站模型中算法的运行周期，循环通过实时数据管理模块获得算法块的输入数据和参数，驱动算法接口函数进行仿真运算，获得算法的输出数据并将数据写入实时共享内存数据区。对算法引擎而言，算法是黑盒子，被封装成Windows操作系统的动态链接库(dll)并形成算法库。算法引擎并不关心算法的具体实现，它只关心该算法的接口函数，通过该接口函数对算法进行驱动。满足接口函数规则的任何算法库皆可适用于该系统。

由于采用基于算法引擎的设计方法，系统具有很高的开放性，算法引擎除了可驱动仿真系统内置的算法库外，还可驱动用户自定义算法库。用户在需要增加新算法时，通过系统提供的算法管理工具对算法进行定义，算法可通过C，Fortran等编程语言实现，具有语言无关性并封装成dll格式的算法库，在用户算法库中加入算法库的dll文件即可。

用户可使用不同的算法库，建立不同对象、不同目标的仿真系统，不但可实现电站全范围仿真，还可将此系统扩展到电网变电站联合仿真系统、电网调度仿真系统以及化工、航空和水利等领域的仿真系统。

图3 模型组态的界面

6 教练员功能

在仿真系统中，教练员担负着仿真系统运行控制、监视仿真过程和培训受训学员的任务。丰富、方便、实用的教练员台功能，是仿真系统能力得以发挥的重要手段，该系统实现了丰富的教练员功能。

(1)工况选择/保存。教练员培训模块实现了工况选择及保存功能，可方便地装入或存储任意工况。

(2)冻结/恢复运行。可在任意时刻冻结仿真模型，在需要时恢复仿真模型的运行。

(3)故障设置。在任何需要的时刻，加入或消除工程师配置好的故障。

(4)外部参数设置。可设置仿真系统运行中的环境参数，真实反映机组实际运行环境。

(5)回退。在仿真系统运行过程中，可连续记录仿真机状态数据，以便回退到过去某一状态，回退点可由教练员选定。

(6)重演。可从任一回退点对仿真机进行重演，重演过程时间由教练员选定。

(7)工况快存。在仿真机运行过程中，可自动按一定时间间隔(由用户设定)快存任一时刻的特定工况，也可以由教练员在任意时间手动进行快存，快存数据可供回退、重演使用，也可作为初始工况调用。

(8)模型的变速运行。对某些快速动态过程，可人为放慢其仿真模型的运行速度，对某些慢速动态过程，可人为加快模型的运行速度。

(9)学员成绩评定。通过监视有关变量和记录，通过统计变量越过限值的时间及计算变量的命中率和逆序率，自动对学员的操作水平给出切合实际的评价，教练员可组态评分规则。

7 数据关联及虚拟I/O通信

数据关联和虚拟I/O通信是仿真支撑系统和虚拟DCS之间的接口。在基于虚拟DCS的激励式仿真模式下，控制系统的模型由虚拟DCS实现，它实现了真实DCS的全部控制功能并复制了真实DCS的数据库(包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出等数据类型的变量)。仿真支撑系统数据库依据生产现场的实际设备及工艺流程可由仿真机建模人员使用仿真支撑系统设计完成。仿真支撑系统通过数据对应模块可完成虚拟DCS中的变量和支撑系统数据库中数据的关联，从而构成完整的仿真系统。

虚拟I/O模块负责仿真支撑系统和虚拟DCS之间的数据通信。包括实时虚拟I/O数据的通信、运行状态的通信及控制命令的通信。数据高速公路使用碰撞检测以太网络，采用了标准的TCP/IP协议。对指令传递来说，由于要求较高的可靠性，采用可靠的数据流进行TCP连接。对实时数据而言，要求其具有高实时性并具有一定的容错性，可采用方便的用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)方式进行。

考虑到仿真支撑系统的通用性和开放性，系统支持OPC协议，可作为其服务器端，支持Modbus/TCP协议，实现了Modbus/TCP协议从站功能。可以与支持OPC，Modbus/TCP协议的虚拟DCS进行互联互通，数据关联及虚拟I/O通信如图4所示。

图4 数据关联及虚拟I/O通信

8 结束语

本文提出的仿真支撑系统具有以下特点。

(1)系统仿真功能完备，采用面向设备对象建模方法，实现快捷简单。

(2)模型调试手段实用直观，仿真精度高。

(3)教练员功能丰富，考核评分结果客观公正。

(4)系统结构开放，扩展性强，可用于仿真系统的研究，可拓展到其他领域的仿真。

(5)支持多种通信协议，可方便地与第三方虚拟DCS互联互通。

目前该系统已在洛阳新安电力集团发电公司的2×300 MW机组项目中应用，系统采用了国电南京自动化股份有限公司生产的TCS3000仪电一体化分散控制系统的虚拟DCS和本文所述的仿真支撑系统，实现了对该公司#5机组主、辅设备的全工况仿真，关键参数稳态值与参考机组实际运行值相比偏差小于2%，具有很高的仿真精度。目前该系统已投运，运行人员及热工维护人员通过该系统进行培训考核以获得上岗资质，通过该系统进行了大量技术改造方案的试验，取得了良好的效果。

实践结果表明，基于虚拟DCS的激励式仿真系统方案在保持传统仿真系统功能的基础上，还可用于电站运行、管理、专职人员等的培训、考核和事故演练，提供了对电站机组控制系统和庞大设备群进行数学仿真建模的平台环境。利用仿真技术的特点，可有效地解决在实际电站机组上难以直接进行某些试验和研究的问题，对电厂运行水平的提高，保证电站安全运行，实现电厂的最佳效益具有积极的意义。

［1］冷伟，房德山，徐治皋.火电机组仿真技术的应用与发展［J］.电力系统自动化，1999，23(23):7 －10，14.

［2］韩璞，翟永杰，王立志，等.基于虚拟DCS的激励式仿真系统分析与设计［J］.华北电力大学学报，2005，32(2):37－40.

［3］吴科，吕剑虹.通用型热工控制仿真支撑系统的研究与应用［J］.江苏电机工程，2008，27(4):66－70.

［4］韩璞，刘长良，李长青.火电站仿真机原理及应用［M］.天津:天津科技出版社，1998.

［5］冷杉.论虚拟分散控制系统技术［J］.中国电力，2003，36(2):53－56.