仿真技術(shù)在中國(guó)電力中的發(fā)展及應(yīng)用

1　現(xiàn)代化大型火電機(jī)組仿真系統(tǒng)的硬件組成和軟件結(jié)構(gòu)
1.1　仿真系統(tǒng)的硬件組成
　　中國(guó)新建的大型火電機(jī)組的控制室有三種方式：a.以常規(guī)型的控制盤、操作臺(tái)為主要控制和操作手段，以屏幕顯示操作為輔；b.以屏幕操作和顯示的操作員站（OIS）為主，備有小規(guī)模的控制盤，裝有一定量的模擬操作器和邏輯操作器作為備用操作設(shè)備；c.單純采用計(jì)算機(jī)屏幕操作和顯示，沒有儀表盤和操作臺(tái)。那么相應(yīng)的仿真系統(tǒng)同樣具有三種硬件組成。本文提供的硬件組成是以b方式為主。
操作員站（OIS）采用了五臺(tái)同一規(guī)格的PC機(jī)，分別具有同一規(guī)格的專用鍵盤和20寸顯示屏幕。電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)DEH采用一臺(tái)專用PC機(jī)及20寸顯示屏幕。指導(dǎo)教師工作站是一臺(tái)HP-715小型工作站。兩臺(tái)就地操作站采用X-終端。對(duì)監(jiān)視鍋爐燃燒火焰、煙囪排煙、鍋爐水位等的仿真，則采用了多媒體技術(shù)，使用三臺(tái)PC機(jī)。上述所有PC機(jī)和X-終端都作為下位機(jī)，通過開放式以太網(wǎng)和作為主機(jī)的HP-9000/800-K100服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其通信速率為10MB/s。該仿真機(jī)對(duì)輔助操作盤也進(jìn)行了1∶1的仿真。應(yīng)該說明的是，硬件系統(tǒng)中的各種計(jì)算機(jī)型號(hào)沒有嚴(yán)格的規(guī)定，一般是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，選用國(guó)際市場(chǎng)上最新型號(hào)和性能價(jià)格比比較高的原裝機(jī)。
1.2　計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
　　一般是以多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，如UNIX、VMS等。以數(shù)據(jù)庫管理、進(jìn)程通訊、內(nèi)存共享和實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度為手段，建立仿真支持環(huán)境。并在它的支持下實(shí)現(xiàn)多層次的建模工具，包括源代碼管理、工程管理、自動(dòng)建模工具以及仿真培訓(xùn)所必須的輔助軟件，如指導(dǎo)教師站軟件、就地操作站軟件等。
　　仿真環(huán)境軟件是現(xiàn)代化仿真機(jī)開發(fā)和運(yùn)行維護(hù)必不可少的大型軟件。從某種意義上說是仿真機(jī)的操作系統(tǒng)。世界上各大仿真公司都有各自的支持環(huán)境軟件，如從事電站仿真開發(fā)的美國(guó)S3T公司的S3、ABB公司的CETRAN，加拿大CAE公司的ROSE等。這些軟件按當(dāng)時(shí)或現(xiàn)在計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)水平，對(duì)仿真機(jī)的開發(fā)全過程起到重要的支持作用。
　　從我國(guó)電站仿真機(jī)生產(chǎn)的幾大廠家來看，主要是以借用、租用或修改外國(guó)仿真公司80年代的同類仿真軟件為主。唯有清華大學(xué)獨(dú)立開發(fā)了具有自主版權(quán)的支持軟件“一體化仿真支持環(huán)境”，簡(jiǎn)稱ISSE。
　　ISSE具有完整的支持環(huán)境功能，基于B-TREE算法（平衡樹算法）的數(shù)據(jù)庫管理內(nèi)核，提供了從變量、源代碼、工況文件、I/O接口等各種仿真機(jī)要素的管理。以對(duì)仿真機(jī)開發(fā)的各個(gè)階段，包括圖形化建模的支持。基于共享內(nèi)存、信號(hào)燈和實(shí)時(shí)內(nèi)核的技術(shù)，ISSE提供了可靠而準(zhǔn)確的任務(wù)調(diào)度功能以及各種在線調(diào)試功能。由于采用了面向大型的程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的思想，ISSE對(duì)項(xiàng)目子組形式的開發(fā)提供了各種手段，并可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多模的功能。ISSE全部采用C++寫成，并形成了ISSE開發(fā)類庫。該系統(tǒng)已在HP-UX、DECOpenVMS、SGIIRIX等操作系統(tǒng)上完整實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)了支持環(huán)境作為仿真操作系統(tǒng)的思想。除此之外，ISSE提供了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)通訊的開發(fā)接口，以便于第三方軟件和ISSE的通訊。
　　ISSE軟件結(jié)構(gòu)有三個(gè)層面，分別為類庫、工具軟件和應(yīng)用軟件。
1.3　對(duì)象模型
　　電廠機(jī)組的各種不同熱力系統(tǒng)都是由一些熱力設(shè)備，如換熱器、風(fēng)機(jī)、水泵、閥門、容器等經(jīng)過管道連接而成，形成一個(gè)個(gè)流體網(wǎng)絡(luò)。熱力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程不僅取決于各熱力設(shè)備本身的特性，即設(shè)備模塊；還取決于這些設(shè)備的連接方式，即拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此流體網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)成為電廠仿真中的一項(xiàng)重要技術(shù)。清華大學(xué)開發(fā)的流體網(wǎng)絡(luò)計(jì)算軟件FLOWNET，可建立單相不可壓縮、單相可壓縮流體網(wǎng)絡(luò)模型，采用半隱式歐拉積分算法和大型稀疏矩陣技術(shù)求解，很好的解決了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性等問題。
　　為了更快速和直觀地進(jìn)行建模，在ISSE支持下，增加了圖形編輯器GNET，發(fā)展成為圖形化、模塊化的建模軟件，形成了一種新的流體網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)建模工具。
　　當(dāng)確定了熱力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后，根據(jù)GNET的圖形編輯器功能，調(diào)用各種不同設(shè)備所對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)，再根據(jù)模塊入/出口進(jìn)行連接，組成被仿真的熱力系統(tǒng)。同時(shí)相應(yīng)的FORTRAN源程序隨之生成。經(jīng)過實(shí)例化，即輸入被仿真設(shè)備和系統(tǒng)的參數(shù)和數(shù)據(jù)，該仿真系統(tǒng)即可進(jìn)行調(diào)試。