大型电站综合自动化系统仿真平台
阅读：283发布：2024-01-10
专利汇可以提供大型电站综合自动化系统仿真平台专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种大型电站综合自动化系统仿真平台，包括：“虚机”部分为电站仿真平台，用于实时模拟电站生产过程，为提高电站自动化 水 平提供真实有效的试验和分析平台；分散控制系统，包括设置在实际现场的各控制点，以及工作站、显示器、 打印机 、数据 服务器 和连接它们的双冗余光纤环型通讯网络；“实电”部分为电站仿真平台的“实电”部分，包括现场输入 信号 采集系统、现场测控仪表以及仿真平台 输出信号 的执行机构。本 发明 构建成一个完全互动的电站综合自动化系统研发平台，以便在不受现场各种条件的约束的情况下，对整个电站系统设备运行进行分析和研究，从而大大节省了系统设计、试验以及优化的时间和经费，提高了电站运行经济性和安全性。，下面是大型电站综合自动化系统仿真平台专利的具体信息内容。
1.一种大型电站综合自动化系统仿真平台，其特征在于：它包括依次连 接的“虚机”部分、DCS控制系统和“实电”部分，其中：
“虚机”部分为电站仿真平台，包括电站设备的仿真物理模型、控制回路、 以及电站系统虚拟DCS仿真装置，用于实时模拟电站生产过程，为提高电站自 动化水平提供真实有效的试验和分析平台；
分散控制系统包括设置在实际现场的各控制点，以及工作站、显示器、打 印机、数据服务器和连接它们的双冗余光纤环型通讯网络，控制点用于数据采 集、模拟量控制、顺序控制；
“实电”部分为电站仿真平台的“实电”部分，包括现场输入信号采集系 统、现场测控仪表以及仿真平台输出信号的执行机构；又：
“实电”部分将与现场信号一致的模拟信号和设备状态通过其采集，通过 DCS控制系统送入电站仿真平台，进行性能核算和控制运算后，输出信号通过 DCS控制系统到执行机构，完成对实际设备的控制。
技术领域
本发明涉及一种大型电站综合自动化系统仿真平台，具体的说是一种大型 电站综合自动化系统“虚机实电”半实物仿真系统。
背景技术
电站仿真系统，是将仿真技术应用于电站所构建的仿真系统。现代电站仿 真技术的发展给电力工业的安全生产提供了坚强的基础；电站机电一体化的普 遍应用，计算机水平、通信技术、网络技术、可视化技术的不断提高，又给电 站仿真技术提出了新的课题，仿真技术将进入一个新的发展时期。研究讨论仿 真技术的发展和未来的趋势，具有极高的实用价值。
仿真可分为计算机仿真和半实物仿真。计算机仿真是系统设计阶段不可缺 少的一项工作，通过计算机仿真验证设计的正确性和可实现性。半实物仿真一 般是把数学模型、实体模型和系统的实际设备联系在一起进行运行，组成仿真 系统。与纯计算机软件仿真相比，半实物仿真在逼真度和精确度上都有所提高。 现阶段，半实物仿真系统多应用于航空、航海、军事等。
电站综合自动化系统仿真平台可用于运行人员培训以及对整个电站系统 设备运行进行分析和研究，而且不受现场各种条件的约束，大大节省了系统设 计、试验以及优化的时间和经费，提高了电站运行经济性和安全性。
目前，电站系统的仿真平台还停留在纯计算机软件仿真的阶段，在电力行 业上，迄今为止还没有涉及半实物仿真系统。电站综合自动化系统半实物仿真 系统即用软件模拟方式来模拟电站本体以及物理化学反应过程、数据等，而对 于部分电站设备、输入/输出结构采用实际环境设备，这样建立的仿真平台逼真 度和精确度较高。从某种意义上，半实物仿真技术的发展水平也代表了行业的 整体科技水平，因此，在电站综合自动化系统中采用半实物仿真系统具有深远 的现实意义。
而如何建立大型电站综合自动化系统仿真平台，是本申请人致力研究的内 容之一。
仿真可分为计算机仿真和半实物仿真。计算机仿真是系统设计阶段不可缺 少的一项工作，通过计算机仿真验证设计的正确性和可实现性。半实物仿真一 般是把数学模型、实体模型和系统的实际设备联系在一起进行运行，组成仿真 系统。与纯计算机软件仿真相比，半实物仿真在逼真度和精确度上都有所提高。 现阶段，半实物仿真系统多应用于航空、航海、军事等。
电站综合自动化系统仿真平台可用于运行人员培训以及对整个电站系统 设备运行进行分析和研究，而且不受现场各种条件的约束，大大节省了系统设 计、试验以及优化的时间和经费，提高了电站运行经济性和安全性。
目前，电站系统的仿真平台还停留在纯计算机软件仿真的阶段，在电力行 业上，迄今为止还没有涉及半实物仿真系统。电站综合自动化系统半实物仿真 系统即用软件模拟方式来模拟电站本体以及物理化学反应过程、数据等，而对 于部分电站设备、输入/输出结构采用实际环境设备，这样建立的仿真平台逼真 度和精确度较高。从某种意义上，半实物仿真技术的发展水平也代表了行业的 整体科技水平，因此，在电站综合自动化系统中采用半实物仿真系统具有深远 的现实意义。
而如何建立大型电站综合自动化系统仿真平台，是本申请人致力研究的内 容之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种“虚机实电”半实物仿真以提高电力系统仿真 的逼真程度的大型电站综合自动化系统仿真平台，以便在不受现场各种条件的 约束的情况下，对整个电站系统设备运行进行分析和研究，从而节省系统设计、 试验以及优化的时间和经费，提高电站运行经济性和安全性。
本发明所提供的一种大型电站综合自动化系统仿真平台，其特征在于：它 包括依次连接的“虚机”部分、DCS控制系统和“实电”部分，其中：“虚机” 部分为电站仿真平台，包括电站设备的仿真物理模型、控制回路、以及电站系 统虚拟DCS仿真装置，用于实时模拟电站生产过程，为提高电站自动化水平提 供真实有效的试验和分析平台；分散控制系统包括设置在实际现场的各控制 点，以及工作站、显示器、打印机、数据服务器和连接它们的双冗余光纤环型 通讯网络，控制点用于数据采集、模拟量控制、顺序控制；“实电”部分为电 站仿真平台的“实电”部分，包括现场输入信号采集系统、现场测控仪表以及 仿真平台输出信号的执行机构；又：“实电”部分将与现场信号一致的模拟信 号和设备状态通过其采集，通过DCS控制系统送入电站仿真平台，进行性能核 算和控制运算后，输出信号通过DCS控制系统到执行机构，完成对实际设备的 控制。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明将控制技术、计算机技术、网络 通讯技术以及实际现场仪表和执行机构有机结合在一起的应用于电站综合自 动化系统，构建“虚机实电”半实物仿真平台。该电站综合自动化系统“虚机 实电”半实物仿真平台包括独立的电站仿真计算机和仿真装置、电站分散控制 系统DCS、现场仪表和执行机构、与实际控制室一致的操作环境，将上述系统 整合在一起，构建成一个完全互动的电站综合自动化系统研发平台，以便在不 受现场各种条件的约束的情况下，对整个电站系统设备运行进行分析和研究， 从而大大节省了系统设计、试验以及优化的时间和经费，提高了电站运行经济 性和安全性。
附图说明
通过以下对本发明大型电站综合自动化系统仿真平台的实施例结合其附 图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图 为：
图1是本发明大型电站综合自动化系统仿真平台的示意图。
本发明所提供的一种大型电站综合自动化系统仿真平台，其特征在于：它 包括依次连接的“虚机”部分、DCS控制系统和“实电”部分，其中：“虚机” 部分为电站仿真平台，包括电站设备的仿真物理模型、控制回路、以及电站系 统虚拟DCS仿真装置，用于实时模拟电站生产过程，为提高电站自动化水平提 供真实有效的试验和分析平台；分散控制系统包括设置在实际现场的各控制 点，以及工作站、显示器、打印机、数据服务器和连接它们的双冗余光纤环型 通讯网络，控制点用于数据采集、模拟量控制、顺序控制；“实电”部分为电 站仿真平台的“实电”部分，包括现场输入信号采集系统、现场测控仪表以及 仿真平台输出信号的执行机构；又：“实电”部分将与现场信号一致的模拟信 号和设备状态通过其采集，通过DCS控制系统送入电站仿真平台，进行性能核 算和控制运算后，输出信号通过DCS控制系统到执行机构，完成对实际设备的 控制。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明将控制技术、计算机技术、网络 通讯技术以及实际现场仪表和执行机构有机结合在一起的应用于电站综合自 动化系统，构建“虚机实电”半实物仿真平台。该电站综合自动化系统“虚机 实电”半实物仿真平台包括独立的电站仿真计算机和仿真装置、电站分散控制 系统DCS、现场仪表和执行机构、与实际控制室一致的操作环境，将上述系统 整合在一起，构建成一个完全互动的电站综合自动化系统研发平台，以便在不 受现场各种条件的约束的情况下，对整个电站系统设备运行进行分析和研究， 从而大大节省了系统设计、试验以及优化的时间和经费，提高了电站运行经济 性和安全性。
附图说明
通过以下对本发明大型电站综合自动化系统仿真平台的实施例结合其附 图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图 为：
图1是本发明大型电站综合自动化系统仿真平台的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种大型电站综合自动化系统仿真平台，它包括依次 连接的“虚机”部分1、DCS控制系统2和“实电”部分3。
“虚机”部分1为电站仿真平台，包括电站设备的仿真物理模型11、控制 回路12、以及电站系统虚拟DCS仿真装置13。电站设备的仿真物理模型包括 锅炉、汽轮机以及电气系统的仿真模型等，如汽轮机数字电液调节系统DEH、 火电机组控制系统、电气系统控制系统ECS、烟气脱硫控制系统FGD-DCS以 及其他辅机控制系统。仿真系统实时模拟电站生产过程，为提高电站自动化水 平提供真实有效的试验和分析平台，成为现代电厂热工自动化的重要组成部 分。
分散控制系统2包括设置在实际现场的各控制点21，以及工作站(包工程 师站22和操作员站23)、显示器(大屏幕)24、打印机25、数据服务器26 和连接它们的100M双冗余光纤环型通讯网络，控制点21用于数据采集、模拟 量控制、顺序控制，它大量采用了标准化产品，组态方式符合IEC1131-3国际 标准，可完成运行分析、画面显示、报表生成、打印、事件记录、事件追忆等 功能；
“实电”部分3为电站仿真平台的“实电”部分，包括现场输入信号采集 系统、现场测控仪表32以及仿真平台1输出信号的执行机构31。
“实电”部分将与现场信号一致的模拟信号和设备状态通过其采集，通过 DCS控制系统送入电站仿真平台，进行性能核算和控制运算后，输出信号通过 DCS控制系统到执行机构，完成对实际设备的控制。
下面就上述各部分内容进行详细说明。
1.硬件系统
电站综合自动化系统半实物仿真平台具有跟实际火电机组一样的人机界 面和操作环境，且具有良好得容错能力和实时性能。组态方式符合IEC1131-3 国际标准，主控卡使用32位嵌入式微处理器并采用VxWorks嵌入式实时控制 系统，保证了系统的实时、可靠运行。
DCS分散控制系统采用SUPMAX-800分散控制系统，主要由三部分组成： 控制站、工作站和连接两者的系统网络；其中操作员站兼做历史数据站。
(1)工程师站：主要装载系统的开发工具和后处理软件，对系统进行组 态、下装、在线或者离线修改仿真机模型以及系统的维护。还可以运行对象和 过程的模型，并通过网络与操作员站、控制站进行通讯。
(2)操作员站：在任一操作员站上都可以对电站仿真运行情况进行监视 和控制。可以只用一台进行切换操作锅炉、汽轮机和电气三大主系统下的各个 子系统和其他辅助子系统，也可以将各个子系统分开，甚至可以采取多个操作 台显示和操作同个子系统，各个界面的构成完全由用户自己按需要设置。
(3)系统网络：操作员站、工程师站、网络打印机、服务器以及I/O处理 器均挂在100M双冗余光纤环型以太网络上，实现了数据信息的高速通讯，还 可以通过交换机与远程进行数据交换或连接视频服务。
(4)人机接口：采用高配置的工业PC机作为人机接口的硬件。SUPMAX 系统中DPU和服务器之间使用的是TCP/IP和UDP/IP协议，服务器和操作站 之间使用的是NETBIOS协议，操作员站只须配置NETBIOS协议。系统的监视、 报警和自动诊断功能集中在操作员站CRT上显示并可以通过网络打印机打印。 SUPTOOLS是SUPMAX分散控制系统的组态软件，用来实现整个系统的组态。 硬件资源组态就是按照系统配置，对DPU、IO卡件、IO信号等硬件进行配置； 软件资源组态就是对DPU内的软件资源进行分配，包括控制块、接收缓冲等。 硬件组态、资源组态是采用WINDOWS标准树形结构，使用简单方便，并且提 供了查找、组态输入输出等高级功能。SUPMAX系统软件是基于嵌入式技术的 开放式实时控制软件，具有组态、监控和管理等功能。主要由实时数据库、 SUPTOOLS系统组态工具、IEC1131-3图形组态工具和SUPVIEW实时监控组 态工具等几部分组成。SUPTOOLS完成控制系统软硬件组态，生成并下载系统 组态数据库，同时对图形组态工具和监控组态工具进行管理。IEC1131-3图形 组态工具以ISaGRAF为核心，提供了符合IEC1131-3标准的五种标准组态编程 语言和流程图语言，并提供了大量的控制算法模块，供系统工程师进行控制策 略组态；SUPVIEW实时监控组态工具以Citect为核心。根据现场设备的实际 情况开发相应的监控画面，对现场设备进行实时监控。系统组态及监控软件运 行在Windows操作平台上，保证了软件运行的通用性及稳定性；而控制站主控 卡目标系统则采用VxWorks实时操作系统，保证了系统运行的实时性及可靠 性。
(5)分散处理单元DPU：远程处理单元是系统在烟气脱硫控制系统虚机 实电仿真平台中跟实际电控平台相连接的接口。由机柜、电源、机笼、分散控 制单元(DPU)和I/O卡件等。DPU分散处理单元是一个多功能控制器和数据 处理器的集合，它实现控制算法、1ms分辨力的时间顺序记录SOE和数据采集 功能。DPU通过2条冗余的以太网线直接接在通讯网络上，不需要服务器，并 通过冗余的RS-485总线连接I/O卡件，并具有远程I/O能力。DPU为冗余传输， 当工作的主DPU故障时，能无扰动的切换到从DPU上，切换时间小于1ms， 保证控制连接性和系统安全性。I/O模板总线扩展卡和机架系列，连接着全厂 的数千个过程变量和可控制的终端元件设备，还可以提供可编程控制器和过程 控制器的特性，提供平滑执行多变量控制算法和顺序控制。包括总线扩展卡模 拟量和数字量I/O卡、热电偶(T/C)卡、热电阻(RTD)卡、二进制控制(BCM) 卡、脉冲量(PI)卡、SOE卡和特种快速模拟量输出卡。
2.电站仿真装置
针对实际火电站系统，根据用户要求确定仿真范围及对精度、逼真度的要 求，将整个系统分成若干子系统或子模型，然后对各子系统建模，再把各子系 统模块化模型按照顺序组合在一起，得到一个完整的可交互的、可运行的电站 综合自动化系统模型。
将火电机组锅炉、汽轮机、电气控制系统物理、化学过程正确地反映为数 学模型。主要包括了主厂房和辅助车间的各个主要控制点，如数据采集、模拟 量控制、顺序控制、电气控制系统、汽机数字式电液调节系统、烟气脱硫控制 系统等。锅炉系统主要包括汽包锅炉给水控制系统、汽温自动控制系统、燃烧 过程自动控制系统、炉膛安全监控系统。汽机DEH包括汽轮机自动控制、辅 助系统自动控制等。辅助机组控制系统主要是烟气脱硫、输煤系统、除灰系统 自动控制系统等。
3.现场仪表和执行机构
现场测控仪表和执行机构包括各类控制阀、执行电动机及液压伺服系统 等。这些现场测控仪表和执行机构分布于烟气脱硫过程的各个子系统控制点 上，如吸收塔单元、石灰石浆液制备单元、磨煤机单元、氧化风机单元等，用 于检测各个系统关键设备的状态以及关键参数的变化，并将这些信号通过DCS 控制系统送入FGD过程模型或控制模型，模型的输出信号最终也输出到执行 机构，实现设备和系统的控制。
需要说明的是：以上仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上 述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可 以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改 或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
“虚机”部分1为电站仿真平台，包括电站设备的仿真物理模型11、控制 回路12、以及电站系统虚拟DCS仿真装置13。电站设备的仿真物理模型包括 锅炉、汽轮机以及电气系统的仿真模型等，如汽轮机数字电液调节系统DEH、 火电机组控制系统、电气系统控制系统ECS、烟气脱硫控制系统FGD-DCS以 及其他辅机控制系统。仿真系统实时模拟电站生产过程，为提高电站自动化水 平提供真实有效的试验和分析平台，成为现代电厂热工自动化的重要组成部 分。
分散控制系统2包括设置在实际现场的各控制点21，以及工作站(包工程 师站22和操作员站23)、显示器(大屏幕)24、打印机25、数据服务器26 和连接它们的100M双冗余光纤环型通讯网络，控制点21用于数据采集、模拟 量控制、顺序控制，它大量采用了标准化产品，组态方式符合IEC1131-3国际 标准，可完成运行分析、画面显示、报表生成、打印、事件记录、事件追忆等 功能；
“实电”部分3为电站仿真平台的“实电”部分，包括现场输入信号采集 系统、现场测控仪表32以及仿真平台1输出信号的执行机构31。
“实电”部分将与现场信号一致的模拟信号和设备状态通过其采集，通过 DCS控制系统送入电站仿真平台，进行性能核算和控制运算后，输出信号通过 DCS控制系统到执行机构，完成对实际设备的控制。
下面就上述各部分内容进行详细说明。
1.硬件系统
电站综合自动化系统半实物仿真平台具有跟实际火电机组一样的人机界 面和操作环境，且具有良好得容错能力和实时性能。组态方式符合IEC1131-3 国际标准，主控卡使用32位嵌入式微处理器并采用VxWorks嵌入式实时控制 系统，保证了系统的实时、可靠运行。
DCS分散控制系统采用SUPMAX-800分散控制系统，主要由三部分组成： 控制站、工作站和连接两者的系统网络；其中操作员站兼做历史数据站。
(1)工程师站：主要装载系统的开发工具和后处理软件，对系统进行组 态、下装、在线或者离线修改仿真机模型以及系统的维护。还可以运行对象和 过程的模型，并通过网络与操作员站、控制站进行通讯。
(2)操作员站：在任一操作员站上都可以对电站仿真运行情况进行监视 和控制。可以只用一台进行切换操作锅炉、汽轮机和电气三大主系统下的各个 子系统和其他辅助子系统，也可以将各个子系统分开，甚至可以采取多个操作 台显示和操作同个子系统，各个界面的构成完全由用户自己按需要设置。
(3)系统网络：操作员站、工程师站、网络打印机、服务器以及I/O处理 器均挂在100M双冗余光纤环型以太网络上，实现了数据信息的高速通讯，还 可以通过交换机与远程进行数据交换或连接视频服务。
(4)人机接口：采用高配置的工业PC机作为人机接口的硬件。SUPMAX 系统中DPU和服务器之间使用的是TCP/IP和UDP/IP协议，服务器和操作站 之间使用的是NETBIOS协议，操作员站只须配置NETBIOS协议。系统的监视、 报警和自动诊断功能集中在操作员站CRT上显示并可以通过网络打印机打印。 SUPTOOLS是SUPMAX分散控制系统的组态软件，用来实现整个系统的组态。 硬件资源组态就是按照系统配置，对DPU、IO卡件、IO信号等硬件进行配置； 软件资源组态就是对DPU内的软件资源进行分配，包括控制块、接收缓冲等。 硬件组态、资源组态是采用WINDOWS标准树形结构，使用简单方便，并且提 供了查找、组态输入输出等高级功能。SUPMAX系统软件是基于嵌入式技术的 开放式实时控制软件，具有组态、监控和管理等功能。主要由实时数据库、 SUPTOOLS系统组态工具、IEC1131-3图形组态工具和SUPVIEW实时监控组 态工具等几部分组成。SUPTOOLS完成控制系统软硬件组态，生成并下载系统 组态数据库，同时对图形组态工具和监控组态工具进行管理。IEC1131-3图形 组态工具以ISaGRAF为核心，提供了符合IEC1131-3标准的五种标准组态编程 语言和流程图语言，并提供了大量的控制算法模块，供系统工程师进行控制策 略组态；SUPVIEW实时监控组态工具以Citect为核心。根据现场设备的实际 情况开发相应的监控画面，对现场设备进行实时监控。系统组态及监控软件运 行在Windows操作平台上，保证了软件运行的通用性及稳定性；而控制站主控 卡目标系统则采用VxWorks实时操作系统，保证了系统运行的实时性及可靠 性。
(5)分散处理单元DPU：远程处理单元是系统在烟气脱硫控制系统虚机 实电仿真平台中跟实际电控平台相连接的接口。由机柜、电源、机笼、分散控 制单元(DPU)和I/O卡件等。DPU分散处理单元是一个多功能控制器和数据 处理器的集合，它实现控制算法、1ms分辨力的时间顺序记录SOE和数据采集 功能。DPU通过2条冗余的以太网线直接接在通讯网络上，不需要服务器，并 通过冗余的RS-485总线连接I/O卡件，并具有远程I/O能力。DPU为冗余传输， 当工作的主DPU故障时，能无扰动的切换到从DPU上，切换时间小于1ms， 保证控制连接性和系统安全性。I/O模板总线扩展卡和机架系列，连接着全厂 的数千个过程变量和可控制的终端元件设备，还可以提供可编程控制器和过程 控制器的特性，提供平滑执行多变量控制算法和顺序控制。包括总线扩展卡模 拟量和数字量I/O卡、热电偶(T/C)卡、热电阻(RTD)卡、二进制控制(BCM) 卡、脉冲量(PI)卡、SOE卡和特种快速模拟量输出卡。
2.电站仿真装置
针对实际火电站系统，根据用户要求确定仿真范围及对精度、逼真度的要 求，将整个系统分成若干子系统或子模型，然后对各子系统建模，再把各子系 统模块化模型按照顺序组合在一起，得到一个完整的可交互的、可运行的电站 综合自动化系统模型。
将火电机组锅炉、汽轮机、电气控制系统物理、化学过程正确地反映为数 学模型。主要包括了主厂房和辅助车间的各个主要控制点，如数据采集、模拟 量控制、顺序控制、电气控制系统、汽机数字式电液调节系统、烟气脱硫控制 系统等。锅炉系统主要包括汽包锅炉给水控制系统、汽温自动控制系统、燃烧 过程自动控制系统、炉膛安全监控系统。汽机DEH包括汽轮机自动控制、辅 助系统自动控制等。辅助机组控制系统主要是烟气脱硫、输煤系统、除灰系统 自动控制系统等。
3.现场仪表和执行机构
现场测控仪表和执行机构包括各类控制阀、执行电动机及液压伺服系统 等。这些现场测控仪表和执行机构分布于烟气脱硫过程的各个子系统控制点 上，如吸收塔单元、石灰石浆液制备单元、磨煤机单元、氧化风机单元等，用 于检测各个系统关键设备的状态以及关键参数的变化，并将这些信号通过DCS 控制系统送入FGD过程模型或控制模型，模型的输出信号最终也输出到执行 机构，实现设备和系统的控制。
需要说明的是：以上仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上 述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可 以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改 或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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