660MW超超临界机组激励式仿真系统设计与应用.pdf

68VOL.43No.4660MW 超超临界机组激励式仿真系统设计与应用刘世杰，汪涛，韩秋业（国家电投江西电力有限公司 分宜发电厂，江西 新余 336607）摘要：作为大型电厂正常运营和培训的必备装置，电站仿真机对电站安全运行的重要性已得到广泛的认可。运行操作及管理人员通过仿真培训，可以提高运行操作水平、故障处理和经济运行的技能。利用该套仿真系统对机组的控制系统进行仿真研究，以选择最佳的控制策略和控制模块调节系数，可进一步提高机组运行的经济性和安全性，减少现场调试工作量，并大大提高控制系统的调试、投运水平。关键词：激励式仿真机；技能培训；NuCON 控制系统；控制策略；应用中图分类号：TK39文献标识码：ADOI：10.16189/j.nygc.2023.04.010Fully excited simulation system for 660MW ultra-supercritical unit Design and applicationLIU Shijie,WANG Tao,HAN Qiuye(SPIC Jiangxi ElectricPower Co.,Ltd.Fenyi Power Plant,Xinyu 336607,China)Abstract:As a necessary device for the normal operation and training of large power plants,the importance of power plant simulator to the safe operation of power plants has been widely recognized.Through the simulation training of operation and management personnel,the operation level,fault handling and economic operation skills are improved.Through this simulation system,the control system of the unit was simulated and studied in order to select the optimal control strategy and control module adjustment coefficients,to further improve the economy and safety reliability of the units operation,to reduce the workload of on-site commissioning,and to greatly improve the level of the control systems commissioning and putting into operation.Key Words:full excitation simulator;skills training;NuCON control system;control strategy;application收稿日期：2023-05-08作者简介：刘世杰（1984-），男，江西新余人，本科学历，工程师，主要研究方向为集控运行专业管理。通信作者：汪涛（1991-），男，江西抚州人，本科学历，工程师，主要研究方向为集控运行专业管理。E-mail：0引言随着国家核电第三代核电自主化仪控系统（NuCON 系统）在高参数、大容量火电机组中的首次推广，如何在机组 168 试运、超速以及RB 等 34 项严格试验之前，有效地对运行人员及热工人员进行培训对整个 NuCON 控制系统有一个全方位及深入的了解，不仅影响到电厂的安全和经济运行,而且关系到能否充分发挥 NuCON控制系统的作用与功能。为解决这些困难，配套建设了一套基于 NuCON 虚拟 DPU 功能的激励式仿真系统。本仿真机具有完善的培训管理功能，向受训人员展现正常、异常和紧急状态的现场环境1，运行人员经培训后能够熟练地掌握机组启停过程和维持正常运行的全部操作，学会处理异常、紧急事故的技能，训练应急处置能力，确保机组安全运行。各种稳态与暂态情况，包括机组正常启停、正常运行故障、非正常操作和稳态运行工况，其参数的变化及方向与实际机组一致。另外，基于 NuCON 虚拟 DPU 功能的激励式仿真系统，不仅面向运行人员，还可以应用于热控人员的培训。激励式仿真机，其控制逻辑和控制画面与实际机组保持一致，可以提供控制系统组态、控制策略优化、参数整定等工作的有效手段2，大大提高控制系统的调试、投运水平。VOL.43No.4Aug.2023第 43 卷第 4 期2023 年 8 月能 源 工 程ENERGY ENGINEERING69第 43 卷第 4 期能 源 工 程1仿真机系统架构1.1系统特点该系统主要由实时仿真数据网、计算模型服务器、工程师站、操纵员站、教练员站、大屏幕、硬手操设备等部分构成。仿真机系统的工艺系统对象采用高精度图形化建模工具开发。采用NuCON 平台的仪控系统通过虚拟 DPU 技术实现，DEH/MEH 采用翻译仿真的方式实现3，NCS/ECMS 系统采用模拟仿真的方式实现。该技术方案的特点是仪控仿真的逼真度高，主要的仪控模型直接使用或者直接翻译实际机组数据，便于维护。1.2硬件组成仿真机的硬件包括一台电厂模型服务器4、一台虚拟 DPU 服务器、两台教练员站、若干台操作员站等主要设备,以及交换机、网线、大屏幕、打印机等辅助设备，还有定制仿真控制台、硬手操按钮等主控室内对操纵员培训产生直观感受的设备。为了保证系统后备电源的可靠性，配备了一组 UPS 电源，UPS 的输出电压的各项指标符合国标要求，保证 30 分钟供电。1.3软件功能仿真机的仿真支撑平台为国核自仪开发的NuSIM 一体化仿真平台。仿真支撑平台架构见图1，其基本算法库包括流体网络、电气系统、控制算法等动态库5；数据库系统包括实时数据库和历史数据库；仿真运行环境提供算法管理、时钟管理、内存管理等功能；客户端应用软件包括图形化建模工具、教练员站软件等。图 1仿真支撑平台架构图NuSIM 一体化建模仿真支撑平台为系统模型的运行提供运行环境，包括保存快照、复位快照、插入故障、模型加速或减速运行等。仿真支撑平台对所有的仿真模型模块运算进行周期性调度，主要仿真模块采用集总参数机理模型，并经过优化和适当简化，保证模型运行的实时性，即：在t 时间内发生的过程，保证在小于 t 的时间内计算完毕。仿真平台也提供了加速和慢速运行的功能，以比实际时间快速（或者慢速）进行仿真。在某些特殊情况下，如模型过于复杂或服务器硬件性能不足，以致不能完成实时仿真计算时，支撑平台将给出计算超时提示，提示当前计算非实时，并重置系统时钟。服务器突发的负荷过高（如正在运行杀毒任务），可能导致偶发的超时，这种情况不需调整模型。但经常性超时表示模型过于复杂，需对模型进行调整，保证实时性。图形化建模工具包含在一体化建模仿真支撑平台的客户端应用软件中，用户可通过图像化建模工具实现对热工流体系统、电气系统、控制系统的图形化建模工作，并可通过图形化模型对生成的模型运行程序进行在线调试。教练员站程序用于对仿真机培训过程进行控制，包括运行控制、速度控制、快照管理、故障模拟以及任务管理等。此外，教练员站程序还具备外部参数设置功能，允许教练员控制机组的全部外部参数，通过教练员工作站客户端程序修改被仿真的控制室以外的条件。每个外部参数可通过一组变量值进行设置和修改。2仿真模型的开发2.1工艺系统模型工艺系统模型的设计以物理过程为基础；将使用物理方程和数值解法或相应的假设以模拟出相应的物理现象。所有的模型，除了功能性模拟以外，都是基于相应的数学原理和守恒方程进行建模，以设备的结构设计和热力计算数据为依据，建立一套完整的仿真静态和动态全过程的全仿真模型。在所确定的仿真范围中，模型能够对电厂所有的正常、异常和瞬态工况进行连续的仿真。70VOL.43No.4被仿真机组的工艺系统数学模型符合质量、能量和动量转换的定律。这类系统有主燃料系统、空气与烟气系统、锅炉、汽机、泵、发电机、凝汽器、循环水系统、凝结水系统、加热器系统、给水系统、真空系统等。设备特性包括泵特性、风机特性、阀门特性等，使用适当的实际数据或理论数据（出厂时的特性数据）为基础进行仿真，仿真的整个操作过程逼真。仿真机参考实际机组设计资料及运行数据完成模型创建，如实反映出各工艺系统及设备的运行参数在不同运行工况下与变工况时的动态响应特性6。能实现机组的各种运行状态：启停（包括冷态、温态、热态、极热态启动、正常停机、滑参数停机、紧急停机等）、正常运行（包括机组所允许的不同负荷下的稳定运行以及相应运行操作、变工况运行等）。在仿真机上可准确实现机组和辅机的联锁和保护，能如实反映各主要辅机的启停和阀门特性，以及调节对整个机组运行的影响。2.2仪控系统模型在仪控系统模型的建立方面，单元机组 DCS采用国核自仪研发的 NuCON 控制系统平台，DEH（MEH）采用艾默生的 Ovation 平台，厂外开关站控制系统采用南瑞系统。对单元机组 DCS部分的仿真，采用近年来技术已经非常成熟的虚拟 DCS 方式（NuCON SoftCU）来实现，其最大的技术特点是将 DCS 在非 DCS 的计算机系统中以某种形式再现，控制参数和算法完全来自于DCS 工程组态文件，使用与真实 DCS 完全相同的算法、模块、时间片等，能在源程序级一比一仿真真实 DCS 系统，可实现与真实机组控制器完全相同的控制逻辑上装、下装、在线/离线编辑等功能7，方便同步更新，仿真逼真度高。仿真机的人机画面与真实机组完全一致，将真实机组的人机画面组态文件拷贝至仿真机操作站的对应路径，通过 NuCON 平台的图形显示程序来运行，各操作员站可实现与实际机组集控室中单元机组操纵员站完全相同的操作方式。虚拟 DPU软件支持运行/冻结，保存/装载快照，加速/减速等仿真功能8。仿真平台与虚拟 DPU 软件之间通过调用 API 接口程序实现双向数据交互。DEH（MEH）的仿真通过智能翻译的方式来实现，仿真逼真度高。通过识别和解析从实际机组中备份的工程文件，并执行相关的技术规范，自动地、批量地将控制逻辑、画面和点信息等转换为可在仿真支撑平台上运行的代码，并顺序实现仿真机中的代码编译、链接和集成等，一体化、逼真地再现 DEH（MEH）控制系统，自动完成仿真机DEH 控制系统模型的建立9。机组其他子监控系统（如 ECMS/NCS）的仿真均采用模拟仿真的方式来实现，按照设计文件，在仿真平台上组态呈现出所需的控制策略和控制画面，以实现系统的监视、显示、操作等功能，逼真度较高。为方便仿真机集成调试，配置了与实际机组一致的工程师站 DCS 软件，包括逻辑组态、画面组态、系统管理和配置等。2.3就地操作画面就地操作是指没有包括在集控室中的控制操作。就地操作画面的建模首先要确定就地操作设备的范围，然后确定界面形式（包括系统划分、画面风格、面板形式），完成建模。针对就地操作画面的设计采取了下列措施。1）确定就地操作设备的范围。原则上在集控室中通过 DCS 的人机界面进行操作的设备不在就地操作站上进行重复操作。2）确定界面形式。为方便人员培训，提高画面的可读性与完整度，本仿真系统以电厂出版的系统图为底图，系统划分与系统图保持一致。经过对矢量化图纸的转换，将底图集成进仿真系统中，然后在底图上面进行设备和软控制器的建模，填写被控设备和软操面板的点名参数，将绘制的图形与控制系统、数学模型连接起来10。3）就地画面上的阀门设备都要设置中停位，并显示阀门的开度，开状态显示红色，关状态显示绿色，中间位置显示蓝色11。4）电气设备的就地控制面板采用现场拍照抠图再进行实例化的形式进行建模，能够很好地提高培训人员对现场设备的辨识度和操作习惯。5）最后完成就地操作画面在各个操作站上刘世杰等：660MW 超超临界机组激励式仿真系统设计与应用71第 43 卷第 4 期能 源 工 程的分发，通过图形客户端打开即可。3仿真系统的调试3.1仿真系统的调试目的仿真机调试的目的是：在完成了建模、对点、模型单元测试以及仪控模型和工艺模型集成之后，参照机组运行规程和事故处理规程，完成特定的稳态和瞬态工况下12，进行系统运行的正确性以及参数变化的合理性及精确度的试验，并在这个过程中对模型及参数进行必要的调整和修改，最终完全复现机组的整个运行过程。3.2仿真系统的调试内容3.2.1仪控模型与就地画面操作响应正确性检查确保仿真系统与现场系统一致，所有开关动作正确，状态正确，需要关注的一点是要设置合理的工艺系统设备模型行程时间，使其与控制逻辑组态中的设备行程时间相符，避免出现 DCS 画面显示设备操作失败。3.2.2升、降功率测试升功率从系统全冷态未送电工况开始，完整重现电厂设备上电、上水、点火、升温升压、干湿态转换、汽机冲转、并网带负荷、升负荷至满功率的过程。降功率从满负荷稳定工况开始，进行正常停运操作，由上到下逐台减少磨煤机给煤量，逐台停运磨煤机。在 CCS 协调方式下，负荷减至 80%BMCR 时，停运第一台制粉系统；减至50%BMCR 时，停运第二台制粉系统，机组控制方式切至 TF 方式。负荷减至 35%BMCR 时，停用第三台制粉系统。机组负荷 150 MW 左右，切除汽动给水泵（电泵）自动。机组负荷减至 120 MW，将汽泵负荷切至电泵运行。机组负荷由120 MW 减至 60 MW，保留二台制粉系统运行。机组负荷减至 60 MW，保留 A 层制粉系统运行。机组负荷30 MW时解列所有高、低压加热器运行。然后进行发电机解列和解列后操作。3.3仿真系统的调试成效仪控模型与就地画面操作响应及机组升、降功率的测试，主要解决以下问题：1）验证模型建模的准确性和完整性；2）验证控制逻辑和人机画面的正确性；3）进行仿真机上的控制逻辑 PID 参数整定值调整；4）保证仿真机上的重要参数与实际机组参数在一定的误差范围内相一致，操作现象与实际机组相符，变化趋势与实际机组相同；5）仿真故障测试。仿真故障根据电厂事故处理规程进行设置，含锅炉故障、汽机故障、电气故障以及控制系统故障13。故障测试包含单个故障和组合故障。首先进行单个事故的测试，主要解决的问题有三点：一是验证事故现场的合理性；二是保证事故发生之后，根据事故程度的不同，仿真机参数变化保持比较好的线性；三是对某些模型算法的不足之处，搭建辅助逻辑，以完成故障情况的仿真。为提高运行人员处理紧急情况的能力，并且根据运行人员取证考试的需要，一般会根据需要设置一些组合的故障。这些故障在设置的时候一般会考虑先后顺序、触发条件、触发时间等因素，保证操纵人员能够有序地识别故障报警，合理地安排事故的处理过程，有一个较好的培训效果。当然，也可以同时触发好几个故障，以提高在极限情况下操纵员临危处置事故的能力，考验他们对大小问题的综合考虑能力。本仿真系统主要调试了一些固定的组合故障，调整了合适的事故程度，以利于事故可以触发报警以帮助操纵员识别和判断故障点，并保证事故的演变过程在正确的操作程序后能够受控，在下一个事故自动触发之前预留合适的时间，保证具有一定能力的操纵员能够将当前事故处理完成。本仿真系统支持根据使用需要将不同的单个故障组合在一起，所有的操作可在教练员站客户端上通过右键的添加功能完成。4系统运用该仿真系统在实际机组投产前投运，660 MW 超超临界机组 NuCON 控制系统有其独特的特点，包括测控点多、逻辑复杂、联系性强、调72VOL.43No.4整对象多，有时也会因为调试条件不充分，无法满足系统调试需求。因此，鉴于仿真机控制逻辑和画面与实际机组使用的组态保持一致，就可以在仿真机上做一些闭环实验的项目。根据现场设备特性确定重要有关参数，如 PID 参数、高低限、变化速率、调节死区等有关参数值15。在不同的控制策略和控制参数的作用下，将达到不一样的控制结果。利用仿真系统调试，不单是通过各类控制策略的测试，摸索各类控制策略的优缺点，严格筛查控制策略的错误区域，而且也可反复修改各控制模块调节系数，掌握逻辑动作后引发的参数变化规律，得到贴近现场的控制模块动作值、调节区间14，得到优异的控制模块调节性能特点，最终为在最短时间内精准地完成实际生产过程的调试任务提供充分的数据支撑，降低调试成本。该激励式仿真系统接近一比一还原实际生产现场,对集控运行人员培训的功能大大提升，使得运行人员能较熟练地、正确地掌握机组设备在各种状态下启动、停机和正常运行的监视操作技术。不断提高机组运行人员正确判断、处理各种事故的应急能力，并通过各种故障判断和分析的反复培训，提高对机组运行的综合分析能力和事故情况下应急处置能力。在不同工况条件下分析和改进机组运行操作方案、方式，并加以优化；可从现场运行机组获取运行参数，经过该仿真机的过程演示对机组的故障原因和结果进行分析，以便改进运行操作和制定反事故对策。利用此套仿真培训系统可以对电厂的运行、管理人员进行培训和考核，对各岗位运行人员和技术管理人员进行定期轮训，作为上岗、晋升前的考核手段，客观地反映实际操作能力和分析判断能力。在 2023 年度举办一次集控运行专业取证考试，后期将作为集团公司内部集控运行专业技术比武首选实操考试平台。热控人员可以在仿真机上进行逻辑组态、画面组态、参数整定等培训，在机组投运的三年时间里，利用仿真机已成功地进行了多次热控技术比武。通过该套仿真系统对机组的控制系统进行仿真研究，以选择最佳的控制逻辑和整定参数，并可实现在机组控制策略修改之前，通过仿真机验证控制策略的正确与否。5结论 介绍了一种应用 NuCON 控制平台虚拟 DPU技术的 660MW 超超临界机组激励式仿真系统。通过严谨、详细的调试，验证了仿真系统硬件配置合理，系统运行可靠、性能良好。模型仿真范围、仿真工况满足使用要求，故障项目罗列齐全，故障现象判断正确。重要参数的稳态精度和瞬态精度在合同中规定的误差允许范围之内。仿真机控制逻辑和控制画面逼真度极高，画面中的各种设备状态和监视参数与生产实际现场一致。就地画面丰富，范围合理，功能齐全，满足培训的要求。仿真系统作为机组 168 调试前期试验研究平台，进行控制策略和控制模块调节系数的验证和论证工作，能够很好地节省前期投资、降低现场机组调试风险、缩短现场调试周期、获得最贴近现场工况环境的理想控制方案，具有较高的科学意义和经济价值。参考文献1 马骏驰,申忠利,牛玉广,等.1000MW 超超临界机组激励式仿真系统 J.电力科学与技术学报,2010,25(4)：11-21.2 吕崇德,范永胜,蔡瑞忠.我国电站仿真技术进展与建模理论研究 J.中国工程学报,1999,1(1)：99-103.3 段新会,姜萍,彭峰.DCS 组态文本自动映射电站控制系统仿真模型软件开发 J.计算机仿真,2003,2(1)：102-105.4 侯小刚.热电站仿真机及运行 M.江苏：东南大学出版社,2003：20-21.5 韩璞,刘长良,李长青 火电厂仿真机原理及应用M.天津：天津科学技术出版社,1998 6 蒋忠民.WinMOD 自动化仿真技术在水泥行业中的应用 D.武汉：武汉理工大学,2013.7 唐玉贺.人工神经网络算法的研究与在 DCS 控制系统中的应用 D.青岛：青岛科技大学,2013.8 胡波,喆王.集中式仿真系统的数据通信优化设计J.刘世杰等：660MW 超超临界机组激励式仿真系统设计与应用73第 43 卷第 4 期能 源 工 程热力发电,2012,(8)：1-2.9 杨宏民,孙为民,杨雪萍.仿真机在火电厂集控运行专业教学中的应用分析 J.中国电力教育,2013,(36)：1-2.10 王立志,封官斌,翟永杰,等.虚拟 DCS 技术及实现 J.山东电力技术,2004,(30)：2-3.11 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)：1-2.12 冷杉.论虚拟分散控制系统技术 J.中国电力,2003,(36),53-56.12 陶荣.全激励型仿真机在开发中遇到的问题及对策 J.江苏电机工程,2003,(1)：27-28.13 王兴武,宋雨.基于构件构架复用技术的仿真系统软件研究 J.华北电力大学学报,2003,30(6)：63-66.14 黄锦花.核电站激励式仿真系统 OPC 通讯软件的开 发 D.北京：华北电力大学,2014.15 张秋生,范永胜,李生光,等.超（超）临界机组国产 DCS 应用研究 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