CN103149842A - 一种基于仿真-控制一体化设计的发电厂激励仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿真-控制一体化设计的发电厂激励仿真系统。该技术方案中实现仿真系统与电厂控制系统（包括单元机组系统、公用系统、辅控系统）的安全隔离、实时监视、仿真运行和仿真预测。其功能主要包括：全厂机组运行监视功能、全厂机组历史库管理和查询功能、全厂WEB服务功能、仿真运行功能、仿真预测功能、事故预测功能、设备替换实验功能。仿真系统与控制系统采用经过第三方认证的隔离设备，只允许单向通讯，确保控制系统的安全隔离。

Description

一种基于仿真-控制一体化设计的发电厂激励仿真系统

技术领域

本发明属于火电厂发电机组仿真控制技术领域，具体涉及为激励式仿真系统对组控制系统的监视和对机组控制系统的仿真运行。

背景技术

随着我国电力工业的高速发展和不同控制风格的分散控制系统(DCS)在新型电站中的应用，电力生产过程对运行人员和热工人员的技术要求越来越高。智能电网对智能电厂的数字化水平要求也越来越高。工业发展、城市建设、人民生活等各个方面对电力的需求也越来越高，一方面，要确保已有电厂的稳定运行，设备陈旧的电厂安全顺利改造，做好电厂新员工的培养，提高运行人员的操作水平和热工人员的检修维护能力；另一方面，在安全生产、节能减排的大环境下，电厂需要考虑高效使用能源，优化控制策略，研究火电厂新技术。

目前DCS厂家提供的激励仿真系统能满足电厂运行人员培训的基本需求，但是仍然有以下不足之处：

1)仿真系统是独立的信息孤岛，不能查看各机组实际运行的信息，不能有效进行实际机组故障分析和故障重演，更不能获取实际机组的信息，以便于对仿真模型进行修正。

2)VDPU仿真站一台电脑只能运转3～5个VDPU，实现大系统仿真，成本较高

3)部分仿真系统缺乏一次设备仿真或者缺乏实验机柜，设备维修时需要更加慎重讨论或咨询厂家，仿真培训的效果不佳

4)仿真系统与信息系统或WEB服务各自独立与机组系统连接，增加了系统复杂度

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本申请提出一种火电厂控制系统与仿真系统一体化的激励仿真系统。通过激励仿真系统，在确保机组控制系统安全性的前提下，为员工培训、系统维护、事故分析、控制系统科学研究提供了更加真实的系统平台，为提高员工技术能力、推动新控制策略应用、研究控制系统新技术、提高电厂数字化水平起到重要作用。

本申请公开的基于仿真-控制一体化设计的发电厂激励仿真系统在保证发电厂单元机组控制系统安全隔离的前提下，实现了激励仿真系统，同时具备对各个机组控制系统实时监视的功能。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于仿真-控制一体化设计的发电厂激励仿真系统，该激励仿真系统主要包括：控制系统接口站、机组仿真操作站、单向隔离设备、仿真VDPU、电厂一次设备仿真模型；其特征在于：

每一台发电机组配置一台控制系统接口站、一台机组仿真操作站，所述发电厂激励仿真系统中每一台发电机组共用的设备有：仿真VDPU、电厂一次设备仿真站；

各发电机组的仿真操作站与仿真VDPU、发电厂一次设备仿真站通过网络相连；

每台发电机现场运行的机组控制系统采用控制系统接口站、单向隔离设备连接至所述网络，单向隔离设备确保机组控制系统与所述激励仿真系统安全隔离，只允许机组控制系统和所述网络之间单向通讯，该网络上同时接有交换机；

所述机组仿真操作站具有两种工作模式：即实时监视模式和仿真运行模式；

仿真操作站采用客户机/服务器结构、即C/S结构，通过数据源切换的方式实现在实时监视模式和仿真运行模式这两种工作模式之间的切换；当所述机组仿真操作站工作在实时监视模式下，机组控制系统的全部实时数据通过控制系统接口站转发给仿真操作站，仿真操作站监控画面显示机组系统的实时数据，实现对现场运行的机组控制系统实时进行监视；当所述仿真操作员站工作在仿真运行模式下，仿真操作员站与仿真VDPU、电厂一次设备仿真站相连，仿真操作站直接访问仿真设备的实时数据和历史数据，进行仿真运行，实现对仿真设备的监视和控制；

所述仿真VDPU为一虚拟的控制器，模拟6～10个实际分散控制系统DPU的功能，仿真VDPU与电厂一次设备仿真模型通讯；

一次设备仿真模型完成发电厂一次设备的仿真。

本发明还进一步包括以下优选技术方案：

所述仿真操作站采用C/S结构，可通过数据源切换实现运行模式的切换，即：仿真操作站可以选择实际运行机组实时转发的数据为数据源，对机组运行情况进行实时监视，包括查看所有的实时工艺运行情况、设备运行状态、历史数据查询；也可以选择仿真系统的VDPU、即虚拟DPU和实验DPU为数据源，进行仿真运行、仿真预测、控制策略研究、操作培训、设备维护实验。

所述仿真VDPU工作站还具有逻辑暂停、逻辑运行、保存工况、加载工况功能。

所述发电厂激励仿真系统还包括全厂控制系统WEB服务器，所述全厂控制系统WEB服务器连接在所述网络上，为通过机组控制系统接口站连入的各个机组控制系统提供WEB服务，各个控制系统的WEB服务页面，可集中在一个WEB服务器的不同目录下，也可以分布部署在不同的WEB服务器上；通过浏览器可监视机组的运行情况、查看历史数据、设备运行状态、运行报表。

所述发电厂激励仿真系统还包括DCS实验机柜，所述DCS实验机柜连接在所述网络上，DCS实验机柜用于维修前试设备实验。DCS实验机柜内的主要设备有DPU、I/O、电源模块、空气开关、电缆等。在使用库房备件更换现场设备之前，可先把备件在DCS实验机柜中上电实验，对于现场运行有问题的设备，也可以在DCS实验机柜上电实验。

实时监视模式中，多个仿真操作站可以分别对多个机组进行实时监视，公用系统的实时信息包含在任一个机组控制系统的实时信息中，也可以采用独立的隔离设备和接口站将公用系统的实时信息单独接入。

仿真运行模式中可以同时连接VDPU和实际DPU，DCS实验机柜的DPU和IO方便了用户维修前做试运行实验。

把单向隔离设备的软件与控制系统接口站的软件合并在一个设备上。

机组控制系统可以仅仅是机组DCS系统，也可以是DCS、ECS、NCS一体化综合控制系统，公用系统可以仅仅是DCS的公用系统，也可以是电气热工综合的公用系统。

当VDPU比较多的时候，可以采用多台电脑，运行更多的VDPU实现对大型火电机组的仿真。

由于仿真系统的实时数据和历史数据非常齐全，也可以设立MIS系统接口站，为电厂高级服务器提供丰富全面的数据。

本发明的有益效果如下：

一种基于仿真-控制一体化设计的发电厂激励仿真系统技术方案满足电厂对各子系统安全隔离的要求，能够实现发电厂单元机组控制系统的实时监视，同时实现对机组的仿真运行控制，极大的提高了电厂员工培训、系统维护、科学研究的水平，仿真系统丰富的全厂实时信息和历史信息，提高了电厂数字化水平。

附图说明

图1为一种基于仿真-控制一体化设计的发电厂激励仿真系统网络结构图；图2为激励仿真系统实时监视模式和仿真运行模式的数据流图。

具体实施方式

下面结合说明附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示为基于仿真-控制一体化设计的发电厂激励仿真系统网络结构，以“双机组一公用”的火电机组为例，仿真系统中，两个机组控制系统各用一台仿真操作站、一个隔离设备、一个DCS接口站，按图1中网络结构互联。仿真VDPU和一次设备仿真模型各采用一台操作站，DCS实验机柜采用一对冗余配置的DPU和I/O模块（即信号采集或输出模块）各2个。

仿真操作站、仿真VDPU、一次设备仿真模型、DPU、单向隔离设备的上网口都工作在同一IP网段上（与机组控制系统网段不同）；单向隔离设备的另一网口和机组的控制系统接口站的上方网口设定为另一网段（与控制系统网段不同）；控制系统接口站的另外2网口与控制系统的网段保持一致。

一、控制系统接口站：采用不同的网口，不同的IP网段，穿过单向隔离设备，将机组控制系统的数据库采集信息（其中一个机组包含公用系统的全部信息），实时转发给仿真操作站。

二、单向隔离设备：单向通讯限制，即只允许数据转发给仿真操作站，不允许仿真操作站向控制系统发送操作控制命令；安全隔离，确保仿真系统的网络与DCS控制系统接口站采用不同的网络。

三、1#机组和2#机组仿真操作站：

1）、实时监视功能：具备DCS操作站监视功能，同时兼做工程师、实时服务器和历史服务器的全部功能，具备逻辑画面组态调试、实时库、历史库、报警、日志、趋势等高级功能。激励仿真系统实时监视的技术手段与实际DCS系统监视功能的技术手段相同。

2）、仿真运行功能：具备DCS操作站监视功能和操作控制功能，连接仿真系统的实时服务器和历史服务器，模拟机组的运行；也可加速运行，实现仿真预测功能，可以保存、加载仿真工况。

3）、运行模式切换功能：仿真操作站在实时监视模式和仿真运行模式之间进行切换。仿真操作站采用C/S模式，仿真操作站菜单上或主画面上增加实时监视和仿真运行的切换按钮。切换到实时监视模式时，仿真操作站显示控制系统接口站转发的实时数据，对实际运行的控制系统进行监视；切换到仿真运行模式时，仿真操作站显示或操作仿真VDPU的实时数据，实现对仿真设备的监视和控制。

四、仿真VDPU（虚拟的控制器）：模拟多个实际DPU的功能，VDPU与一次设备仿真模型的机器通讯；

五、DCS实验机柜用于维修前试设备实验。在使用库房备件更换现场设备之前，可先把备件在DCS实验机柜中上电实验；对于现场运行有问题的设备，也可以在DCS实验机柜上电实验，与VDPU对比实验，进行故障确认和分析。

六、一次设备仿真模型：模拟现场设备的功能，火电厂的所有一次设备的仿真模型，VDPU的采集信号将仿真模型读入，同时VDPU将输出信号发送给仿真模型。

七、WEB服务器：为两个机组控制系统提供WEB服务，不同机组控制系统的WEB服务页面，放在WEB服务器的不同目录下；通过浏览器可监视机组的运行情况、查看历史数据、设备运行状态、运行报表

基于仿真-控制一体化设计的发电厂激励仿真系统的主要数据流如下图2：

在实时监视模式下，机组控制系统的实时数据通过接口站将数据穿过单向隔离设备转发给仿真操作站，在仿真操作站上进行历史存储、报警日志处理等等，打开仿真站的HMI画面，可查看机组实时工艺画面、查看历史数据等，对机组进行实时监视。

在仿真运行模式下，仿真操作站同时具有监视和控制功能，数据流是双向的。一次设备仿真模型的数据（输入数据）发给VDPU仿真站，VDPU逻辑运算后，将输出数据发送给仿真模型；仿真操作站可对VDPU进行监视和控制，因而数据流是双向的。对于实验机柜，一次设备信号由输入模块采集，输入模块通过现场总线上送给DPU，DPU逻辑运算后，将输出数据发送给输出模块，输出模块通过信号电缆控制现场设备。仿真操作可对DPU进行监视和控制，其数据流是双向的。

Claims (5)

1.一种基于仿真-控制一体化设计的发电厂激励仿真系统，该激励仿真系统主要包括：控制系统接口站、机组仿真操作站、单向隔离设备、仿真VDPU、电厂一次设备仿真模型；其特征在于：

每一台发电机组配置一台控制系统接口站、一台机组仿真操作站，所述发电厂激励仿真系统中每一台发电机组共用的设备有：仿真VDPU、电厂一次设备仿真站；

各发电机组的仿真操作站与仿真VDPU、发电厂一次设备仿真站通过网络相连；

每台发电机现场运行的机组控制系统采用控制系统接口站、单向隔离设备连接至所述网络，单向隔离设备确保机组控制系统与所述激励仿真系统安全隔离，只允许机组控制系统和所述网络之间单向通讯，该网络上同时接有交换机；

所述机组仿真操作站具有两种工作模式：即实时监视模式和仿真运行模式；

仿真操作站采用客户机/服务器结构、即C/S结构，通过数据源切换的方式实现在实时监视模式和仿真运行模式这两种工作模式之间的切换；当所述机组仿真操作站工作在实时监视模式下，机组控制系统的全部实时数据通过控制系统接口站转发给仿真操作站，仿真操作站监控画面显示机组系统的实时数据，实现对现场运行的机组控制系统实时进行监视；当所述仿真操作员站工作在仿真运行模式下，仿真操作员站与仿真VDPU、电厂一次设备仿真站相连，仿真操作站直接访问仿真设备的实时数据和历史数据，进行仿真运行，实现对仿真设备的监视和控制；

所述仿真VDPU为一虚拟的控制器，模拟6～10个实际分散控制系统DPU的功能，仿真VDPU与电厂一次设备仿真模型通讯；

一次设备仿真模型完成发电厂一次设备的仿真。

2.根据权利要求1所述的发电厂激励仿真系统，其特征在于：

所述仿真操作站采用C/S结构，可通过数据源切换实现运行模式的切换，即：仿真操作站可以选择实际运行机组实时转发的数据为数据源，对机组运行情况进行实时监视，包括查看所有的实时工艺运行情况、设备运行状态、历史数据查询；也可以选择仿真系统的VDPU、即虚拟DPU和实验DPU为数据源，进行仿真运行、仿真预测、控制策略研究、操作培训、设备维护实验。

3.根据权利要求1和2所述的发电厂激励仿真系统，其特征在于：

所述仿真VDPU工作站还具有逻辑暂停、逻辑运行、保存工况、加载工况功能。

4.根据权利要求1所述的发电厂激励仿真系统，其特征在于：

所述发电厂激励仿真系统还包括全厂控制系统WEB服务器，所述全厂控制系统WEB服务器连接在所述网络上，为通过机组控制系统接口站连入的各个机组控制系统提供WEB服务，各个控制系统的WEB服务页面，可集中在一个WEB服务器的不同目录下，也可以分布部署在不同的WEB服务器上；通过浏览器可监视机组的运行情况、查看历史数据、设备运行状态、运行报表。

5.根据权利要求1或4所述的发电厂激励仿真系统，其特征在于：

所述发电厂激励仿真系统还包括DCS实验机柜，所述DCS实验机柜连接在所述网络上，DCS实验机柜用于发电厂一次设备维修前试设备实验，在使用设备备件更换现场设备之前，可以先把所述备件在DCS实验机柜中上电实验，对于现场运行有问题的设备，也可以在DCS实验机柜上电实验。

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