CN103558770B - 用于机网协调分析的发电厂数字-物理混合仿真模型 - Google Patents

Abstract

一种用于机网协调分析的发电厂数字-物理混合仿真模型：一方面采用数字仿真模型对发电厂的发电机系统、汽轮机系统、锅炉系统的本体部分、以及热力循环主体设备及系统进行模拟、采用发电厂虚拟控制系统软件对控制系统进行模拟；另一方面控制系统的液压伺服机构的关键部件则由物理实体设备构成；物理实体设备与数字仿真模型、发电厂虚拟控制系统软件之间采用高速数据采集卡进行数据交换，本发明将传统的数字-物理混合模型进行改进并专用于机网协调分析，实践证明模型能够有效指导实际系统的设计和运行。

Description

用于机网协调分析的发电厂数字-物理混合仿真模型

技术领域

本发明涉及一种用于机网协调分析的发电厂数字-物理混合仿真模型。

背景技术

机网协调是维护电网安全稳定运行的主要手段。通过机网协调，能够更好地维护电网频率、电压和联络线控制精度等指标，尤其在区域电网互联趋势越来越强，火电机组单机容量越来越大，风电、核电等新能源作用越来越明显，对火电机组的调频、调峰能力要求越来越高的情况下，机网协调对提高系统稳定性、保证供电质量的作用更加明显。

对于复杂工业系统建立其仿真系统，可以用来对系统进行分析，指导实际系统的设计和运行。例如可以建立发电厂的仿真模型以及电网的仿真模型，用来分析机网协调的问题。现有的用于机网协调分析的发电厂仿真模型存在过于简单，难以达到理想的仿真分析效果的问题。而一些用于其他用途的发电厂仿真模型，比如仿真培训用的发电厂仿真模型，考虑了很多与机网协调问题无关的、次要的辅机系统，过于复杂，不能突出主要问题，不具有针对性。同时与机网协调直接相关的液压伺服机构的模型的精确程度也不够。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种用于机网协调分析的发电厂数字-物理混合仿真模型，该仿真模型与传统的用于机网协调分析的发电厂仿真模型相比更加精确，考虑的因素更多，在复杂的发电厂仿真模型的基础上，去掉了与机网协调问题无关的、次要的辅机系统，突出了主要问题，更具有针对性。

解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是：

一种用于机网协调分析的发电厂数字-物理混合仿真模型，其特征是：包括发电厂工艺流程系统仿真模型、发电厂控制系统仿真模型以及控制系统液压伺服机构的关键实物部件三部分，各个部分通过数据接口软硬件循环连接为一个有机的整体；

所述的发电厂工艺流程系统仿真模型是由发电机系统、汽轮机系统及锅炉系统三个子系统组成的数字仿真模型；数字仿真模型由SimuWorks软件提供运行支撑，并提供图形化建模组态软件；三个子系统均采用模块化、图形化的方式进行组态建模，然后根据实际发电厂设备的运行参数对三个子系统对应的模块进行赋值；

所述的发电厂控制系统采用虚拟控制系统软件进行模拟，通过在虚拟控制系统软件中运行电厂的控制逻辑算法，将电厂的控制逻辑进行简化，控制系统只包括数字电液控制系统和模拟量控制系统，其中数字电液控制系统是与一次调频控制和二次调频相关的转速、负荷、压力控制算法；模拟量控制系统是机组协调控制、机组负荷指令控制、锅炉燃烧控制、锅炉给水控制、除氧器、凝汽器、高低压加热器的水位控制；

所述的控制系统液压伺服机构的关键实物部件包括伺服放大器、电液转换器、油动机、阀门连杆机构，以及用来连接各部件的油路管道，油路管道中充上与实际电厂所用型号相同的抗燃油。

发电厂工艺流程系统数字仿真模型与发电厂虚拟控制系统软件之间的数据接口软件，采用C++语言编写，并采用SimuWorks软件提供的应用程序接口进行数据的访问；发电厂工艺流程系统数字仿真模型与发电厂虚拟控制系统软件之间的通讯点对应于控制系统的输入/输出点，通讯点之间的对应关系通过一个输入/输出对照表来定义，数据接口软件读取该对照表，实现定期的数据交换：输入信号从发电厂工艺流程系统数字仿真模型中读取，写到发电厂虚拟控制系统软件中；输出信号从发电厂虚拟控制系统软件中读取，写到发电厂工艺流程系统数字仿真模型中；

所述的液压伺服机构的关键实物部件与发电厂工艺流程系统数字仿真模型之间的数据接口通过高速数据采集卡实现，数据的传递过程为：阀门连杆机构的位置信号通过位置传感器进行采集，作为发电厂工艺流程系统数字仿真模型中汽轮机调速汽门的阀位输入信号；

所述的液压伺服机构关键实物部件与发电厂虚拟控制系统软件之间的数据接口也通过高速数据采集卡实现，数据的传递过程为：发电厂虚拟控制系统软件中的阀位控制信号通过高速数据采集卡转换为4-20mA的标准电流信号，传递给伺服放大器；

所述的发电厂数字-物理混合仿真模型与电网仿真系统连接在一起，为电网仿真系统提供汽轮机输出功率或转矩信号，并接收电网仿真系统提供的转速信号和发电机端电压信号，获取仿真模型运行时的动态数据进行机网协调的分析。

数字仿真模型以能量守恒、质量守恒、动量守恒定律，以及其他相关的热力学、传热学、电工学的基本物理定律为基础建立，以保证仿真模型符合实际物理规律。

所述的发电机系统仿真模型包括发电机、励磁系统、主变压器、厂用变压器、厂用电负荷，及线路、开关模型；汽轮机系统仿真模型包括主蒸汽系统、凝结水系统、除氧给水系统以及其他系统；其中主蒸汽系统包括高压自动主汽门、高压调速汽门、中压自动主汽门、中压调速汽门、主蒸汽管道、再热蒸汽管道、汽缸间的连接管道、回热抽汽管道阀门、汽轮机高中压缸、汽轮机低压缸、汽轮机通流部分、高压旁路管道及阀门、低压旁路管道及阀门；凝结水系统包括凝汽器、凝结水泵、低压加热器、凝结水管道阀门、低压加热器疏水管道阀门；除氧给水系统包括除氧器、给水泵、高压加热器、给水管道阀门、高压加热器疏水管道阀门；其他系统包括凝汽器循环水泵、循环水管道阀门、凝汽器真空泵、抽真空管道阀门。

所述的锅炉系统仿真模型包括汽水系统及燃烧系统。其中汽水系统包括给水系统主管路及旁路阀门、省煤器、水冷壁、蒸发系统、顶棚过热器、包墙过热器、低温过热器、屏式过热器、高温过热器、壁式再热器、对流再热器、各联箱、各级减温器以及管道、阀门，对于超临界机组，蒸发系统包括汽包，对于亚临界系统，蒸发系统包括蒸发器及汽水分离器；燃烧系统包括炉膛燃烧及传热模型。

本发明具有以下优点及突出性效果：

1)由于忽略了与机网协调问题无关的，次要的辅机系统，保留了与机网协调密切相关的各大系统中的主要设备，突出了主要问题，因此使得数字仿真模型更具针对性。

2)控制部分采用虚拟DCS软件来模拟，使得控制系统的模型更接近实际。

3)与机网协调最直接相关的液压伺服机构的关键部件采用实物，进一步确保了整个仿真模型的准确性。

附图说明

图1为发电厂数字-物理混合仿真模型的组成结构图。

图2为发电厂工艺流程系统数字仿真模型中与机网协调最密切相关的汽轮机通流部分的数字模型。

图中：1—调速级；2—高压缸级组A；3—高压缸级组B；4—高压缸排汽逆止门；5—一级抽汽阀门；6—二级抽汽阀门；7—中压缸级组A；8—中压缸级组B；9—三级抽汽阀门；10—四级抽汽阀门；11—低压缸级组A；12—低压缸级组B；13—低压缸级组C；14—低压缸级组D；15—五级抽汽阀门；16—六级抽汽阀门；17—七级抽汽阀门A；18—八级抽汽阀门B。

图2中的实线代表了水蒸汽的流通管道，虚线代表了输出机械功率的传递。最末级的输出机械功率即为整台汽轮机的输出功率。

具体实施方式

下面以某600MW发电厂的数字-物理混合仿真模型为例，结合附图对本发明作进一步的说明。

1)发电厂工艺流程系统,包括发电机系统、汽轮机系统及锅炉系统的数字仿真模型采用SimuWorks作为仿真平台。SimuWorks提供仿真模型运行支撑，并提供图形化建模组态软件。其中与机网协调最密切相关的汽轮机通流部分的数字模型如图2所示。首先，将汽轮机通流部分按照高、中、低压缸的布置，以及各抽汽点的位置，分成若干个级组，另外第一级即调速级也单独考虑。每一个级组分别建立模块进行计算。具体为依次连接的调速级1、高压缸级组A2、高压缸级组B3、中压缸级组A7、中压缸级组B8、低压缸级组A11、低压缸级组B12、低压缸级组C13和低压缸级组D14；在水蒸气流通上述模型的过程中，高压缸级组A2和高压缸级组B3之间设有一级抽汽阀门5，高压缸级组B3之后依次外接高压缸排汽逆止门4和二级抽汽阀门6，中压缸级组A7和中压缸级组B8之间设有三级抽汽阀门9，中压缸级组B8和低压缸级组A11之间设有四级抽汽阀门10，低压缸级组A11和低压缸级组B12之间设有五级抽汽阀门15，低压缸级组B12和低压缸级组C13之间设有六级抽汽阀门16，低压缸级组C13和低压缸级组D14之间设有七级抽汽阀门A17和七级抽汽阀门B18；

其他系统，包括汽轮机凝结水系统、除氧给水系统、循环水系统、真空系统，锅炉汽水系统及燃烧系统，以及发电机系统，均采用模块化、图形化的方式进行组态建模。

组态建模后，根据实际发电厂各设备的参数对相应的模块进行赋值，即可以在仿真平台中运行仿真模型。模型运行中，各个模块的参数的值及其动态特性就反映了整个发电厂流程系统的特性。

2)发电厂控制系统的模型。在发电厂虚拟控制系统软件中，将电厂的控制逻辑进行简化，只保留与机网协调相关的主要部分，包括数字电液控制系统和模拟量控制系统。其中数字电液控制系统主要是与一次调频控制和二次调频相关的转速、负荷、压力控制算法；模拟量控制系统主要是机组协调控制、机组负荷指令控制、锅炉燃烧控制、锅炉给水控制、除氧器、凝汽器、高低压加热器的水位控制。

3）控制系统液压伺服机构的关键部件实物，包括伺服放大器、电液转换器、油动机、阀门连杆机构，以及连接这些部件的油路管道，并在油路中充上与实际电厂所用型号相同的抗燃油。

4）发电厂工艺流程系统数字仿真模型与发电厂虚拟控制系统软件之间的数据接口软件，采用C++语言编写，采用SimuWorks软件提供的应用程序接口进行数据的访问。发电厂工艺流程系统数字仿真模型与发电厂虚拟控制系统软件之间的通讯点实际上对应的是控制系统的输入/输出点，这些点的对应关系通过一个输入/输出对照表来定义，数据接口软件读取该对照表，实现定期的数据交换，过程为：对于输入信号,包括开关量输入DI和模拟量输入AI，从发电厂工艺流程系统数字仿真模型中读取，写到发电厂虚拟控制系统软件中，对于输出信号,包括开关量输出DO和模拟量输出AO，从发电厂虚拟控制系统软件中读取，写到发电厂工艺流程系统数字仿真模型中。

5）通过高速数据采集卡实现液压伺服机构实物与发电厂工艺流程系统数字仿真模型之间的数据接口。数据的传递过程为将阀门连杆机构的位置信号通过位置传感器进行采集，经过A/D转换后发送给发电厂工艺流程系统数字仿真模型，作为模型中汽轮机调速汽门的阀位输入信号，共有8个阀位信号，分别为4个高压调速汽门阀位及4个中压调速汽门阀位。

6）通过高速数据采集卡实现液压伺服机构实物与发电厂虚拟控制系统软件之间的数据接口。数据的传递过程为将发电厂虚拟控制系统软件中的8个阀位控制指令,包括4个高压调速汽门阀位及4个中压调速汽门阀位通过D/A卡转换为4-20mA的标准电流信号，传递给伺服放大器。

Claims (1)

1.用于机网协调分析的发电厂数字-物理混合仿真模型，其特征是：包括发电厂工艺流程系统仿真模型、发电厂控制系统仿真模型以及控制系统液压伺服机构的关键实物部件三部分，各个部分通过数据接口软硬件循环连接为一个有机的整体；

所述的发电厂工艺流程系统仿真模型是由发电机系统、汽轮机系统及锅炉系统三个子系统组成的数字仿真模型；数字仿真模型由SimuWorks软件提供运行支撑，并提供图形化建模组态软件；三个子系统均采用模块化、图形化的方式进行组态建模，然后根据实际发电厂设备的运行参数对三个子系统对应的模块进行赋值；

发电厂控制系统采用虚拟控制系统软件进行模拟，通过在虚拟控制系统软件中运行电厂的控制逻辑算法，将电厂的控制逻辑进行简化，控制系统只包括数字电液控制系统和模拟量控制系统，其中数字电液控制系统是与一次调频控制和二次调频相关的转速、负荷、压力控制算法；模拟量控制系统是机组协调控制、机组负荷指令控制、锅炉燃烧控制、锅炉给水控制、除氧器、凝汽器、高低压加热器的水位控制；

所述的控制系统液压伺服机构的关键实物部件包括伺服放大器、电液转换器、油动机、阀门连杆机构，以及用来连接各部件的油路管道，油路管道中充上与实际电厂所用型号相同的抗燃油；

发电厂工艺流程系统数字仿真模型与发电厂虚拟控制系统软件之间的数据接口软件，采用C++语言编写，并采用SimuWorks软件提供的应用程序接口进行数据的访问；发电厂工艺流程系统数字仿真模型与发电厂虚拟控制系统软件之间的通讯点对应于控制系统的输入/输出点，通讯点之间的对应关系通过一个输入/输出对照表来定义，数据接口软件读取该对照表，实现定期的数据交换：输入信号从发电厂工艺流程系统数字仿真模型中读取，写到发电厂虚拟控制系统软件中；输出信号从发电厂虚拟控制系统软件中读取，写到发电厂工艺流程系统数字仿真模型中；

所述的液压伺服机构的关键实物部件与发电厂工艺流程系统数字仿真模型之间的数据接口通过高速数据采集卡实现，数据的传递过程为：阀门连杆机构的位置信号通过位置传感器进行采集，作为发电厂工艺流程系统数字仿真模型中汽轮机调速汽门的阀位输入信号；

所述的液压伺服机构关键实物部件与发电厂虚拟控制系统软件之间的数据接口也通过高速数据采集卡实现，数据的传递过程为：发电厂虚拟控制系统软件中的阀位控制信号通过高速数据采集卡转换为4-20mA的标准电流信号，传递给伺服放大器；

所述的发电厂数字-物理混合仿真模型与电网仿真系统连接在一起，为电网仿真系统提供汽轮机输出功率或转矩信号，并接收电网仿真系统提供的转速信号和发电机端电压信号，获取仿真模型运行时的动态数据进行机网协调的分析。