電力系統(tǒng)火電機(jī)組仿真現(xiàn)狀及展望

趙殿瑞，裴振英，劉偉乾

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院 仿真中心，遼寧沈陽(yáng) 110136；2.保利鐵新煤業(yè)有限公司，山西晉中 031302）

1 火電機(jī)組仿真系統(tǒng)的重要性

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，單機(jī)容量越來(lái)越大，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度逐漸增加，并且逐漸采用機(jī)、爐、電、熱集中控制的DCS系統(tǒng)運(yùn)行，計(jì)算機(jī)軟操作越來(lái)越多，手動(dòng)操作的過(guò)程越來(lái)越少。所以，為了使機(jī)組安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，電廠運(yùn)行人員必須提前在仿真機(jī)上進(jìn)行系統(tǒng)的仿真培訓(xùn)，熟練掌握各種常規(guī)的運(yùn)行操作及事故處理方法，這樣才能保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

火電機(jī)組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的作用：

1）提高運(yùn)行人員操作水平，減少非正常停機(jī)次數(shù)；

2）提高運(yùn)行人員處理事故的能力，減少事故帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失；

3）不影響正常生產(chǎn)，并且可以反復(fù)進(jìn)行，也可從中間任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始；

4）可評(píng)價(jià)操作，優(yōu)化操作過(guò)程；

5）鞏固操作技能，進(jìn)行定期考核及反事故演習(xí)；

6）驗(yàn)證并優(yōu)化運(yùn)行規(guī)程。

鑒于仿真培訓(xùn)的重要性和必要性，原國(guó)家能源部早在1988年就發(fā)文明確規(guī)定：200 MW以上的大型火電機(jī)組運(yùn)行人員必須經(jīng)過(guò)仿真機(jī)的模擬培訓(xùn)，合格以后才能持證上崗；對(duì)于已投產(chǎn)的200 MW以上的發(fā)電機(jī)組主要崗位運(yùn)行人員也要定期進(jìn)行仿真機(jī)輪訓(xùn)和反事故演習(xí)，并以此作為對(duì)電廠及運(yùn)行人員的重要考核內(nèi)容。

2 火電機(jī)組仿真系統(tǒng)的發(fā)展歷程

火電機(jī)組仿真系統(tǒng)是以現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用最先進(jìn)的仿真建模技術(shù)，為發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行建立全范圍、全物理過(guò)程、高精度的模塊化數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行環(huán)境，用于發(fā)電廠運(yùn)行人員的培訓(xùn)和考核，包括機(jī)組啟停、運(yùn)行監(jiān)視及調(diào)整等正常工況下的操作培訓(xùn)，各種異常工況下的操作訓(xùn)練（如各種故障狀態(tài)的現(xiàn)象判斷和事故處理等），控制系統(tǒng)研究、修改及其參數(shù)整定及實(shí)際控制系統(tǒng)的驗(yàn)證等。

2.1 初期的物理仿真和現(xiàn)代的數(shù)字仿真

我國(guó)的仿真技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代，最初是采用模擬計(jì)算機(jī)仿真，后來(lái)逐步采用數(shù)字計(jì)算機(jī)，形成數(shù)字仿真技術(shù)。

隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度逐漸增加，采取物理模擬的方法對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行仿真受到限制。而數(shù)字仿真具有不受原有系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制，保證被研究和試驗(yàn)系統(tǒng)的安全性，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和便利性，對(duì)設(shè)計(jì)未來(lái)系統(tǒng)性能的預(yù)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為分析、研究電力仿真系統(tǒng)必不可少的工具。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)的飛速發(fā)展，為電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 我國(guó)電力仿真機(jī)的發(fā)展過(guò)程

1）第一階段（70年代）：自主研發(fā)

我國(guó)火電機(jī)組仿真機(jī)的研制始于1976年，由原國(guó)家電力工業(yè)部委托清華大學(xué)熱能工程系開(kāi)發(fā)研制我國(guó)第一臺(tái)200 MW原理型火電機(jī)組仿真機(jī)。該機(jī)模擬遼寧朝陽(yáng)發(fā)電廠1#機(jī)組，仿真計(jì)算機(jī)采用國(guó)產(chǎn)DJS-140小型機(jī)，盤/臺(tái)為物理模擬方式，支撐軟件和建模方法由清華大學(xué)開(kāi)發(fā)研制。此時(shí)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成型、實(shí)用的仿真機(jī)，也沒(méi)有開(kāi)展仿真培訓(xùn)。

2）第二階段（80年代）：初見(jiàn)成效

80年代初，200 MW火力發(fā)電機(jī)組原理型仿真機(jī)由清華大學(xué)研制成功，并接受現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員上機(jī)試培訓(xùn)。

1984年，由清華大學(xué)熱能工程系牽頭，聯(lián)合原航天工業(yè)部二院十七所、原沈陽(yáng)電力高等專科學(xué)校3家單位開(kāi)發(fā)研制國(guó)內(nèi)第一臺(tái)完全復(fù)制電廠控制室的全范圍高逼真度仿真機(jī)。該系統(tǒng)完全按照哈爾濱第三發(fā)電廠1#單元機(jī)組，進(jìn)行全系列、全范圍、1:1、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真，于1988年完成，安裝在原東北電業(yè)管理局沈陽(yáng)電力高等?？茖W(xué)校仿真中心，并正式開(kāi)始接待培訓(xùn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

與此同時(shí)，原南京工學(xué)院（現(xiàn)東南大學(xué)）與原華東電力仿真所（現(xiàn)華東電力培訓(xùn)中心）聯(lián)合研制了125 MW火電機(jī)組仿真機(jī)；西安熱工所與原山西省電力局、原華中電力管理局聯(lián)合研制了500 MW和300 MW火電機(jī)組仿真機(jī)。

1983年，為了適應(yīng)我國(guó)電力高速發(fā)展的需要，先后從美國(guó)、日本引進(jìn)了300 MW、350 MW、550 MW火電機(jī)組仿真機(jī)，及一套核電仿真機(jī)。開(kāi)發(fā)與引進(jìn)并進(jìn)，涌現(xiàn)出多家仿真開(kāi)發(fā)單位和一大批電力仿真工程技術(shù)人員，相繼有6臺(tái)不同容量、不同機(jī)型的仿真機(jī)投入運(yùn)行﹝1﹞。各個(gè)仿真中心先后成立，電力仿真培訓(xùn)陸續(xù)展開(kāi)。

3）第三階段（90年代開(kāi)始）：日趨成熟

90年代開(kāi)始，隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展及電力體制的改革，電力系統(tǒng)仿真得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，全國(guó)許多高等院校和各大發(fā)電公司都相繼成立了各自的仿真中心或仿真培訓(xùn)基地。

此時(shí)，我國(guó)電力行業(yè)技術(shù)人員已經(jīng)完全可以自主開(kāi)發(fā)仿真機(jī)。在核心技術(shù)方面，如數(shù)字、圖形建模、支撐軟件平臺(tái)、各種算法語(yǔ)言及系統(tǒng)組態(tài)工具軟件等，已經(jīng)完全具有自主研發(fā)能力。

到95年底，我國(guó)已投入運(yùn)行和正在開(kāi)發(fā)研制的200 MW以上的火電、核電、水電等仿真機(jī)共計(jì)78臺(tái)，其中火電機(jī)組仿真機(jī)68臺(tái)，數(shù)量居世界第一位。此外，我國(guó)還出口了仿真機(jī)和仿真軟件。1995年清華大學(xué)向巴基斯坦出口了210 MW燃油機(jī)組仿真機(jī)，1996年向韓國(guó)出口了仿真支撐軟件平臺(tái)及建模技術(shù)﹝2﹞。

3 火電機(jī)組仿真系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

改革開(kāi)放四十年，電力工業(yè)得到快速發(fā)展，新建機(jī)組越來(lái)越多，大批量的新員工需要仿真培訓(xùn)。因此，電力系統(tǒng)仿真行業(yè)面臨著難得的發(fā)展機(jī)遇。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展也為電力系統(tǒng)仿真奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。仿真技術(shù)日新月異，研發(fā)隊(duì)伍不斷發(fā)展壯大，國(guó)內(nèi)的仿真技術(shù)日趨成熟。

目前，我國(guó)從事電力系統(tǒng)仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)的單位有20多家，火電機(jī)組仿真機(jī)開(kāi)發(fā)單位也有10家以上。其中實(shí)力最強(qiáng)的有3家，分別是保定華仿科技有限公司（原華北電力大學(xué)仿真與控制技術(shù)工程公司）、清華能源仿真公司（現(xiàn)并入清華同方電子科技有限公司）和廣東亞仿科技股份有限公司。這3家公司均在20世紀(jì)80年代起步，擁有深厚的技術(shù)積累和豐富的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在技術(shù)方面具有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，代表了國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的技術(shù)水平﹝3﹞。

火電機(jī)組仿真對(duì)象涵蓋50 MW、100 MW、125 MW、200 MW、300 MW、500 MW、600 MW、660 MW、1 000 MW等不同容量的發(fā)電機(jī)組和供熱機(jī)組，包括超臨界、亞臨界鍋爐、液態(tài)排渣爐、循環(huán)流化床鍋爐，整體煤氣化（聯(lián)合循環(huán)）爐及垃圾焚燒爐等等。仿真對(duì)象主機(jī)廠家覆蓋國(guó)內(nèi)三大動(dòng)力廠及部分國(guó)外公司的產(chǎn)品。許多仿真系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)“一機(jī)雙?！鄙踔潦恰耙粰C(jī)多模”，仿真計(jì)算速度也有了極大的提高。

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，用戶操作軟件能夠完成自動(dòng)檢測(cè)、水下運(yùn)動(dòng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，軟件的操作效率和人機(jī)交互水平也得到提高。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電力系統(tǒng)已經(jīng)使用和正在研發(fā)的培訓(xùn)仿真機(jī)約400臺(tái)（套）。另外，還有不少發(fā)電廠單獨(dú)擁有自己的仿真機(jī)。規(guī)模和數(shù)量上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)世界上任何國(guó)家，顯示了我國(guó)強(qiáng)大的仿真技術(shù)水平和仿真機(jī)開(kāi)發(fā)實(shí)力。

目前，除西藏、海南外，國(guó)內(nèi)幾大發(fā)電公司、各省市電力主管單位及相關(guān)的高等院校都成立了各自的電廠仿真培訓(xùn)中心（仿真培訓(xùn)基地），各個(gè)仿真中心（基地）分別擁有不同規(guī)格型號(hào)的火電機(jī)組仿真機(jī)。多數(shù)仿真中心兼顧仿真開(kāi)發(fā)與仿真培訓(xùn)，開(kāi)發(fā)人員同時(shí)又是培訓(xùn)指導(dǎo)教師，身兼雙職，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

2003年，全國(guó)仿真協(xié)作網(wǎng)成立，歸屬于中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)技能鑒定與教培中心，負(fù)責(zé)電力仿真培訓(xùn)和仿真技術(shù)的協(xié)作、交流、研究，組織仿真競(jìng)賽，指導(dǎo)培訓(xùn)教師，評(píng)估基地建設(shè)。截止2017年底，經(jīng)專家評(píng)估合格的火電仿真培訓(xùn)基地共37家〔4〕。

4 火電機(jī)組仿真系統(tǒng)展望

現(xiàn)代的火電機(jī)組仿真技術(shù)比早期有了非常大的發(fā)展，具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和實(shí)踐，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真機(jī)的性能會(huì)不斷趨于完善，速度會(huì)越來(lái)越快，精度會(huì)越來(lái)越高，功能會(huì)越來(lái)越多，涉及的領(lǐng)域和服務(wù)功能將更為廣泛。

1）速度與精度方面

火電機(jī)組仿真目前最小仿真步長(zhǎng)達(dá)可到10 ms，實(shí)現(xiàn)精度更高的仿真周期，將是以后研究發(fā)展的方向。

由于火電機(jī)組仿真的實(shí)用性，仿真機(jī)已經(jīng)納入電力系統(tǒng)崗前培訓(xùn)的必備內(nèi)容。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，火電機(jī)組仿真系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、事故分析、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、調(diào)節(jié)優(yōu)化等方面，將得到更為廣泛的應(yīng)用。

3）新技術(shù)與新方法

開(kāi)發(fā)新的仿真支撐軟件，探索新的建模理論和建模技術(shù)，以及新的仿真技術(shù)的應(yīng)用，是火電機(jī)組仿真可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

融合日新月異的現(xiàn)代高新技術(shù)，火電機(jī)組仿真將具備如下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

①優(yōu)化技術(shù)和優(yōu)化仿真

將優(yōu)化技術(shù)嵌入仿真過(guò)程，使得仿真過(guò)程避免盲目性，得到最優(yōu)仿真結(jié)果。

②虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬仿真

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)可以為仿真給出視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)的逼真環(huán)境，使交互式可視化仿真成為可能。

③人工智能和智能仿真

智能仿真將人工智能技術(shù)（如專家系統(tǒng)、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊推理等）應(yīng)用到仿真技術(shù)中。

④網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布交互式仿真

分布交互式仿真（DIS）是通過(guò)將分散在各地不同類型、不同容量或不同設(shè)備的仿真系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，形成資源共享、相互利用的仿真環(huán)境，便于進(jìn)行仿真培訓(xùn)及各種系統(tǒng)事故的演練﹝5﹞。

5 結(jié) 語(yǔ)

電力系統(tǒng)的重要性和特殊性催生了電力系統(tǒng)仿真與仿真培訓(xùn)，并一直伴隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)步而不斷地發(fā)展。而計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，又為仿真技術(shù)提供了新的發(fā)展機(jī)遇和應(yīng)用前景。與此同時(shí)，火電機(jī)組容量的不斷增大，自動(dòng)化程度的提高對(duì)火電機(jī)組的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、制造和維護(hù)提出了更高的要求，因而在實(shí)際工作中對(duì)火電機(jī)組的仿真系統(tǒng)的期望和依賴性更高?？梢韵嘈牛S著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，電力系統(tǒng)火電機(jī)組仿真系統(tǒng)也會(huì)逐步完善、快速發(fā)展。