基于虛擬DPU的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組全廠仿真系統(tǒng)研究

陳亞鵬 黃冬蘭

(1.珠海橫琴熱電有限公司，廣東 珠海 519015；2.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663)

基于虛擬DPU的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組全廠仿真系統(tǒng)研究

陳亞鵬1黃冬蘭2

(1.珠海橫琴熱電有限公司，廣東 珠海 519015；2.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663)

介紹了一種基于虛擬DPU的激勵(lì)式聯(lián)合循環(huán)機(jī)組全廠仿真系統(tǒng)，分析了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)及要求，并結(jié)合廣東省某燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組全廠仿真系統(tǒng)的構(gòu)成，對燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組全廠仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展方向提出了展望。

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組；仿真系統(tǒng)；虛擬DPU

0 引言

仿真系統(tǒng)在電力行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，對運(yùn)行人員全面掌握機(jī)組的運(yùn)行特性、提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性發(fā)揮了重要作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，一些仿真系統(tǒng)還提供了對熱控人員進(jìn)行技能培訓(xùn)的功能，對熱控人員的水平提高起到了積極的作用。

近年來，隨著節(jié)能減排要求的提高，國內(nèi)大量建設(shè)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組電廠。針對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，選擇經(jīng)濟(jì)且適合的仿真系統(tǒng)，對于提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性以及加強(qiáng)對熱控人員的培訓(xùn)都大有裨益。

1 虛擬DPU技術(shù)在仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 電廠仿真系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展

目前電廠仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，最常用的再現(xiàn)DCS的方法有仿真式(也稱翻譯式)和激勵(lì)式2種。

仿真式(翻譯式)是根據(jù)DCS的組態(tài)圖、屏幕顯示畫面及操作，在新的軟硬件環(huán)境下重新編程，將DCS組態(tài)進(jìn)行“翻譯后”來實(shí)現(xiàn)其控制策略和人機(jī)接口等功能，達(dá)到與仿真對象一致的效果。這種方法雖然實(shí)現(xiàn)成本較低，但存在一些缺點(diǎn)：(1) 對控制系統(tǒng)只能部分近似地實(shí)現(xiàn)仿真，軟件逼真度和可信度不夠高，無法達(dá)到真正意義上的全仿真效果。(2) 當(dāng)現(xiàn)場控制系統(tǒng)組態(tài)改動時(shí)，仿真機(jī)的控制系統(tǒng)跟蹤修改繁瑣困難，擴(kuò)展性、適應(yīng)性差。(3) 需要重復(fù)開發(fā)DCS的組態(tài)控制策略、操作員站軟件等，工作量大，開發(fā)周期長。(4) 培訓(xùn)人員的范圍主要是現(xiàn)場運(yùn)行人員，對熱控人員無法進(jìn)行邏輯修改、控制參數(shù)整定等培訓(xùn)。

激勵(lì)式又可分為全激勵(lì)式和虛擬DPU方式。全激勵(lì)式DCS省略了輸入/輸出等卡件，采用真實(shí)DCS的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的適當(dāng)配置來再現(xiàn)DCS。它具有極高的軟硬件逼真度，可在仿真機(jī)上方便地進(jìn)行控制算法分析研究及改進(jìn)工作；存在的缺點(diǎn)是軟硬件實(shí)現(xiàn)成本很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移植性差，與模型系統(tǒng)連接較困難。

虛擬DPU方式采用DCS廠家專用虛擬DPU軟件及與DCS操作員站和工程師站同樣的HMI來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真。這種方式相比全激勵(lì)式可以節(jié)省投資，相對仿真式(翻譯式)可以縮短開發(fā)周期，獲得最高的逼真度。該仿真方式可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員的培訓(xùn)，也可以實(shí)現(xiàn)熱控人員的培訓(xùn)。

1.2 虛擬DPU技術(shù)在仿真系統(tǒng)中的發(fā)展

電廠仿真平臺的設(shè)計(jì)開發(fā)中，虛擬DPU仿真技術(shù)以接近全激勵(lì)DCS的逼真度、接近仿真DCS的應(yīng)用功能和最節(jié)省的投資表現(xiàn)出相對的綜合優(yōu)勢，成為目前國內(nèi)電站仿真領(lǐng)域的發(fā)展方向，是過程工業(yè)數(shù)字化的基礎(chǔ)之一。

2 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組仿真系統(tǒng)特點(diǎn)和要求

2.1 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組特點(diǎn)

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組與常規(guī)燃煤機(jī)組相比，有其相應(yīng)的特點(diǎn)：(1) 系統(tǒng)簡單、設(shè)備少。燃機(jī)電廠較常規(guī)燃煤機(jī)組，系統(tǒng)簡單很多，沒有制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、除灰除渣系統(tǒng)等；給水以及抽汽系統(tǒng)也比常規(guī)燃煤機(jī)組簡單很多，全廠設(shè)備也相應(yīng)少很多。(2) 控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全廠一體化。由于系統(tǒng)簡單、設(shè)備少，聯(lián)合循環(huán)電廠較易實(shí)現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)DCS一體化(除燃機(jī)外)。(3) 燃機(jī)控制系統(tǒng)隨燃機(jī)一體配供，控制邏輯相對完善，但是其內(nèi)部邏輯較難被全面理解掌握。

2.2 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組仿真系統(tǒng)要求

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組一般定員較少，而且很多聯(lián)合循環(huán)機(jī)組還將用于調(diào)峰，啟停頻繁，對機(jī)組自動化以及運(yùn)行人員的操作水平都有較高的要求。目前大多數(shù)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組都要求實(shí)現(xiàn)APS功能，但是由于調(diào)試階段時(shí)間有限，無法將APS功能進(jìn)行反復(fù)仔細(xì)的調(diào)試，因此在調(diào)試完成投入商業(yè)運(yùn)行后還要多次進(jìn)行修改。由于機(jī)組已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行，因此邏輯的修改相對都比較謹(jǐn)慎，如果能通過仿真系統(tǒng)對修改后的邏輯先進(jìn)行一次驗(yàn)證，則邏輯的可靠性會大大提高。因此，針對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，其仿真系統(tǒng)除了具備運(yùn)行人員培訓(xùn)的功能外，還應(yīng)能用于熱控人員的培訓(xùn)，可以用于驗(yàn)證邏輯的正確性，確保用于實(shí)際運(yùn)行的邏輯的正確和可靠。

3 仿真系統(tǒng)與廠級控制系統(tǒng)的結(jié)合

根據(jù)目前的研究結(jié)果，虛擬仿真系統(tǒng)可通過與SIS數(shù)據(jù)的集成，獲得實(shí)時(shí)的或某一歷史時(shí)刻的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將其作為模型系統(tǒng)運(yùn)行的初始工況，使虛擬仿真系統(tǒng)具有更高的逼真度，為機(jī)組全工況運(yùn)行分析提供起始運(yùn)算點(diǎn)。同時(shí)，通過比較數(shù)學(xué)模型和SIS系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，可動態(tài)校驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的正確性，修改數(shù)學(xué)模型不完善的方程和參數(shù)。由于虛擬控制系統(tǒng)部分的高度逼真度，使得對數(shù)學(xué)模型部分的校驗(yàn)具有較高的針對性。

隨著聯(lián)合循環(huán)機(jī)組控制和信息數(shù)字化平臺的完善，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組已具備實(shí)現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)一體化的條件。當(dāng)實(shí)現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)一體化之后，可以從廠級控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用于仿真機(jī)的模型校正和工況模擬。

4 某聯(lián)合循環(huán)機(jī)組仿真系統(tǒng)配置

廣東省某2×390 MW燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電廠的燃機(jī)為GE公司9FA級燃機(jī)，燃機(jī)控制系統(tǒng)采用GE公司MARK VIe控制系統(tǒng)，除燃機(jī)以外的全廠系統(tǒng)及設(shè)備采用Foxboro公司I/A系統(tǒng)進(jìn)行控制。全廠各輔助車間、網(wǎng)控系統(tǒng)以及廠用電控制系統(tǒng)也全部采用DCS進(jìn)行控制。各控制系統(tǒng)相互連接組成廠級控制系統(tǒng)。

該廠仿真系統(tǒng)采用基于虛擬DPU的激勵(lì)式仿真系統(tǒng)，在硬件配置上，仿真機(jī)為“激勵(lì)模擬”類型。燃機(jī)控制系統(tǒng)MARK VIe、汽機(jī)、余熱鍋爐及輔助設(shè)備控制系統(tǒng)DCS的控制邏輯采用虛擬控制器軟件包，操作員站畫面采用模擬方式，不使用控制系統(tǒng)硬件。

MARK VIe、DCS控制邏輯的仿真，采用原廠虛擬控制器軟件包的方式來實(shí)現(xiàn)。仿真的控制邏輯、各種聯(lián)鎖保護(hù)邏輯、報(bào)警值、控制器參數(shù)和實(shí)際機(jī)組的情況完全相同，達(dá)到可以直接將機(jī)組的控制邏輯組態(tài)文件在仿真機(jī)上使用，且編輯、組態(tài)、上裝、下載、配置及其他各種功能與機(jī)組控制系統(tǒng)完全一致。

仿真機(jī)系統(tǒng)配置了一套完全授權(quán)的正版Foxboro FSIM Plus軟件。在基于FSIM Plus的模擬器中，控制器組態(tài)文件與實(shí)際的Foxboro DCS硬件控制器上的組態(tài)文件是一樣的，F(xiàn)SIM Plus就是I/A系列控制處理器的復(fù)制(同樣的控制算法、同樣的邏輯、同樣的時(shí)序)，F(xiàn)SIM Plus與實(shí)際I/A DCS間能進(jìn)行組態(tài)文件的直接傳遞，不需要額外的翻譯與再編輯。

在不破壞工作原有環(huán)境的條件下，通過FSIM Plus可達(dá)到以下效果：(1) 顯著縮短投用和啟動Foxboro I/A Series控制系統(tǒng)所需的時(shí)間。(2) 幫助控制與應(yīng)用工程師在無需Foxboro硬件系統(tǒng)的情況下設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)的實(shí)時(shí)控制軟件。(3) 對I/A Series系統(tǒng)的響應(yīng)程度和各項(xiàng)性能進(jìn)行準(zhǔn)確分析和故障診斷。(4) 在一個(gè)完全沒有破壞性的環(huán)境中進(jìn)行操作員培訓(xùn)。(5) 為控制工程師提供一個(gè)理想的系統(tǒng)改造和升級更新的設(shè)計(jì)環(huán)境。

同時(shí)，系統(tǒng)還配置了一套具有完全授權(quán)的正版MARK VIe仿真軟件包對MARK VIe控制器進(jìn)行完全模擬。MARK VIe仿真軟件包與實(shí)際MARK VIe間能進(jìn)行組態(tài)文件的直接傳遞，不需要額外的翻譯與再編輯。

該聯(lián)合循環(huán)電廠仿真機(jī)系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)設(shè)有接口。仿真機(jī)系統(tǒng)能通過與SIS的接口讀取DCS、MARK VIe系統(tǒng)的特定工況或特定時(shí)間段的機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組仿真系統(tǒng)的發(fā)展

虛擬DPU仿真系統(tǒng)具有開放性好、逼真度高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)廠級控制系統(tǒng)一體化的情況下，將聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的虛擬DPU仿真系統(tǒng)與廠級控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合應(yīng)用，將進(jìn)一步提高仿真系統(tǒng)的逼真度，同時(shí)擴(kuò)展仿真系統(tǒng)的應(yīng)用功能，使仿真系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)功能，既可用于運(yùn)行和熱控人員培訓(xùn)，也可用于機(jī)組全工況運(yùn)行分析，有助于完善聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的數(shù)字化和信息化平臺，更好地為機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行服務(wù)。

[1]冷杉.論虛擬分散控制系統(tǒng)技術(shù)[J].中國電力，2003(2)

[2]郝青松，冷杉，徐悅.基于虛擬DCS與SIS的數(shù)據(jù)比較系統(tǒng)的開發(fā)[J].電力系統(tǒng)自動化，2005(21)

[3]王強(qiáng)，冷杉，顧海霞，等.電站虛擬仿真系統(tǒng)與SIS數(shù)據(jù)集成及應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009(1)

[4]黃冬蘭，莊續(xù)奎.燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組全廠控制系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2013(3)

2014-11-07

陳亞鵬(1977—)，男，陜西咸陽人，工程師，研究方向：火力發(fā)電廠儀表與控制。

黃冬蘭(1982—)，女，湖北廣水人，碩士研究生，工程師，研究方向：火力發(fā)電廠儀表與控制。