北京诺思维信科技有限公司

03自动化建模技术

        随着电厂仿真技术的发展，自动化建模技术代表了仿真技术开发的方向。诺思维信在vPower仿真系统中自主开发了一套电力系统自动化建模工具软件，以实际存在的物理对象为独立的模块，建立其数学模型，通过分析各模块的连接关系，系统自动识别出隐含在系统流程中的网络拓扑结构，自动完成大型流体网络和电气潮流网络的求解任务。本系统可以广泛地应用在常规煤粉炉机组、流化床、各种类型汽机、电气电网系统、联合循环、燃机、核电等方面。

        通过图形化的方式建立设备仿真数学模型，与编程建模相比，图形建模更直观和方便。用户在统一的建模界面下，可以完成包括流体网络、电气网络、虚拟DCS等系统的建模操作。以图形化建模作为主要建模手段。模型的建立、修改和调试均在图形建模系统中进行，除了完成一般的接口连接和数据传递，通过分析各模块的连接关系，应能自动识别出隐含在系统流程中的网络拓扑结构，生成相应的网络矩阵并自动完成网络求解任务。建模软件生成的模型可上载到中心服务器运行，也可以使用本地服务器或者本机进行运行测试，仿真建模软件分如下几个部分。

1. 模块库

        模块定义为能够代表一个独立的物理设备或实现某种功能的多个物理设备或部件的组合体。每一个模块应有明确的物理意义，容易辨别与区分；模块应有统一的边界和接口，易于相互间的连接。只有这样，才能够实现网络拓扑结构的识别以及接口参数的传递；模块具有数学独立性，模块内部结构与模块之间的连结关系无关。也就是说，完成模块的设计、调试工作后不必因为调用模块的子系统的拓扑结构发生变化而修改模块。

        模块在图形化建模组态中由图标代表，以图形的形式直观地表示出一个算法的功能及输入、输出定义情况。模块图标可含有多个输入、输出端口，分别与算法的输入、输出相对应。这些端口在绘制模型时用于模块之间的连接。每个算法可以定义一个或多个图标。

2. 模块管理工具

        模块管理工具对模块进行管理，使建模人员可以自行建立和维护模块库，将众多的算法和图形信息有序地组织在一起。

        模块管理工具的主要功能是建立算法与图形的对应关系。将模型算法以图符的形式表示出来，并将算法的I/O端口关联到图符的相应位置。

        模块管理工具对模块库实现开放式管理，建模人员可以自行建立和维护图元库。向用户提供相应的读取图符及定义端口等功能，使得众多的算法和图形信息可以有序地组织在一起。

3. 建模工具

        图形化建模工具软件，使模型人员可以方便地在计算机上进行电厂系统图的绘制，绘图的同时系统自动建立相应的仿真模型。该系统图能够直观地反映实际设备的连接关系，并与算法和模型相对应。建模人员可以直接在图上进行仿真模块的组态、参数调整、运行调试等工作。

        图形建模工具不仅用来建立模型，还应用于修改、调试模型，提供多种图形编辑操作，包括建立模块，建立端口和连线，方便地进行模块组态、搭接模型等工作，同时提供各种辅助功能，如在图上进行文字标注，添加辅助图形，设置跳转按钮等操作，使模型人员可以方便地在计算机上进行电厂系统图的绘制和模型构建。

4. 管理与调试工具

        建模工具提供设备模型调试与参数整定功能，可以显示图形和打印正在进行的数学模型的有关参数，在线对模型、模块进行修改、调试和扩充，和在线对程序进行编辑、连接、装入，能实现批量数据的输入/输出。

        此外，建模系统还实现了以下功能：

• 提供模型导入导出、合并
• 能够生成FORTRAN, C and C++代码
• 自动生成文档，用户定义报表等功能

        仿真机的过程模型既要满足仿真的实时性，又要反映过程变化的动态特性，既要保证稳态下的计算精度，又要适用于全工况范围内的仿真。

        vPower仿真系统中，根据仿真设备与系统地具体特点建立一系列过程模型模块。将模块按照专业分类，主要分为热力系统、电气、控制系统、虚拟DCS等类别。

• 热力系统：包括流体网络通用模块、锅炉系统、汽机系统模块，如边界点、节点、阀门、泵、风机、蒸发系统模块、汽包模块、燃烧模块、过热器模块、空气预热器模块、透平模块、加热器模块、除氧器模块、真空模块、汽机本体模块
• 电气模块：包括发电机、励磁、变压器、各类开关等
• 控制模块：包括常用的MCS系统PID等模块，逻辑控制AND、OR、NOT等
• 虚拟DCS模块：各种虚拟DCS系统的算法模块集

        模块算法严格遵守质量守恒、能量守恒、动量守恒三大定律前提，采用机理型建模。适用于全工况实时仿真培训系统研究，且在全工况仿真的整个过程中均具有很高的精度、均能很好地反映实际对象的动态特性。适用于电站全程控制系统的仿真研究，且研究结果(如控制器的整定参数以及控制策略等)对于控制系统的设计、改进以及现场调试等工作具有现实的指导意义。

        算法模块作为最小建模单元，实现了某个特定的算法，系统通过自定义算法的方式扩展模块库，包含若干个输入、输出端口以及若干算法属性。根据面向对象的方法，可以将一个算法模块的算法属性打包定义为一个打包点，称为算法点，打包点的各个字段与算法的属性一一对应。这种设计有利于将实例化后的算法保存在数据库或工况文件中。

        具体的算法通过固定原型的函数实现，算法模块均编译链接并保存在一个或多个动态链接库中，每个算法有唯一的调用入口，入口参数的均为地址引用。算法模块可以使用任何计算机语言实现，如C/C++或Fortran。

        vPower仿真系统自动建模集成了流体网络的解决方案集，能够实现流体网络的拓扑结构自动分析，节点与支路的区分，模块接口数据的传递，压力与流量的关联求解等功能。

        电站电气部分包括的范围很广，其结构形式依照各电站的设计变化多样，并有不同的运行方式和大量的操作。仿真要求实时计算电站厂用电网络各母线电压功率分布情况，运用牛顿－拉夫逊潮流计算方法能快速得到稳定运行及事故状态下的电气网络参数。