火电机组建模开题报告课题相关背景资料

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1、课题背景随着经济的发展，社会对能源需求的增长和发电技术的进步，各种大容量发 电机组不断涌现，机组结构越来越复杂，自动化控制水平越来越高。这一方面要 求运行人员具有更高的操作技能和应变能力，另一方面又减少了运行人员的干预 机会。传统的学习操作规程及现场模拟操作的培训方式已不能满足现代化机组的 运行要求。有统计数据表明，电厂事故的70%都是由运行人员的操作不当引起的1。这就需要对运行操作人员进行有效的培训。而运行人员在实际发电机组上进 行训练的机会越来越少，有时甚至不可能。为了有效地提高机组运行人员的专业 知识、操作技能、应变能力和熟练程度，从20 世纪 60 年代中期，研究人员就开 始探索采用脱

2、离实际发电机组的实时仿真装置对运行人员进行培训1。自本世纪 60年代到现在的 30 多年里，随着电力工业，计算机和仿真技术、图形图像处理 技术的飞速发展，国内外电站计算机仿真技术及电站仿真器得到了迅速发展2-6。 培训型电站仿真器以其培训效果好，使用方便、安全，适用范围广等特点在国内 外大型电站中得到了广泛应用7-11。一台仿真器研制成功的关键很大程度上取决于其数学模型的建立12。这些数 学模型是按照电站的设备以及运行过程，经过适当的简化和假设，根据物理学和 化学定理、定律，用数学公式、图表、曲线等形式来建立表征其特性和状态参数 之间关系的数学表达式。即用数学模型（代数方程、微分方程、逻辑方程

3、等）来描 述被仿真机组特性及其运行过程。数学模型的建立大多是通过对实际系统的机理 分析先建立完整的机理模型，然后在此基础上进行适当简化，最后编制相应的计 算机程序。对电站系统数学模型的研究工作，此前大多集中在锅炉和汽轮机专业 13-16。对电气系统，则研究较少。实际情况是作为仿真器电气系统的数学模型有 着其自身的特点和难点17。本文以实际火电机组仿真系统的工程为背景，着重进行火电机组发电机系统 的建模及仿真研究。国内外在该方向的研究现状及分析我国在20世纪70年代开始了电力工业的第二次迅猛发展，并持续长期发展。 仅以第八和第九个五年计划为例，每年以15001800万kw装机容量建设新的发 电站

4、。其中火力发电厂燃煤机组占装机容量的 75%和发电量的近 80%。新机组的 大部分运行人员没有实际运行的经验，只是经过短期的跟班学习，并未完全掌握 运行技术就进入了运行岗位。电力工业的培训由20世纪70年代之前采用的师傅带徒弟方式发展到采用高 科技计算机仿真技术，是有其必然性的，而且在发展中受到三个发展关键因素的 影响：第一是发电设备的事故已经够成对人们的危害，包括对人身，设备和社会的 危害。例如，核电站有科研阶段发展到在电力工业中普遍得到应用，它的安全性 不仅关系到社会对电力供应的需求，更重要的是关系到核事故对社会造成可怕的 危害。因此对运行人员的技术水平，操作技能，应变能力，心理素质，工作

5、态度 等都提出了严格的要求。而且要求运行人员必须在上岗之前加以严格的培训，已 尽可能在上岗之后不致因操作失误而造成严重的后果。美国三浬岛核电站和前苏 联切尔诺贝利核电站两次严重的核泄漏事故不仅造成设备损坏，而且因辐射造成 周围数十公里人畜迁徙和核辐射后遗症。这两次事故都与运行人员的运行技术部 成熟有直接的关系。因此两次事故的调查委员会曾分别提出“三浬岛事件的深刻 教训之一是操作人员的培训很不充分，他们应该在完全仿真电厂控制室的仿真机 上进行培训，这种仿真机应有高度的动态过程真实性”。切尔诺贝利事件的重要 教训之一是“应对所有运行人员进行重新培训和鉴定，新职工应由预先培训，并 建立现代化的培训装

6、置”。第二是发电设备及其相关技术的发展。20 世纪 60 年代之后由于社会生产力 的快速发展，刺激了电力供求增长，火电机组普遍出现单机容量为 600800MW， 甚至出现1300MW的超大容量机组。仅一台300MW火电的输入/输出模拟量参数和 开关量参数就多达 3000 个，其中监视参数 1000 多个，操作量 2000 多个，计算 机屏幕上的操作画面达300 多幅。这样的复杂系统和工艺过程只依赖于23 名运 行人员操作和监视，难以长时间做到得心应手，头脑清楚的操作它。因此相应地 促进了自动化技术，先进过程控制技术和计算机分散控制系统在发电厂全面应 用。在正常运行过程中自动化技术和设备代替人员

7、的操作，运行人员直接参与操 作的机会甚少。一旦发生事故和故障时，需要运行人员进行处理，就显得运行知 识不足，实际操作经验缺乏，最终导致事故扩大。轻者被迫停机停产，重者设备 损坏，人员伤亡。20 世纪80 年代末我国发生两起大型气轮机机断轴的重大事故， 90 年代初大型锅炉因水冷壁洁渣脱落而造成锅炉严重爆破，众多人员伤亡事故。 除设备本身的缺陷外，运行人员缺乏发现事故和处理事故的能力是其重要原因。20世纪 60 年代末和 70 年代初，随着数字式计算机和计算技术的迅猛发展， 为电站仿真培训提供了进一步发展的条件。使用计算机可以方便地组成仿真系统 和为仿真模型的算法提供灵活的技术环境。这是电厂仿真

8、技术发展的第三个重要 因素。一台仿真器研制成功的关键很大程度上取决于其数学模型的建立。这些数学 模型是按照电站的设备以及运行过程，经过适当的简化和假设，根据物理学和化 学定理、定律，用数学公式、图表、曲线等形式来建立表征其特性和状态参数之 间关系的数学表达式。即用数学模型(代数方程、微分方程、逻辑方程等)来描述 被仿真机组特性及其运行过程。数学模型的建立大多是通过对实际系统的机理分 析先建立完整的机理模型，然后在此基础上进行适当简化，最后编制相应的计算 机程序。对电站系统数学模型的研究工作，此前大多集中在锅炉和汽轮机专业。 对电气系统，则研究较少。实际情况是作为仿真器电气系统的数学模型有着其自

9、 身的特点和难点。国内电站仿真器中电气系统的数学模型并不尽如人意。例如某 电力专科学校 1995 年安装了一台 200MW 火电机组培训型全范围、全工况电站仿 真器。该仿真器基本上代表了国内在这一领域的水平。然而就电气系统而言，该 仿真器存在一些问题，例如：(1) 发电机并网运行时在任何情况下其频率及机端电压都恒定在额定值，甩 负荷时转速从额定值 3000转/分开始下降。实际情况是在有大的负荷变动时发电 机频率将略偏于额定值。甩负荷时转速有一个迅速上升的过程，能达到 4000 转/ 分以上，其后随着主汽门的关闭转速逐渐下降。另外随着励磁系统输出的变化， 发电机机端电压将偏离额定值，尤其当发电机

10、失磁异步运行时，机端电压将降至 额定电压的 80%左右。(2) 发电机在电压、频率或相角信号与电网不同期情况下强行并列时，未能 体现出电流的冲击现象。实际情况是不同期严重时电流冲击很大，甚至会造成发 电机跳闸。(3) 若干故障模拟严重失真。如对一些引起机组跳闸的严重故障，在摘掉保 护动作压板情况下发电机仍以正常方式运行，表计指示未能体现故障状态。(4) 励磁系统各表计与现场实际差别较大，自动励磁调节器动作缓慢。上述问题的产生可能是由于模型机理本身偏差较大，或者简化后的模型过于 简单，或者模型参数不准。而为了满足模型输出与现场实际时间上的一致性，对 机理模型的简化处理是很必要的，随之而来的问题是

11、对简化后模型的参数确定。 对一些输出变量进行补偿通常是必要的，补偿模型的结构及参数需要考虑确定。 可见有关电气系统建模还有许多问题需要研究。为了有效地提高机组运行人员的专业知识、操作技能、应变能力和熟练程度， 国内外大型电站中培训型电站仿真器培训效果好，使用方便、安全，适用范围广。在民用工业中，仿真与建模发展最快的当属电厂仿真技术和培训仿真机。其 中包括核电仿真技术和火电仿真技术两方面。从世界范围看，电厂仿真技术和仿 真机的发展可以分为三个阶段。萌芽阶段：1968 年以前属于这一阶段，该阶段已采用模拟式计算机为计算 机仿真的主要象征。1968 年以前因运算放大器的出现和发展，可以组成电子模 拟

12、式网络，或称电子微分分析仪。利用这种模拟电路求解非线性微分方程显示出 其优越性和在解题速度上的成功。因此逐渐利用这种设备已电厂作为对象进行研 究成熟阶段：该阶段是 19791988 年，是先进国家大量发展全范围高精度的 电站仿真机时期。虽然 20 世纪 60 年代末由于计算机技术的发展和人们对发电安 全性的重视，促使电厂仿真机得到了较快的发展，美国的核电仿真机和日本的火 电仿真机表现的最为突出，各自建立了一批仿真培训中心。但是在 1979 年以前 的电厂仿真机总体上是不够完备的，特别突出的表现在数学模型存在着不完善的 地方。现阶段：进入20 世纪 90年代，西方发达国家特别是美，英，日等国家电

13、力 工业发展处于停滞状态，新电厂建设在减少。因此它们的电厂仿真技术工业相应 地也没有足够的市场而纷纷关闭。此阶段电厂仿真机在中国有着突出的发展。 1988 年国家能源部发出 40 号文件“关于发展火电机组模拟培训装置的通知 ”之 后，国内电厂仿真机开发单位的出现用雨后春笋来形容并不为过，仿真公司的迅 猛发展也是历史上世界各国所未有的，到 1993 年底竟然有 20 多家电厂仿真机开 发公司出现。但在此时期运行的国产仿真机数目只有 15 台。到 1995 年，中国的 核电仿真机还只有 3 台：一是 1986 年国家和安全局从美国引进的，安装在清华 大学，成为我国第一个核电培训中心；二是大亚湾核电

14、站随主机从法国 TOMSON 公司进口的一台核电仿真机，另一台是泰山核电站把 1 号机组的仿真机任务交由 亚洲仿真公司，与 1995年完成的。据不完全统计，到 1997 年中国已经投入运行和签订合同的火电仿真机数 量已迅速达到 68台，核电仿真机3 台，水电仿真机 2 台，电网调度仿真机 5 台， 电力工业培训仿真机共计已经达到78 台，已成为世界上仅次于美国的第二个电 力工业仿真机拥有大国。其中火电仿真机的数量已占世界第一位，而且近90%是 由国内自己制造和开发的。显示了中国具有强大的仿真技术和仿真机开发实力。目前，我国大型发电机组计算机仿真技术与国际先进水平相比，在仿真软件 开发支持系统、

15、I/O接口系统、仿真机开发过程中的管理和规范化、核电仿真技 术等四个方面存在着差距。电气系统建模中的问题及解决方法为了满足仿真器的反应时间和各种状态竖直大小上同实际机组运行一致的 要求，培训型仿真器的数学模型一般应具备以下几个特点：(1) 实时性好 这里指的是仿真器仿真过程的实时性，即仿真器的仪表、指示 灯等各种显示量的显示速度同实际过程对象一致，它不同于通常的在某段时间内 应完成规定计算量的所谓实时性。仿真器的这项要求首先要求整个仿真系统的运 行周期很短，以期给人的感觉是所有的动作都是连续的，即要求过程对象的数学 模型及仿真算法尽可能的简单、实用。然后在此基础上才能够调节模型的算法步 长，达

16、到实时性。(2) 精度高 这包括稳态精度和暂态精度。仿真器对典型工况下关键参数的稳 态精度要求较高。对动态过程起码要求变化趋势正确，在仿真范围内能较真实地 反映实际系统。一般说来，仿真器数学模型的运行结果与实际过程对象运行的动 态误差不大于 10%，静态误差不大于 5%即可以满足要求。(3) 通用性强 为提高建模效率，避免重复工作，仿真器的数学模型要求通用 性好，便于移植，同一模型在改变入口参数后可以在多处使用。这实际上也要求 了对过程系统进行较为合理的模块划分。(4) 可调性好 好的可调性指当模型运行结果与真实系统有所偏差时可通过 对模型中较少参数的修改来减小、消除偏差而无须改变模型结构。这

17、不仅是为仿 真器调试过程中修改模型方便，也是为当培训要求有所变化时能通过对模型的简 单修改来达到要求。以上都是一般而言电站培训仿真器模型必须具备的特点，也是必须满足的要 求。特别地，电站仿真器电气系统的数学模型还有一个特点是它有时候需要补偿 硬件设备或者软件环境。例如，电气系统中主要是电磁变化过程，反应速度非常 快，如果想实现盘台上的表计表现得和现场一致，既使是数学模型在采样点时刻 与现场一致有时候还不能满足要求，因为还要考虑因仿真器表计驱动与现场表计 驱动的差异带来的两表计指示的不一致。尤其是对某些动态过程，现场表计指示 有时甚至来不及体现过程系统的实际值。在建立数学模型时需要考虑这些因素且

18、 采取相应的补偿措施。又如电气专业模型机与其它专业模型机之间的信号传递问 题，有时需要考虑因模型机间运行周期不一致带来的信号丢失问题，这通常都是 由电气模型机运行周期短而其它模型机运行周期长造成的。电站电气系统设备的复杂性及电磁过程的快速性同建立简洁、准确的仿真器 电气系统数学模型之间形成了尖锐的矛盾。仿真器电气系统相对于汽轮机、锅炉 系统而言，有它自身诸多困难之处。这主要表现在：(1)理论模型相对繁琐 电气系统模型一方面要求准确反应现场实际，有较高 的精度；另一方面又要求模型要尽可能简化。电气系统的反应时间是很快的，这 要求整个仿真系统的运行周期越短越好。基于机理建立的模型往往比较复杂，需

19、要在不损失精度的前提下尽量简化。解决好准确性与快速性的矛盾是电气系统建 模的一个关键。(2) 实际情况与理论假设的差异 电力系统书上提供的发电机组的数学模型 通常都基于一定的理论假设，其中有些假设与现场实际有较大差异。如一般理论 假设发电机并入无穷大电网，电网电压不受某台机组的影响1，机端电压即电 网经主变降压后的电压。而实际情况是无论从运行日志还是从现场都可以看到机 端电压随有功功率及无功功率变化的情形。补偿这种差异很重要。(3) 参数不详尽 电厂能够提供的原始资料有限，难以获得需要的全部参数， 而且由于机组改造、大修等原因，一些参数实际上是无法得到的。如发电机系统， 一般用派克方程建立其数

20、学模型，但对该仿真器，无从得知其中如直轴感抗、交 轴感抗、励磁绕组电抗等许多参数。这最后将导致一个参数辨识问题。(4) 数据资料不充分 仿真器研制所利用资料的一个重要部分是电厂运行日 志。本文辨识参数所依赖的样本也大多取自于此。然而运行日志中数据的可信度 并不很高，常常由于记录人员的疏忽而使记录数据与实际数据有所偏差。另外， 有些数据因设备很少投入运行而难以充分获得。如该机组的备用励磁系统就极少 投入使用，只有 120MW 工况下备励运行的一段数据。还有对电气系统一些控制回 路的逻辑模型，有时会因为缺乏设计图纸而给建模带来困难。如该机组的灯光报 警回路在原始设计的基础上已经改变，却得不到最新接

21、线图纸。解决困难(1)，需要对复杂的机理模型做最大限度的简化工作。很可能出现 的情况是简化后的数学模型在某些工作点上不合乎要求，这又要求对这些工作点 进行补偿。困难(2)则说明需要对理论模型与实际系统间差异进行补偿。这两点 提出了补偿模型的结构确立及参数优化问题。困难(3)需要在建立参数模型的基 础上对参数进行辨识。电气系统建模中存在较多这样的问题。困难(4)则提出了 对现场记录数据的取舍、分类问题。无论是困难(1)、(2)中的补偿模型结构确定及其参数辨识还是困难(3)提出 的参数辨识都涉及一个优化问题。对这些模型的调试通常要做反复的优化工作。电气系统建模的主要过程数学模型的建立首先需要确定仿

22、真的范围及对精度、逼真度的要求，然后进 行系统的模型化，通常将整个系统分成若干个子系统或子模型，每个系统又可以 进一步划分。划分的详细程度主要是有仿真精度要求及建模方法决定的。一般来 说，仿真精度要求越高，则子系统的划分就要越详细。图 1 给出了子模型的建模步骤，它包括一系列阶段并产生三种形式的模型： 概念模型、正式模型和数字模型。这一过程的最终结果是形成一个可与其它子模 型连接的子模型，将子模型相互连接后就可以获得整体模型。在将整个子模型与 其它子模型连接之前，必须进行有效性检验，以确保它能够代表原来的真实子系 统。建模方法一、概念模型概念模型是为了对实际系统模型化而做的文字说明，是子系统模

23、型化的 第一个版本。它是在时间系统和仿真范围的基础上，通过初步设计和功能说明两 个阶段而产生，在这两个阶段中确定实际系统的哪些现象和反应应该被仿真，仿 真精度是多少。在初步设计阶段确定为了满足仿真范围的要求而需要的资源，在 功能说明阶段叙述实际系统的那些现象应该被仿真。初步设计师确定模型应满足的精度准则。建模所需的资料和可用的计算 机资源和限制等。精度准则中包含一种测试模型特性与实际系统特性是否一致的 方法。它应考虑到仿真范围叙述的所有运行工况以及当时规定的一般精度准则， 同时，它应针对一个特定模型的需要进行更加细致的定义。一般来说，对于稳态 和暂态采用不同的精度准则。二、正式模型正式模型是实

24、际系统的数学标示。由于实际系统的复杂性，要想用一组 数学方程来描述它，就必须进行必要的简化和假设。因此，在正式模型建模包括 两个阶段：一是对实际系统的简化；二是写出模型的数学公式1、简化和假设这是一个很重要的阶段，因为描述实际系统的模型的精度主要取决于 所作的简化和假设的程度。此外，这一阶段所做的决定将会对以后真个建模的所 有过程产生影响。因此，必须认真执行简化和假设。数学公式是确定描述实际系统的一组方程式。实际上要得出系统特性的数学模型，应完成以下工作:1) 子模型的外部连接 对于一个大型的系统建模，最基本的一点是各个了模型所用的数学公 式的协调一致。达到这种协调性的第一步是明确哪些变量是由

25、本了模型产生的， 哪些变量是由其它了模型提供的，以及哪些变量是由外部输入的。换句话说，确 定不同子模型之间的信息传递是必不可少的。字模型的输入和输出变量的这种定 义就是所谓的子模型的外部连接。2) 子模型的内部连接 一旦确定了子模型的外部连接关系，就可转向模型本身。这单第一步是 将子模型分割成为比较容易处理的几部分，称之为模块。而确定不同模块之间的 信息传递关系就是了模型的内部连接。3) 如果一个模块在一个以上的子模型中获得使用就可以建立通用模块。 不管这些模块是否己经存在还是需要建立，有必要在每个子模块中确定它们，以 避免重复。三、数字模型 数字模型是正式模型的代码形式。但是，必须指出数字模

26、型并不是正式 模型的严格表示，这主要是因为计算机的离散化，以及舍入或截断误差的存在而 导致的。另外，对于一个正式模型来说，数字模型并不是唯一的，因为它受计算 机性能、程序语言和所采用的方法等因素的影响。发电机本体的结构和原理 了解火电机组主要设备的功能，结构原理，电力生产过程的热力系统及其辅 助系统，为建立仿真的数学模型做准备。发电机和励磁系统结构原理及其建模：发电机和励磁子系统的数学模型是电 站仿真器主体。电气系统数学模型的重要组成部分 通过理论分析，研究发电机本体机理模型的建立；根据仿真要求，把整个模 型分成三种情况考虑：空载运行、并网稳态和并网异步运行，得到最后的发电机 仿真模型。分析自动励磁调节装置每一环节工作原理，并抽象成描述简单的数学 模型。连接各环节模型得到励磁子系统仿真模型。MTLAB 仿真根据查阅到的与本文模型相关的大型火电机组的实际运行数据，对建立好的 数学模型进行优化和仿真，使用 MATLAB 进行仿真，并通过仿真对模型中的一些 主要的参数进行优化，对不同的状况进行模拟。