300 MW 机组数字电液控制系统DEH 仿真机研发

李 浩，孙海蓉

(华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定071003)

0 引言

随着火电机组向大容量、高参数、分散控制方向发展，技术日益复杂，对安全、经济运行的要求很高。控制系统制造厂家已不可能像配备一台试验设备一样配备一套大容量发电设备用来调试控制系统;也不可能等控制系统到了电厂，再利用电厂的发电设备来整定调节系统的参数［1］。同样对运行人员也提出了高要求，沿用旧的培训方法已无法满足大机组运行人员的培训要求，更不能将正在发电的设备用来培训。因此，开发和研制运行性能高、系统配置灵活、制造成本低的仿真机，更具有现实意义。

仿真作为一门利用模型进行试验、研究和培训的技术，具有可控、安全、经济、节约时间、允许多次重复等特点，被广泛用于各领域进行系统研究、分析、设计和培训。在电厂仿真机中，目前应用最普遍的是电厂运行值班员培训仿真机。仿真机要完成所仿电厂运行人员、运行管理人员的培训和考核，同时也可对其他类型机组运行及管理人员进行培训和考核;满足工程技术人员对该类型设备及其系统改进的研究分析任务。电厂仿真机也可用来进行电厂运行分析和控制系统研究，对实际发电机组发生的故障进行验证，并可提出反事故措施等。

本仿真机是以国电达州电厂300 MW 机组为参考机组的机、炉、电全范围激励式仿真［2］装置。本文利用EDPF-NT PLUS 仿真软件［3］搭建控制模型，使其实现机组的启动、冲转、并网、升负荷、超速保护和阀门管理［4］等功能，将DEH 控制系统［5］与锅炉、汽轮机以及电气模型连接，进行整体运行调试后，所得仿真结果与运行规程中机组启动曲线进行对比，结果表明该仿真模型设计合理、功能完整，满足现场运行的各项指标。本文建立的DEH 控制系统仿真模型与在STS 仿真支撑环境建立的机、炉、电仿真模型组成了国电达州电厂300 MW 机组仿真模型，共同实现了对机组的全范围仿真。

1 DEH 仿真机系统

1.1 仿真机特点简介

达州电厂仿真机的硬件构成如图1 所示。该硬件系统主要包括模型服务器(装载及运行机、炉、电模型及通讯软件的仿真支撑平台，是仿真机硬件系统的核心部分)、工程师站(EDPF-NT PLUS 中组态、管理和维护工程的计算机，是虚拟DCS 的核心)、历史站(采集、储存以及检索点数据、报警和SOE 事件，显示历史趋势曲线、报警信息列表)、操作员站(即MMI 站，具有人机交互功能，操作员可通过操作员站对系统进行实时干预和实时监控，一套系统可以有多台操作员站，各站相互独立、互不干扰)、就地站 (仿真就地设备)、虚拟DPU (用于安装虚拟DPU 软件，虚拟DPU 技术将实际DCS 系统中DPU 的处理功能移植到虚拟DPU 软件上，脱离硬件设备，采用软件仿真在计算机上实现DPU 工作过程的模拟)、交换机(仿真系统有两个不同的通讯域，交换机的存在能满足不同通讯域的通讯)等部分。此外，该仿真机还配备了UPS 电源，以应对突然的失电，来确保培训等工作的正常进行。

图1 达州电厂仿真机基本配置Fig．1 Simulator hardware structure of Dazhou Power Plant

激励式仿真机是基于虚拟DCS 的全范围仿真系统［2］，在运行现场原DCS 系统的控制画面和逻辑组态的基础上，利用虚拟DPU 技术和仿真支撑系统，高度地仿真了电厂运行环境。一般由分散控制系统软件、仿真系统支撑平台和计算机系统软件等组成。

国电达州电厂300 MW 机组使用EDPF-NT PLUS 分散控制系统。EDPF-NT PLUS 是一个既可应用于电厂实际各阶段的控制系统，又可应用于仿真系统，模仿全厂范围特性的控制系统。以网络通讯为基础，结合网络通信、信息、监控、管理技术为一体，支持Modbus 通讯协议［6］。以面向功能和对象而实现的“站”为基本单元，专门设计的分布式动态实时数据库用于管理分布在各站的系统运行所需的全部数据，将计算机、网络、数据库和自动控制技术融为一体，完全实现了控制与信息一体化设计，具有开放式结构和良好的硬件兼容性和软件的可扩展性。DPU 控制器采用多重冗余，安全可靠;采用双机，双网，双电源，大大提高了系统的可靠性。

仿真支撑系统使用由华北电力大学杰德控制系统工程研究中心研发，运用面向对象技术、基于VC++的STS 仿真支撑系统。既有支撑系统的功能，又有激励系统的功能。作为支撑系统，为仿真模型组态人员提供一个模型开发与调试的环境，同时构建具有扩展性功能的仿真模型算法库;作为激励系统，是仿真模型运算的平台，为虚拟DPU 提供数据驱动。仿真算法由Fortran 语言开发。计算机系统软件是仿真系统开发和运行的基础和平台，主要包括操作系统、语言编译器、图形软件等。

1.2 达州电厂DEH 系统

达州电厂机组的汽轮机为东方汽轮机厂生产的N300-16.7/537/537-8 型 (高中压合缸)亚临界、一次中间再热、两缸、两排汽、凝汽式汽轮机。该DEH 系统采集实际现场的模拟量信号，经逻辑和数值运算转换为数字量信号，通过功率放大输出到电液转换器，经中间继动滑阀及调压继动滑阀，控制高中压调节阀油动机及蝶阀油动机，以此实现控制汽轮机的启停和运行，监视实时参数及状态，保证机组安全运行等功能。

(1)自动控制系统。该DEH 控制系统控制机组主要按高中压缸联合启动方式进行启动，具有转速控制、负荷控制以及压力控制等控制功能，其中以负荷控制最为重要，有自动、手动以及电厂计算机控制等控制方式;可根据转速变化及转速死区范围来决定是否投入一次调频;根据控制需要进行单阀和顺序阀的切换;支持手动控制、自动控制方式的切换;可根据需要选择串级控制回路或单回路。

(2)自启动程序控制系统(ATC)。当ATC控制运行时，汽轮机在全自动运行状态，通过监视高、中压转子，并计算出热应力及寿命损耗，对机组运行进行科学管理，得出最佳升速率和升负荷率，转速目标值也是由每个阶段自动给出。同时，ATC 可以根据高、中压转子的温度判断出机组是冷态启动还是热态启动，这样既可以保证转子的安全，又可以有效启动整个汽轮机组。

(3)保护系统。包括汽轮机超速保护、危急遮断保护以及手动脱扣三种功能。超速保护功能是当转子实际转速到达额定转速的103 %时，自动关闭中调门，而当转子实际转速超过额定转速的103 %又在110 %范围内时，自动关闭高、中调门，以保护汽轮机转子;当转子的转速到达额定转速的110 %或者轴向位移大、轴承供油油压低、轴承供油油温高以及凝汽器真空低等其他参数超越安全限值时，危急遮断保护控制会自动关闭所有主汽门和调门，进行停机;手动脱扣是一种手动停机方式。

(4)监控功能。DEH 系统无论在机组的启停还是在正常运行的过程中，都要时刻对汽轮机组和DEH 系统的设备进行监控，操作画面、按钮状态、重要参数以及运行曲线等都可被DEH 系统实时显示。

2 DEH 的建模仿真

DEH 自动控制系统的原理框图如图2 所示。

由图可知，该系统具有如下三个调节回路:

(1)转速调节回路。并网前，转速控制系统调节汽轮机主汽门和调门开度，保证蒸汽参数品质，维持汽轮机转子转速平稳恒定。

(2)功率调节回路。并网后，通过该回路控制机组的负荷。通常采用串级系统，整个系统分为内回路和外回路两个部分，内回路为压力回路，外回路为功率回路，参与调频时，还需投入一次调频回路。串级控制系统既可以选择投入压力控制，也可以切除压力控制，按单回路运行方式运行。

(3)主蒸汽压力回路。并网后，通过该回路控制机组的负荷，是一个单回路调节系统。

在负荷控制期间，如果投入机炉协调控制，DEH 还接收协调控制来的CCS 指令。此外，如果没有投入闭环控制回路，就处于开环控制方式，则可由设定值经处理后形成阀位指令。

以上三个调节回路的输出经过选择切换，形成自动指令(PIDOUT)，自动指令的形成逻辑组态如图3 所示。

图2 DEH 自动控制原理框图ig．2 Schematic diagram of DEH automatic control

自动指令(PIDOUT)与手动给定值以及CCS控制指令经选择切换，再经阀限限制后形成总的基准值(REFERENCE)。如图4 所示，该基准值即为阀门总给定值，经过各阀门特性校正后，形成各个阀门的阀位指令，送到各阀门的执行机构，最终使阀门的实际开度和阀位指令相平衡。阀门开度的变化，使进入汽轮机的蒸汽量改变，从而改变相应的转速、功率、主汽压等，完成控制功能。

3 仿真结果

该仿真机DEH 系统根据电厂运行规程及相关规范要求，高度仿真现场实际系统。

操作显示界面作为人机接口，供运行人员对机组进行正常操作，仿真机与现场一致性极高。所有按钮、键盘输入正常，包括启停方式的选择、挂闸、目标转速/功率设定、升速率、负荷率的设定以及控制方式的选择等。

图3 自动指令(PIDOUT)的形成逻辑Fig．3 Formation of PIDOUT logic

经反复调试和不断使用，证明了该系统能正确反映原设计思想和运行规程要求，实现机组的启停、运行调节等功能。将运行规程中实际机组冷态启动曲线中的冲转曲线部分(图5 (a))，与仿真机冲转曲线(图5 (b))对比。其中，图5(a)中曲线水平保持部分为实际暖机过程，该仿真机能选择减少暖机长时间等待，达到节约时间的目的;图5 (b)中实线所示为实际转速;虚线所示为转速设定值。

将运行规程中实际机组冷态启动曲线中的升负荷曲线部分(图6 (a))，与仿真机升负荷曲线(图6 (b))对比。其中，图6 (b)中实线所示为实际负荷;虚线所示为负荷设定值。

通过对比曲线可知，仿真所得曲线基本与运行规程中的实际机组曲线相符合，仿真的精度达到了要求。

图4 阀门总给定值的形成逻辑Fig．4 Formation of REFERENCE logic

图5 实际/仿真机冲转曲线Fig．5 Actual/simulator speed curve

图6 实际/仿真机升负荷曲线Fig．6 Actual/simulator load curve

4 结论

该DEH 仿真机系统利用了国电智深EDPF-NT PLUS 控制系统仿真软件搭建控制模型，并与汽轮机、锅炉、电气系统仿真模型相连，构成了一套完整的激励式仿真系统，共同实现了对机组的全范围仿真。与实际机组的操作环境、运行方式相同，既可以进行运行人员的培训，又能对控制策略进行优化。目前，该套仿真机设备已经在达州电厂投入使用。

［1］上海新华控制技术(集团)有限公司．电站汽轮机数字式电液控制系统—DEH ［M］．北京:中国电力出版社，2005．

［2］王文治．基于虚拟DCS 的激励式仿真系统设计与开发［D］．保定:华北电力大学，2007．

［3］高瑜．EDPFNT-plus 操作员站仿真软件设计与实现［D］．保定:华北电力大学，2011．

［4］周珂珂，谷俊杰．DEH 给定值处理逻辑和阀门管理系统［J］．电力科学与工程，2006，(3):80-83．Zhou keke，Gu Junjie．Given value processing and valve management system with DEH ［J］．Electric Power Science and Engineering，2006，(3):80-83．

［5］杨光，余满都拉，韩强．汽轮机数字电液控制系统研究［J］．中国科技博览，2010，(14):81-81．Yang Guang，Yu Mandula，Han Qiang．The research of steam turbine digital electro hydraulic control system ［J］．China Science and Technology Review，2010，(14):81-81．

［6］杨素珍，黄焕炮，张敏，等．基于Modbus 协议的通讯在国产分散控制系统上的应用［J］．电力建设，2012，33 (6):81-83．Yang Suzhen，Huang Huanpao，Zhang Min，et al．Application of communication on domestic DCS system based on Modbus protocol ［J］．Electric Power Construction，2012，33 (6):81-83．