火力发电厂仿真系统、方法、装置及存储介质与流程

1.本文涉及系统仿真技术，尤指一种火力发电厂仿真系统、方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.近些年来，随着电力事业的飞速发展，火力发电厂的应用范围也越来越广，在火力发电厂的实际应用中，火力发电厂的仿真对火力发电厂的运行有着重要意义。
3.相关技术中，针对火力发电厂的仿真往往采用的都是离线仿真技术，
4.然而这种仿真技术所仿真出的模型不能实现与火力发电厂实际静、动态参数的真正结合，无法实现与火力发电厂的并行运行，因此对于火力发电厂运行的指导意义十分有限。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种火力发电厂仿真系统、方法、装置及存储介质，能够使得所仿真出的模型与火力发电厂实现静、动态参数的真正结合，实现与火力发电厂的并行运行，从而对于火力发电厂运行提供丰富的指导意义。
6.本技术提供了一种火力发电厂仿真系统，包括：
7.在线仿真应用模块，用于接收用于仿真火力发电厂运行情况的仿真指令，并将所述仿真指令发送至虚拟过程模型模块和虚拟生产控制模块；
8.所述虚拟过程模型模块，用于根据所述仿真指令实时获取火力发电厂的生产过程数据，并将获得的生产过程数据输入至预先建立的初始模型，得到第一仿真模型；
9.所述虚拟生产控制模块，用于根据所述仿真指令实时获取火力发电厂的系统控制数据，并根据获得的系统控制数据控制所述第一仿真模型的运行
10.与相关技术相比，本技术提供的火力发电厂仿真系统，由于能够实时获取火力发电厂的生产过程数据和系统控制数据，并根据获得的数据获取仿真模型并控制模型的运行，因此能够使得所仿真出的模型与火力发电厂实现静、动态参数的真正结合，实现与火力发电厂的并行运行，从而对于火力发电厂运行提供丰富的指导意义。
11.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
12.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
13.图1为本技术实施例提供的一种火力发电厂仿真系统的结构示意图；
14.图2为本技术实施例提供的另一种火力发电厂仿真系统的结构示意图；
15.图3为本技术实施例提供的一种在线仿真系统的结构示意图；
16.图4为本技术实施例提供的一种火力发电厂仿真方法的流程示意图；
17.图5为本技术实施例提供的一种在线仿真方法的流程示意图。
具体实施方式
18.本文提供了一种火力发电厂仿真系统，如图1所示，包括：
19.在线仿真应用模块11，用于接收用于仿真火力发电厂运行情况的仿真指令，并将仿真指令发送至虚拟过程模型模块和虚拟生产控制模块。
20.虚拟过程模型模块12，用于根据仿真指令实时获取火力发电厂的生产过程数据，并将获得的生产过程数据输入至预先建立的初始模型，得到第一仿真模型。
21.虚拟生产控制模块13，用于根据仿真指令实时获取火力发电厂的系统控制数据，并根据获得的系统控制数据控制第一仿真模型的运行。
22.在一种示例性实例中，虚拟过程模型模块根据仿真指令实时获取的火力发电厂的生产过程数据以及虚拟生产控制模块根据仿真指令实时获取的火力发电厂的系统控制数据都可以是从历史库中获得的，历史库实时存储火力发电厂的历史数据。
23.在一种示例性实例中，火力发电厂仿真系统与真实的火力发电厂采用物理隔离，火力发电厂仿真系统能够从真实的火力发电厂获取数据，而不能向火力发电厂反向输出数据。
24.在一种示例性实例中，生产过程数据是至指通过仪器表直接采集而来的数据，该数据每时每刻不断产生并被收集，例如通过温度计采集而来的气温数据，通过流量表采集而来的流量数据，通过压力表采集而来的压力数据；而系统控制数据是实现仿真模型控制过程的数据，该数据指导着仿真模型的运行，其需要通过一系列简单或复杂的计算得到。
25.本技术实施例提供的火力发电厂仿真系统，由于能够实时获取火力发电厂的生产过程数据和系统控制数据，并根据获得的数据获取仿真模型并控制模型的运行，因此能够使得所仿真出的模型与火力发电厂实现静、动态参数的真正结合，实现与火力发电厂的并行运行，从而对于火力发电厂运行提供丰富的指导意义。
26.本技术实施例提供的火力发电厂仿真系统采用的是在线仿真技术，在线仿真概念自2000年从国外引入以后，被众多学者、公司在不同工业领域不断探索和实践，美国、加拿大、澳大利亚均有在线功能的电站的部分仿真系统投入使用，如何将在线仿真在整个发电厂系统应用，其完备的功能一直是各集团、发电厂、公司追求的目标,也是智能化电厂建设的一个重要环节。
27.各发电厂运行安全性和经济性在一定程度上依赖于集控人员控制水平的高低，即运行人员的熟练操作及处理事故的能力，为此各发电厂都根据本厂机组-实际情况针对性开发了与本厂实际机组运行特性和控制策略一致的运行培训仿真机。然而，现有仿真机在应用过程中最大的弱点就是无法和真实机组的实际静、动态参数真正相结合，无法满足电厂对过程分析、操作分析、事故分析、控制系统研究的需求。
28.随计算机硬件和仿真技术的提高为以上问题的解决提供了足够的保障。首先计算机硬件的功能和性能的提高，大型火电机组仿真系统大多数利用高性能的工作站、服务器做为主机，且计算机网络设备和技术及io接口通信能力迅速发展，完全可以满足软件开发设计人员需求，可以应用更加复杂、全面、深入的数学模型软件来再现机组的动态特性；数
据孪生技术作为新的数字化关键技术已经应用到了与工业4.0相关的智能制造领域中，通过将物理实体或流程转化为准实时的数字化镜像，实现对生产全流程的模拟分析；随着各个相关学科的深入研究，应用其最新研究成果，使得数学模型的机理更加完善，对仿真对象的描述更加逼真，数学模型可信度更高。
29.在一种实例性实例中，在线仿真应用模块11还用于接收携带有指定时间、指定工况的事故回放指令，并将事故回放指令发送至虚拟过程模型模块12和虚拟生产控制模块13。
30.虚拟过程模型模块12，还用于根据回放指令从历史数据库中获取与指定时间、指定工况相对应的生产过程数据，并将获得的生产过程数据输入至预先建立的初始模型，得到第二仿真模型；
31.虚拟生产控制模块13，还用于根据回放指令从历史数据库中获取与指定时间、指定工况相对应的系统控制数据，并根据获得的系统控制数据控制第二仿真模型的运行进行事故回放。
32.现有技术中，在火力发电厂发生非停时，只能通过运行记录表中记录的数据，然后分析数据之间的关联关系等一些列的复杂分析才能获取故障，这是一种静态分析方式，而本技术实施例提供的火力发电厂仿真系统能够通过场景再现实现事故回放，事故回访也叫事故工况重演，是指从机组历史工况记录中取得从指定时刻起的机组历史记录，根据实际机组事故前的工况进行设置，按事故跳闸信号顺序动作仿真、分析事故时过渡过程变化，寻找事故原因，增强反事故能力，因此可以直观的进行故障分析，这是一种动态分析方式，相比于现有技术，能够快速、准确地分析出故障。
33.在一种实例性实例中，在线仿真应用模块11还用于获取携带有运行策略的策略验证指令。
34.虚拟生产控制模块13，还用于将获得的运行策略进行运算，得到具体运行指令，并发送给虚拟过程模型模块12。
35.虚拟过程模型模块12，还用于将获得的具体运行指令运用在第一仿真模型中，并获取指令运行结果以用于按照预设评价准则进行评价。
36.在一种示例性实例中，运算过程是指根据策略要达到的效果，反推哪些指令可以达到该效果的过程。举例来说，策略可以是将空调温度在5分钟内匀速降低五度，可以是将空调温度在前2分钟内降低三度并且在后3分钟内降低两度；那么针对将空调温度在5分钟内匀速降低五度这条策略，要通过运算反推如果要达到该效果，空调的压缩机转速应该设置为多少转，而针对空调温度在前2分钟内降低三度并且在后3分钟内降低两度这条策略，要通过运算反推如果要达到该效果，空调的压缩机转速在前2分钟应该设置为多少转且在后3分钟应该设置为多少转，所得到压缩机的转速设置信息就是具体运行指令。
37.在一种示例性实例中，不同的策略经过运算会产生不同的具体运行指令，不同具体运行指令会产生不同的指令运行结果，因此可以预设评价准则对其进行评价。
38.在一种实例性实例中，如图2所示，火力发电厂仿真系统还包括：异常比对模块14。
39.在线仿真应用模块11，还用于获取携带有指定生产过程数据的异常对比指令，并发送给异常比对模块14。
40.异常比对模块14，用于从虚拟过程模型模块12中获取指定生产过程数据，并将获
得的生产过程数据与预设数据值进行对比，当获得的生产过程数据与预设数据值相差程度超过预设阈值，以预设方式进行告警。
41.在一种实例性实例中，在线仿真应用模块11，还用于获取携带有指定时刻的运行情况预测指令，并发送给虚拟过程模型模块12。
42.虚拟过程模型模块12，还用于根据运行情况预测指令从虚拟生产控制模块13中获取模型加速所需的系统控制数据，根据获得的系统控制数据对第一仿真模型进行模型加速，并获取指定时刻的运行情况。
43.本文提供了一种在线仿真系统，如图3所示，包括：在线仿真应用模块、虚拟生产控制系统和虚拟过程模型系统。
44.基于该架构，本实施例提供的火力发电厂仿真系统能够实现以下功能：
45.1、虚拟过程模型系统的数据同步功能
46.虚拟过程模型系统直接从生产控制模块dcs的网络通讯接口读取数据，实现与生产实时数据的同步。通过数据同步，虚拟过程模型系统可以进行初始工况设置和事故工况重演。初始工况设置是指可加载dcs某一时间点的工况数据，并以此断面开始仿真运行，进行未来工况的仿真模拟。
47.2、虚拟过程模型系统的模型同步功能
48.虚拟过程模型系统包含所有就地设备及工艺系统的仿真模型。模型同步功能依据dcs中的实时及历史数据，采用系统辨识方法在线动态更新仿真模型的各项参数，使仿真模型与就地设备及工艺系统的各项特性保持一致，最大程度保证模型的精准程度。
49.3、虚拟生产控制系统(vdcs)的数据同步功能
50.虚拟vdcs具有实时数据读取功能、实时数据存储功能，并能满足对任意历史工况数据的调取。在线仿真系统使用虚拟dcs技术，对实际机组控制系统的组态文本能够不经任何转换直接用于仿真系统。现场操作员站画面或控制系统组态修改后，仿真机操作员站画面或控制系统仿真模型即能通过下载或其它方法随之更新。
51.4、控制系统的策略验证及操作验证功能
52.基于虚拟过程模型系统，通过虚拟生产控制系统vdcs进行控制策略的仿真运行研究，试验并选择最佳的控制方案和控制参数，如进行机组控制系统的自动调节品质整定及试验、验证和逻辑保护优化验证等工作；同时运行人员可通过vdcs进行某些重要操作步骤的仿真执行，验证操作的安全可靠性，之后再从实际dcs上进行操作步骤的实际执行。
53.5、异常比对与故障预警功能
54.利用仿真软件数据库中存储的大量的历史数据，通过运行工况的识别技术建立无故障运行样本，以此提供运行参数不同运行工况下的正常运行范围，当实时运行的参数属于其中某一样本时且超出此正常值时，及时为运行人员提供参数的报警功能，发现参数异常，可以有效的发现机组运行的异常，特别是不明显的隐患。可以提醒运行人员查找原因，防止事故的扩大化，确保机组的安全运行。
55.6、超前预测功能
56.利用在线仿真获得与现场当前一致的运行状态，通过在线仿真上操作或数据模型运行，可以预测实际机组未来运行状态，提前对运行人员给予提示，指导运行人员的操作，便于运行人员做好事故预想和拟定防范措施，从而起到保证机组安全运行的作用。
57.本实施例提供的火力发电厂仿真系统，在线仿真系统是与真实物理生产过程系统并行运行的一套1:1虚拟镜像系统，包括虚拟生产控制系统、虚拟过程模型系统、在线仿真应用模块等几部分。在线数字孪生仿真系统用网络通讯接口直接从dcs系统中读取数据，实现各项仿真应用功能。
58.除此之外，本实施例提供的火力发电厂仿真系统，还研发了高精度的设备模型反算算法，建立反映仿真对象运行机理的高精度、实时的数学模型，其中数学模型中的各种特征参数需要能正确反映机组系统和设备的内在机理，在线数字孪生仿真系统需要能准确跟踪仿真对象特性并智能化自动修正。
59.研发了获取运行状态初始化工况的方法，在线仿真系统通过获取当前正在运行仿真对象运行工况数据及对仿真模型内部参数、中间变量的计算，使在线仿真系统建立与实际运行对象当前运行状态相同的工况作为在线仿真运行初始条件，初始化的范围需包括所有被仿真的系统对象，初始化后的模型必须计算稳定，不能发散。
60.研发了数据自动校验功能，对接入数据进行数据误差检验，主要包括三类，(1)数据间的微小差异而导致的数据间的不一致性，例如阀门关闭，却又存在微小流量，这种错误如果不予以校正，将导致在线的流网数学模型难以收敛；(2)由于测量装置原因引起的某些测点的跳变，例如负压，仿真系统就不能将其某一时刻的正值作为其初始化及自学习的依据；(3)由于测量装置或变送器原因，部分模拟量数据存在较大误差甚至完全错误。
61.本文提供了一种火力发电厂仿真方法，如图4所示，包括：
62.步骤401、获取用于仿真火力发电厂运行情况的仿真指令。
63.步骤402、根据仿真指令实时获取火力发电厂的生产过程数据和系统控制数据。
64.步骤403、将获得的生产过程数据输入至预先建立的初始模型，得到第一仿真模型。
65.步骤404、根据获得的系统控制数据控制第一仿真模型的运行。
66.在一种实例性实例中，运行第一仿真模型之后，还包括：
67.首先，获取携带有指定时间、指定工况的事故回放指令。
68.其次，根据回放指令从历史数据库中获取与指定时间、指定工况相对应的生产过程数据和系统控制数据。
69.再次，将获得的生产过程数据输入至预先建立的初始模型，得到第二仿真模型。
70.最后，根据获得的系统控制数据运行第二仿真模型进行事故回放。
71.在一种实例性实例中，运行第一仿真模型之后，还包括：
72.首先，获取携带有运行策略的策略验证指令。
73.其次，将获得的运行策略进行运算，得到具体运行指令。
74.最后，将获得的具体运行指令运用在第一仿真模型中，并获取指令运行结果以用于按照预设评价准则进行评价。
75.在一种实例性实例中，运行第一仿真模型之后，还包括：
76.首选，获取携带有指定生产过程数据的异常对比指令。
77.其次，在第一仿真模型中获取指定生产过程数据的参数值。
78.再次，将获得的生产过程数据与预设数据值进行对比。
79.最后，当获得的生产过程数据与预设数据值相差程度超过预设阈值，以预设方式
进行告警。
80.在一种实例性实例中，运行第一仿真模型之后，还包括：
81.首先，获取携带有指定时刻的运行情况预测指令。
82.其次，根据运行情况预测指令获取模型加速所需的系统控制数据，根据获得的系统控制数据对第一仿真模型进行模型加速，并获取指定时刻的运行情况。
83.本技术实施例提供的火力发电厂仿真方法，由于能够实时获取火力发电厂的生产过程数据和系统控制数据，并根据获得的数据获取仿真模型并控制模型的运行，因此能够使得所仿真出的模型与火力发电厂实现静、动态参数的真正结合，实现与火力发电厂的并行运行，从而对于火力发电厂运行提供丰富的指导意义。
84.本文还提供了一种在线仿真方法，如图5所示，包括：
85.步骤501、部署实时历史数据库服务器
86.在一种示例性实例中，在线仿真系统部署一台实时历史数据库服务器用于接收dcs系统发送的数据，并进行高效存储。
87.在一种示例性实例中，在网络安全方面：在线仿真系统严格按照国家电力系统网络安全等级保护的有关要求进行部署，在dcs侧配置专用接口站，接口站与仿真系统的实时数据库服务器之间部署电力专用横向单向安全隔离装置，以确保dcs与仿真系统直接的数据为单向传输；此外可根据需要在dcs与仿真系统之间加装工控防火墙(物理隔离)，在实时数据库服务器安装主机加固等软件，保障dcs系统的安全。虚拟生产控制系统(vdcs)和虚拟过程模型系统可随时进行实时和历史数据的读取，并能满足对任意历史工况数据的调取。
88.步骤502、在线仿真算法软件安装部署
89.在一种示例性实例中，由于现场通过测量获取的数据带有一定误差，此误差不能被设备模型直接使用，同时测点数据量较少导致反算已知条件不足，故需设计数据过滤清洗算法对现场获取数据通过修正和补充后作为模型反算的依据，形成准可靠数据,从而完成实时数据断面自动校对功能。然后，针对在线仿真逆向计算的特点，基于能量、动量、质量三大守恒定律，结合最优化求解算法，将微分/差分方程的逆向数值求解问题计算机实例化，最终形成一套自动反算功能的设备仿真算法。最后，建立反映仿真对象运行机理的高精度、实时的数学模型，所有的模型都能良好的反映其动态过程，具有较高的静态精确度，能够实现对仿真对象的连续、实时的仿真，仿真效果与实际机组运行工况一致。
90.步骤503、在线仿真模型调试
91.在一种示例性实例中，利用采集到的现场历史数据进行校验，首先要在线仿真运行状态初始化，能够保证数据计算稳定，初始状态可形成，然后在线仿真系统独立运行，测试在线仿真对现场运行实时数据的状态跟踪能力，以完成整套系统的正常运行。
92.本文还提供了一种火力发电厂仿真装置，包括存储器和处理器，存储器存储上保存有计算机程序，存储器上的计算机程序被处理器执行时执行如上述实施例描述的任意一种火力发电厂仿真方法。
93.本文还提供了一种计算机可读存储介质，存储介质上存储有计算机可执行命令，计算机可执行命令用于执行以下如上述实施例描述的任意一种火力发电厂仿真方法。
94.本技术描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本技术所描述的实施例包含的范围内可以有更
多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
95.本技术包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本技术已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本技术中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
96.此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本技术实施例的精神和范围内。
97.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。