目前， 我國電力工業(yè)進(jìn)入了一個新的建設(shè)高潮，正在新建眾多大型發(fā)電機(jī)組， 同時(shí)對已服役多年的大機(jī)組進(jìn)行改造。本次建設(shè)高潮的一大特色是要建立先進(jìn)完善的自動化和信息技術(shù)平臺，充分發(fā)揮與發(fā)電設(shè)備和人員操作緊密相連的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)字化功能，以全面提高大型發(fā)電廠生產(chǎn)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文從虛擬集散控制系統(tǒng)（distributed control system ，DCS） 技術(shù)的角度出發(fā)，根據(jù)作者的開發(fā)實(shí)踐，力圖較完整地提出大型發(fā)電廠三大實(shí)時(shí)系統(tǒng)互聯(lián)應(yīng)用的技術(shù)路線和工程方法，為擴(kuò)大應(yīng)用范圍和提升應(yīng)用層次提供一些參考。 1、大型發(fā)電廠的實(shí)時(shí)系統(tǒng) 我國的大型火力發(fā)電廠一般指安裝了多臺135 MW， 300 MW 和600 MW 發(fā)電機(jī)組的發(fā)電企業(yè)。由于是連續(xù)進(jìn)行發(fā)電的生產(chǎn)過程， 機(jī)組的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)DCS成為生產(chǎn)的關(guān)鍵系統(tǒng)， 處于運(yùn)行控制的核心地位。近年來， 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)學(xué)模型技術(shù)不斷進(jìn)步的基礎(chǔ)上，各大型發(fā)電廠在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)DCS之外，大力發(fā)展了實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)SIS（supervisory information system） 和實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)SIM（simulator system） ， 這構(gòu)成了所謂大型發(fā)電廠的三大實(shí)時(shí)系統(tǒng)。大型發(fā)電廠的三大實(shí)時(shí)系統(tǒng)是相對于非實(shí)時(shí)的管理信息系統(tǒng)MIS （management information system） 而言的， 其系統(tǒng)如圖1所示， 三大實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要功能： 1） 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)DCS 用于直接控制鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組， 實(shí)現(xiàn)邏輯和自動調(diào)節(jié)功能，保證機(jī)組的啟停和穩(wěn)定運(yùn)行； 2） 實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)SIS 主要指為火電廠全廠實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程綜合優(yōu)化服務(wù)的生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)管理和監(jiān)控的信息系統(tǒng)[1，2] ； 3） 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)SIM 用于運(yùn)行人員的培訓(xùn)，并可用于機(jī)組運(yùn)行控制和優(yōu)化分析。 這三大實(shí)時(shí)系統(tǒng)的工作目的、系統(tǒng)平臺和軟件功能各有不同，但其實(shí)時(shí)性要求都是一致的，各系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間都在100 ms 級，以滿足對大型火力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制、監(jiān)測、仿真的大容量和高速度數(shù)據(jù)計(jì)算處理的需要。同時(shí)，這三大實(shí)時(shí)系統(tǒng)的建設(shè)時(shí)間和供貨來源不同， 各自有很大的獨(dú)立性。隨著各大型發(fā)電廠高性能計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)的不斷建設(shè)完善，為了達(dá)到利用數(shù)字化技術(shù)手段提高大型機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性的目的，各方對于這三大實(shí)時(shí)系統(tǒng)的互聯(lián)和應(yīng)用寄予較高的期望，提出了非常有使用價(jià)值的應(yīng)用構(gòu)想。新的實(shí)時(shí)系統(tǒng)互聯(lián)應(yīng)用要求包括： ① 實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)到SIM系統(tǒng)的連接，能夠?qū)崿F(xiàn)對DCS系統(tǒng)的控制組態(tài)、參數(shù)設(shè)定等方面的程序下載，提高虛擬DCS的控制品質(zhì)，能更好地進(jìn)行熱控人員培訓(xùn)； ② 能夠?qū)崿F(xiàn)SIM系統(tǒng)到DCS系統(tǒng)的連接，從而進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)， 并根據(jù)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行DCS系統(tǒng)的性能優(yōu)化或異常分析；③ 能夠?qū)崿F(xiàn)SIS 系統(tǒng)到SIM 系統(tǒng)的連接， 使仿真數(shù)學(xué)模型獲得能符合某一歷史時(shí)刻的初始工況，從而為進(jìn)一步機(jī)組狀態(tài)分析提供起始運(yùn)算點(diǎn)； ④ 能夠?qū)崿F(xiàn)SIM 系統(tǒng)到SIS 系統(tǒng)的連接，使運(yùn)行監(jiān)控和決策人員可以對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行方便的比較，做出正確的判斷。 根據(jù)以上的要求，實(shí)現(xiàn)三大實(shí)時(shí)系統(tǒng)互聯(lián)的內(nèi)容就是來自于DCS的I/O數(shù)據(jù)通信和組態(tài)數(shù)據(jù)。正是有了全新開發(fā)的虛擬DCS系統(tǒng)和虛擬I/O ，才能使數(shù)據(jù)和邏輯一一對應(yīng)，使三大實(shí)時(shí)系統(tǒng)互聯(lián)應(yīng)用成為可能。 2、虛擬DCS技術(shù) 眾所周知，SIM 系統(tǒng)是帶有爐、機(jī)、電控?cái)?shù)學(xué)模型的實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)。仿真數(shù)學(xué)模型應(yīng)該是全范圍、全過程、高逼真度、相應(yīng)的DCS控制系統(tǒng)的仿真，必須包含全部I/O測點(diǎn)， 采用全真邏輯， 設(shè)置完全相同的功能模塊和控制參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)以上要求，可以采用DCS“激勵”或“虛擬”技術(shù)。目前在國外，有多個控制系統(tǒng)公司都開發(fā)了虛擬DCS技術(shù)， 其中的一些仿真控制系統(tǒng)研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)提供完整的虛擬DCS軟件包，以滿足應(yīng)用要求。在參照國外技術(shù)和深入研究各種DCS的基礎(chǔ)上， 作者自主開發(fā)了虛擬DCS技術(shù)，不僅能提供給仿真系統(tǒng)使用，也可以成為實(shí)時(shí)系統(tǒng)互聯(lián)的核心部分。 虛擬DCS（ virtual DCS） 是相對于大型火力發(fā)電機(jī)組控制領(lǐng)域的真實(shí)DCS（ real DCS） 而言的。虛擬DCS是要在非DCS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上再現(xiàn)DCS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具體地說，就是要在非DCS系統(tǒng)的Windows 平臺上，盡可能真實(shí)地由軟件再現(xiàn)建立在U2nix 或Windows 平臺上的真實(shí)DCS系統(tǒng)[3，4] 。虛擬DCS的特點(diǎn)， 是控制參數(shù)和算法完全來源于從DCS工程師站下載的組態(tài)文件， 使用與真實(shí)DCS系統(tǒng)相同的控制算法、模塊、時(shí)間片、位號等，能夠隨著真實(shí)DCS系統(tǒng)的修改與更新， 同步進(jìn)行仿真系統(tǒng)的修改與更新，能完成復(fù)雜的仿真控制應(yīng)用功能，仿真軟件的功能逼真度和可信度很高[5] 。采用面向?qū)ο驩OP（object-oriented programming） 程序設(shè)計(jì)技術(shù)， 將虛擬DCS系統(tǒng)看成通過交互作用來完成任務(wù)的功能模塊對象的集合，對每個對象用各自的方法管理數(shù)據(jù)和執(zhí)行算法[6～8] 。作者已經(jīng)和正在自主開發(fā)的虛擬DCS系統(tǒng)如圖2所示， 其涵蓋了鍋爐控制、汽機(jī)控制、電氣控制、協(xié)調(diào)控制等全部自動控制系統(tǒng)， 同時(shí)逐漸擴(kuò)展到以各主要DCS系統(tǒng)為虛擬對象。 虛擬DCS之所以能在發(fā)電廠三大實(shí)時(shí)系統(tǒng)的互聯(lián)應(yīng)用方面起到核心的作用，主要是因?yàn)槠渥裱募夹g(shù)思路具有發(fā)電廠控制接口和組態(tài)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)?？梢钥闯?，DCS系統(tǒng)的I/ O 點(diǎn)、SIS 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)庫點(diǎn)、仿真機(jī)使用的虛擬I/ O 點(diǎn)， 在位號和數(shù)據(jù)上是同一點(diǎn)； DCS系統(tǒng)的分散處理單元和虛擬DCS的程序，在軟件功能上也相同。除數(shù)學(xué)模型仿真了發(fā)電廠機(jī)組設(shè)備之外，虛擬DCS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)真實(shí)的DCS系統(tǒng)， 并對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行與現(xiàn)實(shí)完全一致的控制。在數(shù)字平臺上可以多次重復(fù)再現(xiàn)的虛擬系統(tǒng)，為進(jìn)一步分析應(yīng)用提供了前提條件。虛擬DCS的主要技術(shù)部分包括： 1） 開發(fā)虛擬DCS智能編譯轉(zhuǎn)換軟件， 實(shí)現(xiàn)對DCS下載數(shù)據(jù)庫的智能轉(zhuǎn)換和虛擬代碼自動生成； 2） 建立虛擬DCS運(yùn)行服務(wù)器， 采用面向?qū)ο蟮某绦蚣夹g(shù)，在服務(wù)器上通過程序調(diào)度， 分層分塊對整個虛擬DCS進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理， 同時(shí)提供適合于仿真控制應(yīng)用的服務(wù)器功能； 3） 提供虛擬DCS調(diào)試環(huán)境， 可以通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)瀏覽交互， 對虛擬DCS服務(wù)器上的任何對象模塊和參數(shù)進(jìn)行顯示和設(shè)置，跟蹤軟件調(diào)試或運(yùn)行的全范圍和全過程。 3、實(shí)時(shí)系統(tǒng)互聯(lián)應(yīng)用 一般情況下，大型發(fā)電廠的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)SIM主要由2 部分組成：數(shù)學(xué)模型（包括鍋爐、汽機(jī)、電氣等主要的物理設(shè)備） 和仿真DCS控制系統(tǒng)。只有當(dāng)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型和仿真DCS控制系統(tǒng)都足夠精確時(shí)，才能認(rèn)為這個仿真系統(tǒng)可以模擬對象電廠的真實(shí)操作和控制，用其進(jìn)行運(yùn)行分析和培訓(xùn)才具有真實(shí)的意義。以下的一系列實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用內(nèi)容，都是建立在電廠設(shè)備數(shù)學(xué)模型和仿真控制系統(tǒng)足夠精確，能夠正確模擬真實(shí)電廠各種可能工況的基礎(chǔ)之上的。 在實(shí)際開發(fā)中， 為了將實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)SIM、實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)SIS 和集散控制系統(tǒng)DCS互聯(lián)起來，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息共享，作者認(rèn)為可以實(shí)施以下一系列的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 3.1 校驗(yàn)數(shù)學(xué)模型 由于DCS控制系統(tǒng)仿真采用了較為先進(jìn)的虛擬DCS技術(shù)， 使得仿真控制系統(tǒng)的控制參數(shù)和算法完全來源于從DCS工程師站下載的組態(tài)文件，并使用與真實(shí)DCS系統(tǒng)相同的控制算法、模塊、時(shí)間片、位號等。可以認(rèn)為，基于虛擬技術(shù)的仿真控制系統(tǒng)的功能逼真度和可信度很高。實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)到SIM 系統(tǒng)的連接， 從而可以使真實(shí)控制系統(tǒng)和仿真控制系統(tǒng)在參數(shù)和控制邏輯上最大限度地保持一致，然后通過比較數(shù)學(xué)模型和真實(shí)物理設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，可以動態(tài)地校驗(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)。由于仿真控制系統(tǒng)的高度逼真性，使得對數(shù)學(xué)模型的校驗(yàn)具有較高的可靠性和正確性。 3.2 虛擬DCS同步更新 由于仿真控制系統(tǒng)采用的虛擬DCS技術(shù)具有很好的實(shí)時(shí)性和同步性， 能夠隨著真實(shí)DCS系統(tǒng)的更新而同步進(jìn)行更新。所以實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)到SIM 系統(tǒng)的連接，對于真實(shí)DCS系統(tǒng)的更新，仿真DCS只需要重新從工程師站上下載最新的DCS組態(tài)文件，再通過虛擬DCS智能編譯轉(zhuǎn)換軟件，生成C ++ 控制代碼重新編譯后，就完成了仿真DCS的同步更新，方便快捷， 避免由于手工編寫控制代碼而產(chǎn)生的錯誤。 3.3 校驗(yàn)DCS邏輯和參數(shù) DCS控制系統(tǒng)控制著鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)組等大型設(shè)備， 其控制的正確性和安全性是非常重要的。DCS邏輯和控制參數(shù)的修改必須經(jīng)過真實(shí)檢驗(yàn)和運(yùn)行才能應(yīng)用于現(xiàn)場。但在真實(shí)DCS上進(jìn)行檢驗(yàn)和運(yùn)行又具有極大的危險(xiǎn)性和不確定性。所以，實(shí)現(xiàn)SIM 系統(tǒng)到DCS系統(tǒng)的連接，可以利用仿真控制系統(tǒng)進(jìn)行DCS邏輯和控制參數(shù)修改和校驗(yàn)。由于虛擬DCS技術(shù)可以使仿真控制系統(tǒng)具有極高的逼真度，利用其進(jìn)行的邏輯和參數(shù)校驗(yàn)可以正確地反映真實(shí)DCS的控制過程和效果。 3.4 真實(shí)DCS與虛擬DCS數(shù)據(jù)比較 實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)SIS 利用實(shí)時(shí)通信從真實(shí)DCS上取得實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)SIM 利用千兆網(wǎng)絡(luò)通信從仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫上取得仿真數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)SIM 系統(tǒng)和SIS 系統(tǒng)的互聯(lián)，可在同一平臺上合成現(xiàn)場數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較、判斷和顯示。 仿真數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的比較分為兩大類：模擬量數(shù)據(jù)（AI ，AO） 和開關(guān)量數(shù)據(jù)（DI ，DO） 。開關(guān)量數(shù)據(jù)的比較采用一一對應(yīng)的方法，而模擬量數(shù)據(jù)由于存在著一定的偏差和滯后，將按照數(shù)據(jù)的重要程度和允許的偏差范圍分為若干類，并配有相關(guān)的加權(quán)系數(shù)，再利用報(bào)警數(shù)據(jù)庫記錄所有誤差數(shù)據(jù)值和發(fā)生時(shí)間，以便于及時(shí)的修改和查詢。 3.5 用SIS數(shù)據(jù)建立初始工況并進(jìn)行系統(tǒng)分析 實(shí)現(xiàn)SIS系統(tǒng)到SIM 系統(tǒng)的連接，調(diào)用SIS 數(shù)據(jù)庫中某一特定工況下的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)通道下載給SIM ，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的比較， 不斷地調(diào)整實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)的數(shù)值（開關(guān)量可以通過開關(guān)閥門、泵等手段使其與現(xiàn)場數(shù)據(jù)一一對應(yīng)；模擬量可以通過調(diào)整PID 參數(shù)和動態(tài)特性等方法使其與現(xiàn)場數(shù)據(jù)盡可能的接近） 。當(dāng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的開關(guān)量保持一一對應(yīng)而模擬量保持在允許偏差范圍之內(nèi)時(shí)，SIM 系統(tǒng)就建立了一個與現(xiàn)場某一工況基本相同的初始工況， 然后運(yùn)行SIM 系統(tǒng)，就可以再現(xiàn)在這一工況下發(fā)生的各種可能的現(xiàn)象和事件。SIM 系統(tǒng)通過建立各種不同的初始工況，利用超實(shí)時(shí)（super-real-time） 仿真技術(shù)， 即仿真系統(tǒng)載入現(xiàn)場運(yùn)行工況， 然后在計(jì)算機(jī)的幫助下，在高出實(shí)時(shí)運(yùn)行速度數(shù)倍的速度下模擬和再現(xiàn)電廠可能的運(yùn)行工況，短時(shí)間內(nèi)快速預(yù)計(jì)實(shí)際過程系統(tǒng)數(shù)小時(shí)、數(shù)日甚至數(shù)月時(shí)間內(nèi)的電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以制定控制策略， 消除故障隱患，調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，從而動態(tài)地保證電廠的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[9] 。 4、結(jié)語 虛擬DCS技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用， 可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)DCS、實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)SIS 和實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)SIM 的實(shí)時(shí)互聯(lián)，再結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)和各種實(shí)時(shí)通信技術(shù)， 就能充分地利用虛擬DCS技術(shù)的高度逼真性和開放性， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、模型校驗(yàn)和參數(shù)優(yōu)化等高級仿真控制功能?；谔摂MDCS這一先進(jìn)技術(shù)的三大實(shí)時(shí)系統(tǒng)DCS、SIS 和SIM 的互聯(lián)應(yīng)用，可以為大型發(fā)電廠安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供一種數(shù)字化保障。 參考文獻(xiàn) [1] 侯子良. 再論火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)[J] . 電力系統(tǒng)自動化， 2002 ， 26 （15） : 1 3. [2] 曹文亮， 高建強(qiáng)， 王兵樹，等. 電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J] . 中國電力， 2002 ， 35 （9） : 59 62. [3] 冷杉. 論虛擬分散控制系統(tǒng)技術(shù)[J] . 中國電力，2003 ， 36 （2） : 53 56. [4] ANSI/ ISA.ANSI/ ISA277.20 —1993.Fossil power plant simulators-functional requirement [ S] .USA : The Unstrumentation Systems and Automation Society ， 1994. [5] Webb K.Emulation approach of DCSin a 600 MW power plant [R] .Maryland ， USA : Report of Global Simulation Engineering System Corp ， 2001. [6] Roberts C A ， Dessouky Y M.An overview of object2oriented simulation [J].Simulation ， 1998 ， 70 （ 6） : 359 368. [7] 劉哲，冷杉，楊靜.面向?qū)ο筇摂MDPU 實(shí)現(xiàn)[J] .電力自動化設(shè)備， 2003 ， 23 （6） :54 56. [8] 陳坤，冷杉，劉哲.基于OPC的虛擬DCS對象調(diào)試軟件開發(fā)[J] .電力自動化設(shè)備，2004 ，24 （10） :39 41. [9] 徐悅，冷杉.基于APROS 組態(tài)軟件的電廠超實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng)仿真的研究[J] .工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2004 （9） :9 11.