近年来，随着经济高速增长对电力需求的加大导致了电力供应紧张，必须大力进行电站建设。新机组的大部分运行人员没有实际运行经验，短期培训或理论进修又不能保证操作的安全性，因此发展电站仿真技术就显得尤为重要。在当今世界上，采用仿真机来培训人员普遍取得了良好的效果，并已逐渐成为一种法定的培训方式。随着发电技术的进步和计算机性能的不断提高，特别是计算机容量和运算速度的不断扩大和提高，人们对电站仿真技术提出了更高的要求，即不断扩展其功能，更好的为电力生产的运行分析及科学研究服务。
　　
　　一、电站仿真技术的发展历程和现状
　　
　　1.1国外研究情况
　　
　　国外电站仿真技术和仿真机的发展大致经历了以4个阶段:
　　
　　*阶段为仿真技术的萌芽阶段。在1968年以前，采用模拟式计算机作为主要手段，1968年日本开发了*台核电站仿真机，采用的是数字-模拟混合式计算机，包括一台数字式计算机和两台模拟式计算机。
　　
　　第二阶段是仿真技术的发展阶段。在1968年以后的10年间，发电机组容量的不断增加和数字式电子计算机的发展并被广泛应用，促使各国采用数字计算机作为仿真研究的主要工具，迅速开展了核电站和火电站仿真技术研究，并开发了全范围、较高精度的仿真机。
　　
　　第三阶段也即电厂仿真技术的成熟阶段。在1979年至1988年间，*国家大量发展全范围、高精度的电站仿真机。在这一阶段，所有国家对电厂仿真技术提出了两点原则性的要求:真实地复制电厂控制室;实时地复现生产过程和动态过程。
　　
　　第四阶段是西方停顿，中国大发展阶段。20世纪90年代，西方发达国家电力工业发展处于停顿状态，新电厂建设在减少，因此电厂仿真技术的发展也逐渐处于停顿。相反，这个阶段电厂仿真技术在中国有着迅猛的发展。
　　
　　1.2国内研究情况
　　
　　我国的电站仿真研究始于1976年，清华大学热能工程系以国产200MW燃煤发电机组为对象，开发研制了我国第1台正式用于培训的实用性仿真系统。该系统于1983年完成并投入使用。自20世纪70年代中期至今，电站仿真机以惊人的速度发展，仿真技术也达到了*水平。
　　
　　目前，所投运的仿真机大都以培训电厂运行操作人员为目的。为适应发电技术的进步及满足电力生产安全、可靠性的需要，电力部门要求电站仿真机能不断扩展功能，除培训功能外，还应有生产运行、性能分析和故障诊断等科学研究功能。同时，随着仿真机数量的增加及市场逐步萎缩，仿真机生产厂家为了扩大市场，扩大仿真机的应用范围，在仿真技术和功能扩展方面展开了深入研究，进一步促进了电站仿真机的发展。
　　
　　二、仿真模型开发的方法及仿真原则
　　
　　2.1基于传统语言仿真模型的开发
　　
　　计算机技术的发展和语言的出现，为电站系统仿真计算奠定了基础。当计算机技术的发展还未羽翼丰满之时，电站系统中的性能分析都要依靠手工计算来实现。由于手工计算周期长、效率低、准确性差，无法满足实际要求。因此计算机技术和语言的发展使设计工作人员从繁重的计算中解放出来，将主要精力放在了新产品的开发及提高产品的质量上，这是电站系统性能计算的一次革命。
　　
　　传统的电站系统计算采用语言编程的办法，将整体系统分解成各个子系统，然后针对每一个子系统进行分析研究，编制子程序来完成子系统的性能分析或热力计算，子程序留有接口进行程序间数据信息的传递与反馈，由统一的主程序进行数据管理。虽然整个计算过程zui终生成一次可执行程序，但已初显模块化设计的主导思想。对于性能计算来说，这种方法*于手工计算，解决了许多手工计算无法实现的目标，节省了大量的人力和财力。然而，传统的编制方法也有其自身的弊端:
　　
　　（1）设计使用面窄。某一可执行程序只为某一电站系统甚至某一工况下的汽机系统或锅炉系统而设计，一旦改变了外界条件，如改变程序所描述的系统对象或改变工况参数等，结果会导致这些程序无法进行自我判断、自我修正，生成与外界条件变化不相对应的计算结果。
　　
　　（2）实时计算和观察性差。所有的操作采用的是文本命令交互方式，复杂且不便于理解和记忆。计算结果也都是以文本的形式生成，只能事后对数据进行趋势描绘，无法实时监测系统的动态变化过程，显示想要观察的实时趋势。
　　
　　（3）故障的设置不便捷。故障设置是培训运行人员和热控人员的重要手段，电厂中的故障有300多种，每一种故障都会使相应的设备产生对应的动作或结果，如水冷壁损坏、凝汽器水位下降、发电机励磁等，对于这些故障，都要求程序作出相应的自动判断和紧急处理。而且故障的种类并非一成不变，如果遇到了新的故障，就要将这种故障记录在故障库中以便今后培训使用。此外，还有对特殊情况的处理，如遇到冷态启动过程，往往需要20h，操作人员就会在仿真时白白浪费20h，因此就要做到加快程序的计算速度。
　　
　　对于切仿真系统应该能够实现的操作，一次可执行程序就突现其弱点修改源程序。这种修改并不是简单的数值上的修改，而是结构上的变动，甚至有可能是代码的重写，因此，我们就应该去除弊端，使程序的设计更加"人性化"。基于图形组态的仿真模型的开发，始终坚持"计算机适应人"的原则，在设计思想上借鉴了面向对象的认知方法，采用目前通用的Windows人机界面的平台。这样的设计不但使得人机界面更加友好，而且能够更好的利用Windows资源，使组态软件的功能更为*。
　　
　　2.2基于图形组态仿真模型的开发
　　
　　基于图形组态仿真模型的开发采用面向对象的方法作为一种新的程序设计思想和认知方法，其基本特征为:信息隐蔽（或封装）、数据抽象动态连接和继承。与传统的采用语言进行编程相比，面向对象的程序更具备模块化功能。由于表达概念广泛和代码复用能力强，当系统结构发生变化时，不必对代码进行修改，只需作图形层面上的设计即可。
　　
　　以风烟系统为例，介绍用面向对象方法建立风烟系统仿真模型的基本原则:
　　
　　（1）利用对象的概念来表示风烟系统的各子系统和部件。
　　
　　（2）利用封装实现对象内部属性的屏蔽，而利用信息传递完成对象间的通信。
　　
　　（3）利用继承来表达对象类之间的属性继承关系，使得每一个对象类按"基类"、"派生类"的概念构成一种层次结构。
　　
　　2.2.1对象的介绍
　　
　　面向对象的方法认为风烟系统的各子系统、各部件都是研究对象，任一对象都包括2个部分:①具有"数据"属性和"过程"属性的各种实体对象;②对象之间的相互作用关系。"信息"行为和"响应"行为，即对象在通过信息的传递确定了自身数据属性的状态之后，其过程属性处于"激活态"。对象的各种属性和行为的总和就构成了关于对象描述集合。对应于风烟系统各研究对象，其数据属性是对象的特性参数与输入输出参数;过程属性是热力计算和相应的辅助计算过程;而对象之间的"信息"行为是对象间的输入输出参数的传递，"响应"行为则是相应热力计算过程的触发。具有这些特征的各个子系统、各部件的对象模型总体就构成了风烟系统的面向对象的模型系统。
　　
　　风烟系统大致上包括一次风系统、二次风系统、引风机系统和空预器系统。细分为甲侧与乙侧。在传统风烟系统划分的基础上，可将风烟系统划分为如图1所示的对象体系。图1中所示的层次分类模型的主要部分是风烟系统的两层系统，而第四层的部件对象主要有空预器部件、送风机部件、引风机部件、暖风机部件等，从而与各级子系统构成完整的风烟系统对象模型体系。
　　
　　2.2.2山东胜利电厂风烟系统设计
　　
　　下面以山东胜利电厂2×220MW机组风烟系统中的"空气预热器"为例（其他设备如是）来说明部件对象的数据属性、过程属性和实体间响应行为的描述，以此加深我们对模块建立的理解。本例对回转式三分仓空预器建立内部的能量方程、动量方程和质量守恒方程。图2中的图形单元描述了"回转式三分仓空预器"。
　　
　　（1）数据属性。静态内容:设备固有的属性（尺寸、形状等）。对象名称:空气预热器模块;参数名说明:入口、出口空气烟气流量Wg1、Wg2；入口、出口一次风和二次风压力Ppair1、Ppair2和Psair1和Psair2;入口、出口一次风和二次风温度Tpair1、Tpair2和Tsair1、Tsair2；数据特性：某一时刻的静态数值量，与时间无关。
　　
　　（2）过程属性。过程属性是指用特征方程来描述空气预热器部件的动态特性。直接根据实物进行理论分析是不现实的，由于动态特性直接反映了系统部件的特性，所以我们借助于动态特性来研究，这样在仿真实际系统变化过程的同时得到的适用于实物的某些结论和推测可以指导系统的安全、经济运行以及培训电厂运行和热工人员。建立模型之前，我们只有了解了动态特性方程才能够掌握部件的内部机理，例如，一次风的阻力计算方程
　　
　　一次风区金属壁温
　　
　　（3）响应行为的描述。响应行为的描述包括:输入输出参数校核过程、属性参数获取过程、动态计算过程和模型的其他运算过程。这种面向对象建模的方法（尤其是具有复杂结构和内部过程的大系统）非常接近人类本身认识和描述某一事物的习惯。风烟系统zui终可以由各子系统、各部件对象实例组合而成。由于风烟系统模型体系中任一个子系统或部件都是对象，对象组合zui终即是风烟系统对象。仿真计算正是针对这些对象的一种信息响应行为属性，因此整个系统的仿真过程就变成了各模型对象之间的一组特定的信息响应行为，可以根据需要及时触发。另外，由于采用了面向对象的方法对风烟系统的模型体系进行封装，使得我们可以用一种搭积木的形式连接部件对象进而组建整个系统，从而使这种模型体系对系统组态的适应性大大增强。当系统中配置发生改变时只需添加相应子系统和部件对象实例模块并改变对象间的信息传递方式即可。
　　
　　2.2.3仿真模块的介绍
　　
　　有了对部件对象的了解，我们就可以对其建立仿真模块。实际上，电站系统是一个庞大而复杂的系统，包含上万个设备（或功能、流程）。当我们对系统进行分析时，并不需要对每一个设备都要建立一个部件对象，因为过多的部件对象会导致管理系统操作异常复杂。对设备内部的机理进行研究，就会发现这些设备不外乎若干个类别。譬如，整个风烟系统中用了许多阀门，它们的形状不同、功能各异，但可以粗略地分为两类:可调节型、不可调节型。将属性相同或接近的部件加以抽象构成多个具有共性的部件类，而具体设备、过程、关系则看作某部件类的实例。将部件类具有共性的内部过程和结构特性用一段子程序来表达形成该部件类的算法。一个算法由若干输入输出参数、内部参数及特征系统参数构成，各参数间满足特定的物理或逻辑关系。在模型开发过程中根据某类部件的具体数量多少可创建多个模块，构成该类部件的多个实例。同类部件模块的结构*相同，不同的只是表征具体设备特性（结构、物性参数等）的模块参数值。设备分类的方法是人为的，但原则上按照工质流程、信息流向、功能、设备的自然边界来划分。以往的建模方法直接以系统为对象，如果系统结构发生了变化，要完成相应的功能，就要*重新编写算法并进行测试。在面向对象的组态式设计思想中，对于简单的设备，可以将一个实际对象切分成许多实例模块，用多个算法来描述，这样既简化了问题，又可以提高代码的重复利用率，在很大程度上避免了传统编程重复性的繁琐工作。因此，当我们利用模块创建系统时，将不同实例模块的输出参数和输入参数按照系统流程、内部逻辑等关系依次相互连接，就会形成整个系统的模型。模块的输入来自于其他模块的输出或者数据采集系统接口等数据源，模块的输出供其他模块的输入使用或用于显示。
　　
　　综上所述，组态仿真的设计思想就是打破传统程序设计的单一化思维，不再面向程序，而是面向设备或系统，使程序更加有思想，更易操作。
　　
　　三、电站系统的仿真原则
　　
　　现代化的火力发电厂除了锅炉、汽轮机和发电机这些主要设备外，还有大量的辅助设备。为了对这些复杂的系统有一个明晰的分析和认识，仿真中一般将电站系统分为锅炉系统、汽轮机系统和电气系统三部分。每一个系统都有自身的特点，本节以山东胜利电厂2×220MW机组风烟系统为例介绍一下仿真的原则。
　　
　　风烟系统由送风机、引风机、一次风机、空气预热器组成。在炉膛中，煤粉与空气混合燃烧后，首先以热辐射的传热方式将大部分热量传送给布置在炉膛四周的水冷壁。然后炉膛内的烟气上升进入水平烟道，在这段烟道里烟气以辐射和对流并存的两种传热方式将热量传给过热器和再热器，把饱和蒸汽加热升温成为过热蒸汽。继而烟气进入尾部烟道，尾部烟道内装有省煤器和空气预热器，以利用烟气中的余热加热锅炉给水和预热空气，这时烟气己被冷却到120～150℃，经除尘器除尘后由引风机将其排入烟囱。在实际仿真中，参照上述工质的流程以及设备之间的连接关系，在仿真组态软件中，通过各个对象模块之间的相互连接便zui终构成了整个风烟系统。这正是基于图形组态仿真的一个显著的特点。
　　
　　仿真中的数学模型应包括送风机、引风机特性方程，调节阀门的调节特性方程，空气预热器特性方程，以及各设备和部件段的质量、动量、能量方程。并作为一个流体网络来求解风烟系统各处的压力、流量、温度、漏风量和烟气中含氧量等参数。所涉及两参数有送风机系统风压、悬浮段负压、燃烬室负压、烟道处负压等。对于循环双流化床锅炉来说，炉膛负压的控制调节是很重要的。炉膛应保持一定的负压来保证锅炉的安全运行，同时控制炉膛漏风量来提高锅炉效率。除此以外，在仿真的数学模型中，还要满足一些事故仿真的需要，例如空气预热器泄漏和积灰、过热器或省煤器爆管、受热面积灰、吹灰、尾部积炭着火等。
　　
　　四、结论
　　
　　基于图形组态的电站仿真系统在结构上已突破了传统的仿真概念，逼真的仿真操作界面，灵活的组态结构为电站仿真系统建模提供了简洁明了的手段。这种方法已经成功地运用于山东胜利电厂新型分散式仿真机中，经过实际运行和操作后得到了各方的认可与好评。