文　摘　仿真模型的开发和建立是进行仿真研究的关键。传统的手工式建模方法不易推广掌握、成本高、开发周期长、功能受限、移植性差、模型(及子模型)间独立性差；由于缺乏建立模型程序的统一规范和标准，软件资源不易共享。为此，以MMS(模块化建模系统)为例，论述了新的模块化建模技术中的模块化划分原则、模块的规范化，并在MMS的基础上提出了开发培训仿真机模型的模块化思想。
关键词　模块化建模　电站　仿真

　　电站是仿真技术应用的重要领域。现代电站结构复杂，生产自动化程度高，各项指标要求严格，生产不但要经济，而且要高度可靠。为了保证生产的安全经济，在它的设计、制造、调试、控制、运行、技术改造、管理、科学研究和人员培训教育方面，都要用到仿真技术。
　　仿真模型的开发和建立是进行仿真研究的关键，传统的方法是由电站仿真专家直接使用FORTRAN等高级程序语言编写全部的仿真程序，这种“手工式”的建模方法有如下不足：
　　(1)专业性太强。它是面向电站仿真专业工作者的而不是面向广大电站工程技术人员的，因而不易推广掌握。
　　(2)模型开发时间较长，成本较高，不能及时解决工程问题。
　　(3)建立的模型通用性较差，不易移植，功能有限。许多模型程序是针对某一特定型号的机组或设备编写的，若要把它们修改或移植到其它型号的设备或作其它仿真目的使用，付出的工作量往往很大，难度也很大。
　　(4)模型和子模型独立性不够。比如对于省煤器、过热器类单相受热管部件，传统方法是将其压力通道与焓温通道分开计算，这样固然有增加计算效率等好处，然而其物理边界不清晰，要用这样的部件子程序组成新的模型或系统，会增加额外修改模型的工作量，同样产生了移植上的困难。
　　(5)可用性和可靠性较差。由于缺乏建立模型程序的统一规范和标准，软件质量不易校核和评估，软件资源不易共享。
　　随着计算机硬、软件技术的飞速进步，以及工程应用对仿真提出的通用、及时、方便、面向工程技术人员等技术要求的需要，在电站仿真技术领域中，明确提出了模块化建模的思想，它把电站仿真技术推上了一个新台阶。

1　模块划分原则

　　模块(Module)的概念来源于计算机硬件，把一组或一个功能部件称为模块。在计算机程序设计中，模块是指可以用名字调用的一段程序，或者说可以独立编译的程序单元。
　　模块化是指人们在设计程序时按某种原则将程序分成若干小块。通常电站机组的动态仿真程序可能包括几万条语句，例如，一台200MW火电仿真机，其数学方程有6000多个，还有大量信息要进行交换，并包含复杂的逻辑关系。把它编成一份大程序，是绝不可取的。这样的程序，不但不易读，更难调试、修改和扩充。正确的方法是采用模块化、结构化的程序设计思想，将其划分成若干大模块，大模块又调用若干中模块，中模块又调用若干小模块。在划分这些模块时，要考虑模块功能单一，相对独立。这样，每个模块可以单独地被理解、编写、调试、修改和扩充，也可以防止错误在模块间扩散，因而提高了程序的可靠性。
　　这是从程序设计角度提出的模块化思想，它是从程序设计的清晰性、可靠性、易维护性的原则出发划分模块的，称之为模块划分的普遍原则。
　　在电站系统仿真中，有不少模型开发支持系统其模块划分是建立在普遍原则基础上的。例如美国原LINK公司的仿真软件支持系统S3(Simulation Software Supports)，其仿真程序的基本组成单元为段(Segment)模块，每个段模块是一个不超过200条FORTRAN语句的子程序。这是建立在普遍原则基础上的模块划分，利于程序的调试，但因模块在数学关系和物理概念上独立性不够，模块在电站仿真上的通用性、兼容性不好。　　　
　　尽管模块化、结构化程序设计原则给大型电站仿真程序的设计、调试和维护带来了许多方便，但仍然没有摆脱传统的手工式的建模方法。随着仿真技术的推广应用，要求电站仿真程序开发工作自动化、规范化、通用化。这样，就引入了面向物理设备和仿真目标的模块划分原则(物理原则)。现以目前世界上最有代表性的电站仿真软件MMS(Modular Modeling System，美国电力研究院EPRI开发)为例，来说明模块划分的物理原则。
　　现代电站系统尽管复杂、庞大，类型、容量五花八门，仍然有许多相同或类似的基本设备和部件，它们基本工作原理、定律一样，工作过程一样，只是物理结构尺寸，运行参数不同。MMS建模的基本出发点为：如果以一种规范化的标准建立电站基本设备和部件的数学模型，将它们开发成通用的基本模块(子程序)，用其方便地组合成不同类型、不同容量机组或子系统的模型(仿真程序)，则必将大大降低建模的复杂性，增加建模的通用性，缩短建模时间。
　　建立在这一基本出发点上的模块划分原则，除满足普遍原则外，还应满足以下物理原则：
　　(1)模块是组成系统模型的基本单元，它不能再划小，系统动态模型程序是由这些基本的模块子程序组成。
　　(2)模块划分完全以独立的物理设备或部件为基础。比如，透平模块、过热器模块、阀门模块、锅炉汽包模块、水泵模块等。它们具有清晰的物理边界和足够的物理独立性。
　　(3)模块具有高度的数学独立性。它明确规定：描述该部件特性的所有方程都包含在模块内部。模块的输出根据模块本身的能量、质量和动量变化以及边界上的流体特性来计算，而不作为其它模块中变量的函数来计算。它既可作为一个基本单元参加到一个较大的系统中去，也可单独地、不附加任何其它模块来仿真确定的物理设备。
　　(4)模块具有良好的兼容性。MMS提出了模块的四个规范化：即流动属性规范化、连接关系规范化、信息供求规范化和命名方式规范化。这样就保证了模块在组成大系统时，相互连接的兼容性。

2　模块的规范化

　　MMS的四个规范化体现在以下四个方面：(1)模块的物理边界；(2)数学方程的兼容；(3)模块间的信息传递；(4)变量命名。

2.1　模块的物理边界

　　由于模块在数学上描述了电厂实际部件的动态特性，因而每个模块都必须包含所有的描述方程，同时必须有清晰的物理边界。模块边界可以是一个大部件的一部分，也可以是若干部件的组合。模块的边界必须在物理过程中易于识别，且模块的所有输出必须以该模块本身的能量、质量和动量守恒方程及边界上的流体特性为基础进行计算，而不能作为其它模块中的变量的函数来计算。

2.2　数学方程的兼容性

　　模块化最困难的地方在于要保证单个模块组合成的模型所产生的方程组相互兼容，这意味着两个相邻的模块不得用于求解同一个变量，也不得存在没有定义的系统变量。因为这将产生一组隐式的或不确定的方程。MMS的解决方法是采用阻力型模块和储能型模块分类的概念，将所有模块(或它的接口)分为两种基本类型：流动阻力型(R型)和能量或质量储存型(S型)。
　　R型模块，是指它包含的流量计算是压差的函数，并且不包含连续方程的模块，因为流动“阻力”产生了压差，R型模块可由动态或静态动量方程描述。R型模块的输出量是通过部件的流量，输入量为进口压力、出口压力、进口密度和进口焓值，出口焓值也作为输出量，它与进口焓值相等。例如，电厂中的阀门、传输管道等可以认为是纯R型部件。
　　S型模块正好相反，它对系统的支配作用是质量或能量的储存而不是压力降，它的描述方程为连续方程或能量方程，不包含动量方程。S型模块计算能量储存及其对流体出口焓的影响，S型模块的输出量为流体状态参数(压力、温度等)，输入量为进口流量、出口流量和进口焓值。电厂的各类容器、除氧器等则当作纯S型部件。
　　显然，两个R型模块不能依次相连接，因为它们都试图求解同一个流量，而此时中间压力无法确定。同样，两个S型模块也不能依次相连接，因为它们都试图求解同一个压力，而中间流量无法得到。然而，如果R型模块和S型模块交替连接显然可以获得兼容的方程组，因此，MMS模块的连接原则为：R型模块和S型模块必须交替相连，如图1所示。
 

图1　阻力(R)型、储能(S)型模块连接示意图

P——压力；W——流量；H——焓；R——密度；T——温度

　　如果实际系统中两个相连部件的接口属性相同，例如同属R型模块的阀门和管道的串联，显然不能直接相连，MMS为此设计了一种特殊类型的模块——连接模块，显然，连接模块具有S型模块的连接属性，但它不具有任何储存性质，也没有物理参数，它的作用在于计算两个R型模块之间的压力。在对实时性要求不是很高的工程分析仿真中，使用连接模块是满足模块化的需要而又不影响仿真结果的一种简单易行的方法。但是，它的引入对于实时性的培训仿真却是不利的，因此，本文有针对性地加入了功能模块。

2.3　模块内部的信息传递

　　模块内部的信息传递必须支持R型和S型模块的概念，要完整地描述一个流动至少需要三个过程变量，MMS用压力、流量和焓作为三个所需变量，但在实际应用中，温度和密度通常也作为输出量或仿真变量。

2.4　变量的命名

　　变量的命名方法应该能够加强模块化的概念，一般来说，一种命名方法应该易于辨认和输出，同时它的模式应使得在应用时不必一一记忆变量名，能够防止变量名称的矛盾，并能提供变量名自动产生的功能。
　　MMS变量名称的第一个字母表示该变量的类别，它是变量的属性，MMS模型的变量名允许用不超过6个字符的字符串表示，除了第一个字符表示属性以外，其余的字符用于表示变量属于哪个模块，是模块进口变量还是出口变量等方面的标识。有了这种命名方法，就可以避免变量名之间的混淆和矛盾。
　　总之，MMS中的模块是各自独立而又相互兼容的电厂部件数学模型，可以研究由若干模块组成的一个系统的动态特性，也可以对单个模块研究部件本身的动态特性。模块是开放式的，允许使用者在不违背模块化原则的前提下对模块进行修改或扩充，从而满足不同的需要。

3　开发实时仿真模型的模块化思路

　　在实际系统中，由于存在工质的流动，各个设备之间压力流量信号相互影响给设备模块的独立描述带来困难。为取得完全独立性和兼容性，MMS采用了对模块进行R-S型分类的处理方法，较好地增强了模块的独立性和通用性，有效地解决了模块之间的兼容性和信息传输问题。但也由此增加了系统模型的状态变量。例如，两R型模块之间要增加不对应具体设备的连接模块，从而影响了模型的实时求解；另一方面，由于热力系统往往包含着快慢程度不同的几个物理过程，是一个“病态”系统，这种方法将压力—流量通道和焓—温通道合在一个模块中，由此建立的数学模型是病态十分严重的常微分方程组，给求解带来困难。因此，这种思想用于开发工程分析型仿真模型是可行的，而在实时培训仿真模型中却存在一些问题：
　　(1)在一个本来就很庞大的电站模型中，添加许多不对应于任何具体设备的连接模块。将使计算量增加，并占用较多的执行时间。
　　(2)由于热力系统是一个STIFF系统，这种处理方法，将压力—流量通道和焓—温合在一个模块中(即自包含)，使得一些实时算法无法奏效。
　　由上述分析可得到这样的认识：为使MMS能用于实时培训仿真，必须破坏MMS模块的自包含结构。
　　从开发培训用仿真模型的角度出发，借鉴MMS的模块化思想，提出了一种适用于实时培训仿真的模块化建模思想，即：按照电厂的实际部件、部件之间的联系以及为构成实时仿真系统模型而增加的辅助手段，将模块分成：设备(部件)模块、逻辑控制模块和功能模块，这种模块化思想的实质是在部件模块的基础上根据物理过程的快慢程度将模块进一步划分为若干模块，根据其时间常数的大小选用不同的积分步长分别进行积分。也就是用质量守恒方程和能量守恒方程来描述控制体，而动量方程则用于描述包括控制体在内的一个局部子系统。比如，可将焓—温通道和压力—流量通道从模块中分离开来，利用流体网络的概念在一个子系统内完成方程的自封闭和自包含。这样处理，会牺牲一些模块的高度独立性，但在实时仿真中可以换来计算速度的提高。而且按照这种思想划分模块仍可保持模块化的特点。具体解释为：
　　(1)设备模块
　　描述电站系统中各个设备的动态特性，主要解决焓—温通道的计算。设备模块的边界即为设备的自然边界，其模块方程描述的是本设备内部的动态特性，完全独立。一个模块内部的修改对其它模块毫无影响。另外，由于电站过程中的快速变化过程变量如压力—流量已从设备模块中分离出去由功能模块计算，因此设备模块内部的动态特性(主要由能量守恒和质量守恒方程描述)比较一致。另外，有关事故的设置也在设备模块中加以考虑，并留出相应的接口和事故变量。事故有两类：一是由指导员台设定；二是由于被培训人员误操作的积累而引起。
　　(2)功能模块
　　其引入主要是为了解决电站中广泛存在的流体网络问题，重点是进行压力—流量通道的计算。包括节点模块、串联及关联网络模块。它们描述的是由若干设备组成的子系统中的压力—流量特性。与MMS处理方法不同，网络模块不是在系统中添加的模块，而是将设备中某些变量分离出来形成的单独模块，它没有因添加模块而造成额外的计算负担，而且提高了计算效率。每个网络模块所对应的子系统是电站完成某种独立功能的子系统，如循环水系统、凝结水系统、给水回热系统等。它描述的是一个子系统的压力—流量通道，实际意义比较明确。这样通过引入网络模块而将物理过程快的压力—流量通道和慢的焓—温通道分开，就可根据其时间常数的大小选用不同的积分步长分别进行积分，以提高计算效率。此外，也可将部件模块公用的计算单独编制成能被调用的功能模块。
　　(3)逻辑控制模块
　　由于电站各部分之间存在着大量保护、报警、备用、切换以及控制等操作。在模型中为了体现这种要求需编制通用的逻辑控制模块。例如，当任一台高压加热器水位高三值，要切除高加投高加旁路时，为体现这一操作，可利用高加保护模块，修改抽汽逆止门开度、高加旁路阀开度，并触发报警模块。
　　图2为利用这种思想构造的一个子系统的模块化结构示意图。图中所示的子系统由N个设备模块组成，可分别进行各自的焓—温通道的计算；由一个功能模块进行子系统全域范围内的压力—流量通道的计算与信息的传输；由逻辑控制模块进行有关保护、报警的模拟。
 

图2　一个子系统培训仿真模型的模块化结构示意

4　结语
　　由上述介绍可知，使用这种处理方法：(1)将一个子系统的焓—温通道和压力—流量通道分开，因而可以采用诸如欧拉算法等的实时仿真算法，分别使用不同的积分步长对快慢过程进行积分计算。(2)以一个子系统为单元进行其全域内的压力—流量通道的计算，并由功能模块把若干个部件的压力损失集中处理，按各设备的流导系数进行各自的压力分配，从而避免了多个连续方程的使用，因而也提高了模型的计算速度。

　　实践证明，本文提出的这种模块化建模思想对于实时仿真培训模型的开发是行之有效
的。[3、3、4]

《参考文献》

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[2]　何祖威、展锦程等.培训仿真机建模的模块化思想及其在电站凝汽真空系统中的应用.重庆电机工程学会1993年年会论文集.1993
[3]　展锦程.紧凑型电站培训仿真机的研制——汽轮机及热力系统全工况模型和软件开发.重庆大学硕士学位论文.1994
[4]　He Zuwei,Zhan Jincheng etc.PC-based Compact Power Plant Training Simulator.Proceedings of International Conference on Modelling,Simulation &Control,AMSE MSC93.Chengdu:the press of Chengdu University of Science and Technology,Vol 1,1993