一种火电发电机组运维决策数字孪生测试系统及方法与流程

本发明涉及智慧电厂，更具体地说涉及一种火电发电机组运维决策数字孪生测试系统及方法。

背景技术：

1、

2、数字孪生指的是在数字空间中构建一个能够反映物理实体的虚拟数字体，采用实际数据对虚拟实体进行数据驱动，基于数据与精确机理对虚拟实体进行实时监测分析，为用户提供应用服务。目前的数字孪生技术，大部分侧重视觉展示，即构建物理实体的三维模型，基于三维模型结合实际数据，进行视觉层面的数字孪生体数据、状态监测。还有一些数字孪生技术也对物理实体进行特性机理建模，但是特性模型为某部件或系统的开环特性数学模型，基于普通的计算机或者服务器进行计算，仅作为设备的特性验证与识别，不能将数据与设备机理相融合。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种火电发电机组运维决策数字孪生测试系统及方法，本发明提出基于rtds的硬件在环数字孪生运维决策系统，rtds中的机理模型以及励磁实物控制器能够闭环迭代运行，在实际机组数据的驱动下进行深度融合数字孪生伴随运行。本发明通过采用先进实时数字仿真技术，结合电厂相关实际历史运行数据和发电机产品级控制器，以及vr显示设备实现火电发电机组运维决策数字孪生测试系统的构建。

2、rtds全称为实时数字仿真器(real time digital simulator)是计算机并行处理技术和数字仿真技术发展的产物，是一套专门用来对电力系统电磁暂态过程进行全数字实时模拟的计算机装置。在实时仿真领域应用有三十多年历史，得到国际国内大型设备制造商、电力公司、科研机构和大专院校的普遍认可。本发明将利用rtds构建火电发电机组运维决策数字孪生测试系统。

3、为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

4、第一方面，本发明提供了一种火电发电机组运维决策数字孪生测试系统，包括：

5、实时数字仿真器，用于建立火电发电机组模型，利用火电发电机组模型模拟实际发电机机组特性并对其进行实时仿真计算；

6、励磁控制器，与所述实时数字仿真器连接，用于对实时数字仿真器中火电发电机组模型中的励磁系统进行控制；

7、火电发电机组数据采集模块，与所述实时数字仿真器连接，用于从电厂数据库中采集火电发电机组数据，并将其传输至实时数字仿真器；

8、vr显示设备，与所述实时数字仿真器连接，用于实时展示实时数字仿真器的孪生运行数据；

9、仿真器运行计算机，与所述实时数字仿真器连接，其装载有运行实时数字仿真器建模的软件，用于进行火电发电机组模型的建模、调试、优化及测试，并对数字孪生测试系统进行运行控制。

10、1、实时数字仿真器

11、优选的，所述实时数字仿真器中建立的火电发电机组模型中包括有汽轮机、发电机、励磁系统、变压器、并网开关、无穷大电网。

12、本发明中，在rtds中建立汽轮机、发电机、励磁系统、变压器、并网开关、无穷大电网的精细模型。rtds中的模型能够反应真实的发电机特性，使得仿真系统与真实系统特性趋势较为一致。

13、优选的，实时数字仿真器在建立火电发电机组模型后，根据与电厂正常运行工况的数据进行对比，迭代校准火电发电机组模型。

14、本发明中，为了得到与电厂实际运行机组相同的设备特性，汽轮机、发电机、励磁系统等的模型通过与电厂正常运行工况的数据进行对比，迭代校准各设备的模型。根据汽轮机、发电机及其励磁系统、主变压器、线路等实际参数和特性曲线，开发形成火电发电机组数字孪生系统。

15、传统的数字孪生方案以数据监测展示为主，将数字孪生对象的所有运行参数进行采集展示，建立对象的数字孪生体。这种方法不能反应对象的特性，仅仅作为实际对象的数字映射，展示各运行数据与状态监测。

16、本发明建立火电发电机组的精确电气模型，以电厂实时运行数据或者历史运行数据为输入进行高性能实时仿真，能够实时在线重现发电机的关键电气参数仿真结果。使发电机数字孪生系统能够在机理层对实际机组进行特性刻画，实现精确伴随运行。

17、优选的，所述实时数字仿真器在仿真时，实时数字仿真器监测实际运行值，当偏离数字孪生值达到报警阈值，给出运维决策建议，提醒用户火电发电机组可能有异常，包括：

18、当实际运行值偏离数字孪生值小于等于1％，提示正常运行；

19、当实际运行值偏离数字孪生值大于1％小于等于2％，提示需密切关注系统运行状态；

20、当实际运行值偏离数字孪生值大于2％小于等于5％，提示运行状态异常，请人工确认各部件状态；

21、当实际运行值偏离数字孪生值大于5％，提示运行状态严重异常，请人工确认各部件状态，并停机检修。

22、2、励磁控制器

23、优选的，所述励磁控制器为实物励磁控制器，并与所述实时数字仿真器硬接线连接。

24、本发明中，火电发电机组数字孪生主要针对电气量，为了使得火电发电机组的特性更加准确，将电气量相关联最重要的励磁系统采用产品级实物控制器。

25、优选的，所述励磁控制器与所述实时数字仿真器进行数据交互，包括电压、电流模拟信号以及励磁系统的整流晶闸管开通关断信号。

26、本发明中，励磁实物控制器通过硬接线与rtds进行数据交互，主要包括电压、电流等模拟信号以及励磁系统的整流晶闸管开通关断信号。

27、3、火电发电机组数据采集模块

28、优选的，所述火电发电机组数据采集模块将火电发电机组实际的历史运行数据，通过通信协议传输到实时数字仿真器的通信卡，所述火电发电机组实际的历史运行数据包括：有功功率、无功功率、电网电压幅值、并网开关状态。

29、本发明中，对于数据输入，火电发电机组数字孪生需要采集火电发电机组实际的历史运行数据，火电发电机组数据采集模块将运行数据通过通信协议传输到rtds的通信卡，包括：有功功率、无功功率(机端电压)、电网电压幅值、并网开关状态等，实现火电发电机组伴随运行。另外，火电发电机组数据采集模块也可采集火电发电机组的实际实时运行数据，并将其传输至实时数字仿真器。

30、本发明中，火电发电机组数据采集模块从电厂数据库中通过以太网通信协议获取火电发电机组数据，再通过以太网通信协议将数据传至rtds。

31、4、vr显示设备

32、优选的，所述vr显示设备立体展现火电发电机组设备的运行状态与运行数据，当火电发电机组设备状态异常时，vr显示设备展现三维立体世界火电发电机组设备的实际结构，在相应的部件位置进行运维决策提示及运行预警。

33、本发明中，应用vr显示设备能够立体展现设备的运行状态与运行数据，当设备状态异常时，系统能够在vr展现的三维立体世界根据设备的实际结构，在相应的部件位置进行运维决策提示及运行预警。

34、本发明中，rtds将可视化展示所需的数据通过无线通信协议传至vr显示设备侧，对数字孪生系统的运行状态及相关数据趋势等进行展示。

35、5、仿真器运行计算机

36、本发明中，仿真器运行计算机作用为运行rtds建模的软件rscad，进行火电发电机组模型的建模、调试、优化及测试，并对数字孪生系统进行运行控制，包括运行、停止、数据记录等功能。

37、第二方面，本发明还提供了一种火电发电机组运维决策数字孪生测试系统的建立方法，包括以下步骤：

38、一、火电发电机组参数获取

39、s1、获取实际火电发电机组参数，并利用火电发电机组数据采集模块获取火电发电机组历史实测值；

40、优选的，所述s1步骤中，获取的实际火电发电机组参数包括汽轮机、发电机、励磁系统、变压器的各个详细参数。

41、s1步骤中，首先得到实际火电发电机组的各个参数，包括汽轮机、发电机、励磁系统、变压器等的各个详细参数，是设备本身的参数。

42、二、建模

43、s2、利用获取的实际火电发电机组参数，在实时数字仿真器中建立火电发电机组模型，并利用火电发电机组历史实测值对火电发电机组模型进行校准；

44、s2步骤中，在rtds中对各个设备进行建模、参数设置，以及各设备的特性校准。为了得到与实际机组较为一致的特性，重点需要对发电机的参数进行优化校准，尤其是发电机的饱和特性。发电机的电磁模型目前均为基于dq坐标系的电磁暂态模型，根据发电机的设计参数进行建模。但是，在发电机大电流运行时，会进入饱和状态，此时模型的精确度取决于发电机的饱和特性。因此，根据实际机组发电机的特性，对模型进行精细优化校准，才能得到与实际机组特性完全一致的数字孪生模型。同理，火电发电机组的变压器模型也比较成熟，但是模型的精度体现在各个细节参数上。

45、优选的，所述s2步骤中，对火电发电机组模型进行校准包括：通过发电机试验测试，在同步转速发电机开路时，改变励磁电流、监测定子电压，测量得到发电机的饱和特性曲线，包括：

46、定义饱和曲线的s1.0和s1.2因数移至不饱和曲线右侧；

47、s1.0＝δi(1.0)/1.0

48、s1.2＝δi(1.2)/1.2

49、利用饱和曲线的s1.0和s1.2因数定义饱和曲线切线的点t到不饱和曲线；

50、利用饱和曲线的s1.0和s1.2因数确定发电机的饱和特性曲线。

51、优选的，所述发电机的饱和特性曲线为：

52、s＝s1.0×ex

53、

54、其中，s为饱和曲线，e为输入励磁电流if，s1.0＝δi(1.0)/1.0，s1.2＝δi(1.2)/1.2。

55、三、火电发电机组数字孪生系统构建

56、s3、利用校准后的火电发电机组模型，对火电发电机组进行实时仿真计算，构建火电发电机组运维决策数字孪生测试系统。

57、本发明在火电发电机组运维决策数字孪生测试系统中：

58、火电发电机组数据采集模块从电厂数据库中通过以太网通信协议获取火电发电机组数据，再通过以太网通信协议将数据传至rtds。

59、励磁控制器通过硬接线与rtds进行数据交互，主要包括电压、电流等模拟信号以及励磁系统的整流晶闸管开通关断信号。

60、rtds将可视化展示所需的数据通过无线通信协议传至vr显示设备侧，对数字孪生系统的运行状态及相关数据趋势等进行展示。

61、仿真器运行计算机的作用为运行rtds建模的软件rscad，进行火电发电机组模型的建模、调试、优化及测试，并对数字孪生系统进行运行控制，包括运行、停止、数据记录等功能。

62、本发明的有益效果：

63、本发明提供的火电发电机组运维决策数字孪生测试系统，充分利用实时数字仿真器强大的实时仿真计算能力，能够精确实时的模拟实际发电机机组特性，并且能够实现实时仿真计算，即可以结合实物励磁控制器组成半实物数字孪生系统。

64、本发明提供的火电发电机组运维决策数字孪生测试系统，应用vr显示设备能够立体展现火电发电机组设备的运行状态与运行数据，当火电发电机组设备状态异常时，系统能够在vr展现的三维立体世界中根据火电发电机组设备的实际结构，在相应的部件位置进行运维决策提示及运行预警。