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【6h】

面向自主设备云服务的水电站大规模仿真建模研究

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目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状及存在的问题

1.3 研究目标和主要内容

1.4 论文章节安排

2 水电站建模仿真的相关理论和方法

2.1 水电站仿真的复杂大系统特征

2.2 水电站主体设备的数值建模

2.3 动态模型的数值求解算法

2.4 建模思想和方法的演进

3 面向自主设备云服务的建模方法和支撑框架

3.1 水电站大规模仿真的计算环境和计算模型

3.2 面向自主设备云服务的水电站仿真建模方法

3.3 自主设备云服务建模支撑框架及核心组件设计

3.4 自主设备云服务框架的关键实现技术

3.5 自主设备云服务模型的计算资源优化调度分配

4 水电站云仿真平台总体架构和自主设备模型构建

4.1 水电站云仿真平台系统架构

4.2 水电站云仿真平台模型架构

4.3 自主设备云服务模型构建

5 水电生产主系统面向自主设备云服务建模

5.1 水电生产主系统概述

5.2 水电生产主系统模块化解耦和分割交替求解算法

5.3 水电机组子系统建模仿真

5.4 电网络子系统建模仿真

5.5 水电生产动态过程仿真算例

6 水电站辅机系统自主设备云服务建模

6.1 辅机系统概述

6.2 辅机系统分层模块化建模

6.3 辅机系统自主设备云服务建模仿真

7 面向自主设备云服务的水电站大规模仿真工程应用

7.1 工程概况

7.2 主要功能和典型操作

8 总结与展望

8.1 研究工作总结

8.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士期间发表的学术论文

附录2 攻读博士期间完成和参与的科研项目

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摘要

随着三峡等一大批大型电站相继建成投产和传统电站的智能化改造,以及国家“一带一路”水电装备“走出去”战略的实施,作为水电站运行维护培训和分析诊断研究理想平台的水电站仿真系统面临着巨大而迫切的需求。水电站仿真系统的大规模定制及互联网环境下的按需访问成为当前我国水电生产领域亟待解决的关键问题。水电站是典型的复杂大系统,涉及水力、机械、电气、计算机控制等多个领域,系统规模大、设备数量多、组成结构和运行规程多变、耦合性强、动态过程复杂、“人-机”和设备之间交互呈智能化自主化特征,运行工况难以事先编排。传统的基于水电站大系统逻辑分解和联立方程求解的建模方法对大规模仿真和智能化运行的新特征和新需求很少考虑,因而难以解决水电站云仿真平台这一新的应用和计算环境下水电站仿真系统大规模定制开发和部署中存在的模型云化解耦与融合、分布交互与协同、高并发可扩展与模型容错性等问题。本文从水电站设备运行智能化这一独特视角,以建模水电设备的自主化特征为切入点,结合云计算技术,探索与水电站大规模仿真和“互联网+水电仿真”服务模式相适配的建模理论和方法。研究如何赋予设备模型智能感知和主动服务能力,使之像真正的智能设备一样进行组织和交互,从而以符合真实水电站本身运行机制的方式进行系统解耦和模型融合。并在此基础上寻求与云计算环境相适配的模型分布式、高并发、可扩展、可容错特性的解决之道,建立“互联网+”时代下的水电站云仿真平台和运行框架,为水电站大规模仿真这一水电生产领域急需解决的重大工程实际问题提供新的建模理论和实现方案。本文的主要研究内容和创新点如下:
  1)针对水电站智能化运行特征和大规模仿真的新计算环境和新要求,提出一种与之相适配的面向自主设备云服务的新建模思想和计算模型。以水电设备为模型组织和运行的基本单位,基于云消息总线技术,无缝集成面向服务和事件驱动思想于设备模型,使其具备主动感知和自主服务这一智能水电装备的关键特性,并据此构建和真实水电站运行结构和机理相一致的松耦合组织、分布式协同、异步非阻塞并行交互的模型架构。从而在一般的SaaS云服务模式基础上拓展出新的适应水电站大规模仿真的“ADaaS”(自主设备模型即服务)云服务模式。
  2)给出了面向自主设备云服务建模方法和框架。定义和实现了框架的核心组件,包括主动感知设备模型、可感知消息、虚拟总线、模型容器等。在设计上突破了目前互联网应用中流行的无状态服务模式,即服务化架构的服务和状态数据分离模式,实现了有状态设备模型服务的“In-Memory”运行模式创新,可大大提高模型运行处理速度,保证了仿真计算的实时性。
  3)通过模型分布决策权的反转,创新性地将分布式消息发布订阅下的消息路由问题转化为模型在云计算资源节点的调度分配的经典问题。从而可采用很多经典智能优化算法对这一问题进行建模和求解,并给出了鲶鱼粒子群优化算法及最优解。同时,自主设备云服务模型由消息路决定的灵活分布方式,使得设备模型内生具备云平台下的分布式水平扩展和容错迁移能力,从而在软件模型层次对大规模仿真所需的高并发、高可用特性提供了不依赖硬件的“廉价”解决方案,可有效发挥云计算的优势。
  4)针对水电生产电气主系统强耦合特征,提出模块化解耦的分割交替求解算法,为松耦合的自主设备模型应用到强耦合的水机电动态过程提供了算法基础。提出了图形化电网络拓扑搜索算法并应用于电力系统潮流计算和故障计算。基于分割交替求解算法思想建立了单元机组和电网络各设备子系统仿真模型及其联合动态仿真过程。
  5)针对辅机系统设备种类复杂数量众多的难题,提出辅机系统分层模块化建模思路,将其分为交互层、过程层、元件层、系统层等四个层次,通过分层后的虚拟设备抽象,有效降低了自主设备建模的模型数量级。将电力系统中基于连接线融合的拓扑搜索算法拓展到流网系统,给出了通用的流网动态方程建模方法。
  最后,将面向自主设备云服务的建模方法和框架应用到某大型发电集团水电仿真中心云仿真平台工程实践,证明了该方法和框架的有效性。

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