1概述仿真机技术是随着电子技术、计算机技术和复杂的工业生产过程技术的发展而成长起来的。世界上仿真技术的应用始于20世纪40年代中期，初始应用于与战争相关的领域，继而延伸至核反应堆的仿真研究。
1958年开始有飞机仿真器和全范围核电厂仿真器出现。1971年仿真机技术开始由核电部门转向火电部门。1973年法国建立了第一个全范围数字式火电机组仿真机。我国仿真技术的研究与应用开展较早，发展迅速。自50年代开始，在自动控制领域首先采用仿真技术。
60年代，在开展连续系统仿真的同时，已开始对离散事件系统的仿真进行研究。进入70年代后，仿真技术开始应用于航空领域，随后电力行业的相关院校开始进行仿真机技术的研究和应用。清华大学于1976年开始研制200MW火电机组仿真机。
1986年，华北电力大学建立了国内第一个火电机组仿真机培训中心。1979年，美国三哩岛核电站发生严重事故后，人们认识到了仿真机的社会效益，在世界范围内掀起了研制电站仿真机的热潮。至1986年底，全世界共有200多台火电机组仿真机投入使用。我国是在大同、秦岭电厂发生严重事故之后，1988年原能源部向各省局发文，要求建立各省局的仿真培训中心。
80年代后期，我国仿真技术人员消化吸收国外技术，开发自主技术，使我国电力仿真技术得到了快速发展。进入90年代，国内电力发展异常迅猛，火电机组仿真机的应用和发展得到了巨大的促进。
从上述历史情况可以看到，我国的火电机组仿真技术的发展并不算晚，并且较早地了解了国外仿真技术的状况，因而，我国是除发达国家外唯一拥有先进仿真技术的发展中国家，技术水平也达到了国际先进水平。我国自从有了火电机组仿真机的自主研发能力后，仿真技术的发展主要体现在以下方面。
2系统结构的发展2.1基于Windows／NT的仿真系统的兴起最初仿真机的硬件系统结构基于以小型机或工作站为主机，通过本机接口和8～128路接口板与外部设备进行通讯，接口通讯速度在10～20Mbps。仿真机支撑系统基于OS／32操作系统或UNIX操作系统。这种结构的仿真机其硬件系统的建设和维护需要投入大量的人力、物力和财力。
随着计算机技术的进步，微机运算速度及其他性能均远远超过了过去的小型机，Windows／NT操作系统的应用领域越来越广。90年代后期，许多仿真机研发单位进而转向采用以PC服务器为主机的基于Windows／NT以太网的仿真机的系统结构，整个火电机组仿真系统的结构如所示。
该系统主要由服务器（兼教练员站）、操作员站（包括DCS站、DEH站、就地站）、多媒体站（用于火焰、水位仿真）、硬盘台接口站等组成，各台计算机通过以太网连接，通讯速度达100Mbps。系统的数据库采用分布式数据库，服务器上存放中心数据库，在其它计算机上存放本地数据库。服务器是仿真机的中心，它负责火电机组数学模型的计算，模拟设备的运行状态，并将实时计算信息写入分布式数据库中，同时还执行任务调度、故障设置、培训评分等功能。操作员台用于培训学员，学员在其上进行实时操作。
与过去的仿真机相比，这种系统结构更加合理，仿真机的硬件成本大为降低，系统管理更加灵活、快捷，更加适应电厂仿真培训的需求。目前基于Windows／NT操作系统的仿真机已成为主流。
2.2基于Web的仿真系统基于Web的仿真系统是一种新兴的仿真系统，它是由服务器和客户端组成的。服务器又分为主服务器（负责管理整个仿真系统）、Web服务器（负责用户的Web接入）、视频服务器（负责发送相应的视频流到客户端）。
Web服务器与视频服务器都由主服务器管理。整个仿真系统可与连接在Internet上的计算机进行通讯。用户登陆网站，进行用户的注册，仿真系统的Web服务器侦听用户的合法性后，允许用户下载对应的客户端软件，然后将该用户与仿真系统进行虚拟连接，使该用户与仿真系统间进行数据交流，进行在线仿真操作。这种仿真系统允许不在同一地区、距离相隔很远的客户端平台，在同一个时间内，同一工况下，完成协同操作，具有远程培训的功能。
基于Web的仿真系统可以使仿真机的软、硬件资源得到更充分的利用，也使培训费用的支出大为降低（可节省差旅费），同时，也为不在同一地区的电厂运行人员之间相互切磋技艺提供了便利条件。
2.3仿真机系统与实际电厂机组的DCS系统及电厂SIS系统的联接目前，仿真技术不仅仅应用于简单的单个系统，也应用于由多个系统综合构成的复杂系统。发电厂的机组实时控制系统DCS，仿真机系统SIM与厂级监控信息系统SIS，被称为大型发电厂的三大实时系统。许多发电厂都在采取将这三大系统通过千兆以太网联接成一个大的系统，从而使仿真机系统SIM可以从SIS系统中获取机组实时数据，以便于修正仿真机系统的数学模型，使仿真机的运行过程更加真实；同时，电厂技术人员通过仿真机系统能够获得各种控制系统分析、运行分析、事故再现及事故预想等研究结果。
实现三大实时系统的互联，有赖于DCS系统的开放性。DCS可以通过虚拟DPU对仿真机系统开放，实现DCS与仿真机系统的联接。DCS的虚拟DPU具有与真实的DPU一致的组态数据，可以对仿真机的数学模型进行与现实完全一致的控制。SIS系统采用一个接口机分别连接各个机组的DCS系统及仿真机系统SIM进行数据采集和获得试验数据。
3建模技术的发展3.1逐条编写程序向模块化建模方向发展某些仿真机研发单位，如原清华大学仿真部、江苏电力仿真技术中心等，最初通过逐条编写程序建立仿真机的数学模型，再将庞大的程序进行调试，不但程序要能运行，还要使模型特性计算得正确，由于模型软件十分庞大（要计算出十几万个变量参数），建模和调试的工作量很大，开发一个机组的全仿真机模型要十几个人干上二至三年才能完成。
为了方便模型工程师开发模型软件，华北电力大学仿控所于1986年，深圳市本鲁克斯仿真控制公司于1990年，清华大学仿真部于1995年，江苏电力仿真技术中心于1999年，有了支持模块化建模的仿真机支撑软件，开始采用模块化建模技术。
模块化建模是预先将电厂中每个设备分类，分别对各类设备用“描述对象共性的方程式”建立各自的数学模型，并集成各自的算法模块（对反映对象个性的参数，在模块中设为可在线修改的常数）。这些算法模块被放在算法库中供建模时调用。之后，模型工程师将成千上万个调用一定算法的模块，通过输出变量与输入变量进行有机的联结，就联成了整个机组的数学模型。模块化建模使建模过程变得简便、快捷，模型调试方便。
3.2图形化建模技术的发展图形化建模是在模块化建模的基础上，使仿真支撑系统与专用或通用的绘图工具软件相结合，利用仿真图形文件编辑器编制电厂设备的图形单元库，每个图形单元与算法库的设备算法源程序模块建立一一对应关系，建模人员根据电厂生产流程，将设备图形单元进行直观的连接，形成生产流程图，由支撑系统识别设备图形单元和生产流程图，自动生成该系统的模型文件。图形化建模直观、方便、快捷，概念性强，调试容易，也有益于出厂测试前的模型审查及验收后的维护，它是国内外先进支撑软件的发展方向。
3.3由亚临界机组仿真向超临界及超超临界机组仿真发展如今，亚临界机组的仿真技术已经发展得很成熟了，而超临界及超超临界机组的仿真技术还有待于提高。
与亚临界机组相比，超临界机组、超超临界机组的运行参数高，部件材质差别大，辅助系统更为复杂，其运行方式与常规机组也有较大的不同。由于人们对超临界机组的认识以及在实际运行上存在许多问题，促成了超临界及超超临界机组仿真技术的发展。超临界及超超临界与亚临界仿真建模的原理大同小异。
二者动态特性相同的系统，在建模时可以彼此借鉴或者在大多数情况下是通用的。超临界及超超临界直流炉与常规亚临界汽包炉的最大的差别在于水冷壁系统、锅炉启动系统与汽机旁路系统。但就建模而言，最主要的差别在于水冷壁两相区段的建模。由于水冷壁中工质的状态随着工况的变化在不断地变化着，如何解决好水冷壁建模区段的划分、不同工况下模型的切换等问题成为超临界仿真建模的关键。
4仿真培训控制功能软件的发展培训控制功能软件用于教练员控制仿真机培训的整个过程。典型的培训控制功能软件包括以下功能：（1）装入／存贮模型；（2）装入／存贮机组的运行工况；（3）在培训中设置机组设备故障；（4）模型加速、减速功能；（5）模型冻结／解冻功能；（6）记录和返回（能连续记录仿真状态数据，使培训可以返回到过去的某一状态，重新开始）；（7）记录和重演（能连续记录控制界面上的状态参数和操作，以便仿真机能自动重新演示从过去某一时刻开始的全部运行过程）；（8）改变外部参数（允许教练员改变环境温度、环境压力、燃料性质等参数）；（9）学员成绩评定功能（备有机组运行参数的监视和记录系统，允许教练员构置评价标准，从而客观地评价学员的培训情况）。
上述功能中，除了“学员成绩评定功能”外，其它功能在绝大多数仿真机上都很完善，而“学员成绩评定功能”由于实际运行操作过程的复杂性、学员个体情况的差异性，因而总有一些情况不可预测，导致学员成绩评定结果出现误差。“学员成绩评定功能”的使用还存在着局限性。因此，此项功能还有待于进一步发展。
5操作员站仿真技术的发展5.1DCS仿真技术的发展仿真的机组控制系统和实际机组的控制系统的相似程度直接决定了仿真机的质量。过去，对控制系统控制逻辑的仿真是根据实际控制系统的逻辑图和机组操作规程等资料，以建立控制系统数学模型的方式来实现的。由于电厂控制系统的复杂性，使得这种方式的工作量巨大、开发周期长，只能部分地、近似地实现仿真。后来许多仿真机研发单位转向翻译实际DCS控制组态，再编制实际DCS控制系统的算法模块库与之对应，生成仿真的控制系统数学模型，相对减小了控制系统建模的工作量。
对于DCS人机界面的仿真，早先是通过硬盘台来实现的。后来随着工业生产过程控制技术和计算机技术的发展，运行人员逐步从以往的面向仪表、盘台转为面向计算机CRT屏幕，用鼠标和键盘完成主要的运行操作。在这种情况下，开发适合电厂运行人员培训的全CRT的火电机组仿真机势在必行。此后，带硬盘台的仿真机向全CRT仿真机发展。因此，对于DCS人机界面的仿真也相应地变为用工业控制组态软件（如Intouch／iFIX等）或专用／通用的图表工具软件（如Visio等），根据现场操作员站画面重新制作仿真的操作员站画面，及构置操作响应的配置信息，并由仿真机支撑系统实现人机界面与仿真机模型的通讯，从而模仿实际DCS的人机界面和功能。这种仿真方式在画面和操作方式等方面难以与真实系统完全一致，且修改和维护困难。后来一些仿真机研发单位采用将实际机组DCS操作员站的画面文件转换成能在微机上运行的仿真机操作员站画面，转换出来的画面非常逼真，并包括电厂运行所需要的全部操作功能。提高了人机界面仿真的效率。
90年代末期，一些仿真机研发单位采用购买实际机组DCS的DPU硬件，将实际机组DCS控制系统的组态结果和人机界面的组态结果向仿真机软件进行映射，用实际DCS的硬软件系统对炉、机、电系统模型进行控制。
近年来DCS系统仿真技术的最新发展，是采用虚拟DPU方式，将实际DCS控制系统的组态结果和人机面的组态结果向仿真软件自动映射。虚拟DPU是指用于DPU仿真的软件系统，其中保留了实际DCS的数据总线。和实际的DPU一样，虚拟DPU可装载和运行控制逻辑和人机界面的组态，可以达到与硬DPU一样的效果。在仿真机的数
据总线和实际DCS的数据总线之间加入了一个接口程序，使得虚拟DPU、数据网关等可以连接到仿真系统中，从而实现仿真机模型和虚拟DPU的通讯，以及完成虚拟DPU的状态控制，包括：虚拟DPU的运行与冻结、保存和读取工况。在仿真机中使用虚拟DPU，在完全实现控制系统的仿真的同时，可将DCS操作员站、工程师站与仿真机连接，构成和现场DCS非常相似的仿真系统。
这样的仿真机能及时跟上电厂的变化，避免了因控制系统修改、升级导致的“过期”。这种方法同时避免了控制系统建模过程中的人工错误，为电厂控制系统分析提供了极大的便利。这一技术的发展使得对DCS的仿真更加高效，更加逼真。
5.2就地系统的仿真最初对就地盘的仿真采用硬盘台的方式，后来随着DCS人机界面由硬盘台向CRT方向的发展，就地盘也改用CRT的方式。因此，对于就地盘的仿真也相应地变为用工业控制组态软件或图表工具软件，根据实际机组的系统图和培训需求，设计制作就地操作员站系统图画面，及构置操作响应的配置信息，并由仿真机支撑系统实现就地操作员站与仿真机模型的通讯，以完成实际机组主控室外的一些必要的操作。
近年来，一些仿真机研发单位试图以虚拟现实的方式实现就地系统的仿真。此项研究的进展和深度还属于初期阶段，与国际的研究水平尚有很大的差距。
虚拟现实是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用传感装置（头盔显示器、图形眼睛、立体声耳机、数据手套、数据服、脚踏板等）把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起，给人一种身临其境的感觉。可用于实现火电机组仿真机就地系统的巡视、检查和操作，或者用以代替某些费时、费力、费钱的真实试验，以及真实试验无法开展的场合。
虚拟现实技术的核心是建模与仿真。通过建立数学模型对人、物、环境及其相互关系进行本质的描述，在计算机上实现。要着重解决人的感觉环境的仿真生成技术，其中包括视觉、听觉、动感、力反馈等仿真环境。要求虚拟系统具有良好的人－机界面，解决好人与仿真机之间的接口关系与功能分配。
6结束语我国火电机组仿真技术持续发展近三十年，经历了许多艰难曲折的过程，用户的需求是仿真技术发展的源泉，仿真技术人员艰苦卓绝的奋斗和努力是仿真技术发展的原动力，计算机信息与网络技术、工业过程控制技术在火电机组仿真技术的发展中得到了淋漓尽致的应用。目前国内有火电机组仿真机近200台。这些仿真机的应用，为我国电力的大发展提供了有力的支持，作出了巨大的贡献。
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