CN112558496A - 核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，包括上位机平台和实时仿真平台；上位机平台包括上位机管理模块和柴油机仿真模型，上位机管理模块运行上位机管理软件及与实时仿真平台通讯，通过上位机管理软件对柴油机仿真模型进行配置管理、对待测调速器进行参数修改和数据的查询读取；柴油机仿真模型用于柴油机仿真建模和参数配置管理；实时仿真平台包括柴油机实时仿真模块，根据柴油机仿真模型的实时运行数据和仿真模型数据产生柴油机实际转速。本发明核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统通过柴油机仿真模型给待测调速器提供了测试环境，构建了完整的闭环控制回路，实现了调速器的功能测试和验证，降低调速器在柴油机现场测试风险和成本。

Description

核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统

技术领域

本发明涉及核电厂领域，尤其涉及一种核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统。

背景技术

核电厂应急柴油发电机组作为应急电源系统，其作用是在丧失正常供电时，为应急母线提供应急电源，确保重要设备的连续供电。调速器作为应急柴油机调速系统的核心，通过控制喷入引擎中的燃油来实现柴油机在给定的转速下输出一定的功率，并确保整个柴油机系统运行稳定响应及时。

确保调速器稳定可靠运行十分重要。但原有技术中，由于对电子调速器缺少有效测试验证手段，导致以下不足：在对调速器离线检测时，由于缺少被测对象及其他外围设备，无法完全构建调速系统，导致调速器不能形成闭环控制回路，调速器功能无法全面检测和验证。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对以上缺陷，提供一种改进的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，包括上位机平台和实时仿真平台；

其中，所述上位机平台包括上位机管理模块和柴油机仿真模型，

所述上位机管理模块用于运行上位机管理软件及与所述实时仿真平台通讯，通过所述上位机管理软件对所述柴油机仿真模型进行配置管理；同时所述上位机管理模块还对待测调速器进行参数修改和数据的查询读取；

所述柴油机仿真模型与所述上位机管理模块相连接，所述柴油机仿真模型用于柴油机仿真建模和参数配置管理；所述柴油机仿真模型根据控制信号模拟柴油机运行；

所述实时仿真平台包括柴油机实时仿真模块，所述柴油机实时仿真模块用于根据所述柴油机仿真模型的实时运行数据和仿真模型数据产生柴油机实际转速。

优选地，所述核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统还包括执行机构，用于根据所述控制信号转换成油门开度数据，使得所述柴油机仿真模型根据所述油门开度数据模拟柴油机运行。

优选地，所述执行机构包括变频器、变频电机、测速飞轮、转速传感器、直角齿轮箱、编码器、调速器液压执行器中的一种或几种的组合。

优选地，所述柴油机仿真模型包括燃油喷射模块、缸内过程模块、曲轴箱模块和负载模块。

优选地，所述实时仿真平台还包括收发模块，用于向所述调速器发送指令，使得所述调速器根据所述指令生成所述控制信号。

优选地，所述收发模块还包括通讯板卡、模拟量输入/输出板卡、数字量输入/输出板卡、数模转换模块、模数转换模块中一种或多种的组合。

优选地，所述实时仿真平台还包括比较模块，用于比较所述柴油机实时仿真模块的实际油门开度是否与对应转速一致，并输出比较结果。

优选地，所述实时仿真平台还包括时间比较模块，用于判断启动用时是否超过一总时间阈值，若是，则所述调速器不通过测试；若否，则所述调速器通过测试；所述启动用时为自发出所述指令起、至所述柴油机转速达到所述额定转速所用时间。

优选地，所述实时仿真平台还包括加载比较模块，用于判断增加不同负载对所述柴油机转速的影响是否满足要求。

优选地，所述实时仿真平台还包括减载比较模块，用于判断降低不同负载对所述柴油机转速的影响是否满足要求。

实施本发明的有益效果是：本发明的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统中，通过柴油机仿真模型的设置，给待测调速器提供了测试环境，从而构建了完整的闭环控制回路，实现了调速器的功能测试和验证，给核电工作人员维护的带来了方便，降低了调速器在柴油机现场测试风险和成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一些实施例中核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统与调速器的原理示意图；

图2是图1中上位机平台的原理示意图；

图3柴油机仿真模型与调速器的原理示意图；

图4是图1中实时仿真平台的原理示意图；

图5是本发明一些实施例中核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统的功能测试和验证流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1示出了本发明一些实施例中的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统100，用于以实时运行仿真模型来模拟柴油机的运行状态，通过I/O接口与被测的调速器200连接，对被测调速器200进行全方面的、系统的测试。本发明实施例中的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统包括上位机平台10、实时仿真平台20和执行机构30。

在一些实施例中，核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统100包括软件部分和硬件实物，通过I/O模块连接组成实时仿真平台20。在构建核电厂柴油机调速器测试系统时，上位机平台10、实时仿真平台20和执行机构30都可能以实物或者仿真模型的形式存在。

其中，结合图1-3所示，上位机平台10包括上位机管理模块11和柴油机仿真模型12，上位机平台10主要用来运行上位机管理模块11及与实时仿真平台20通讯，通过上位机管理模块11对柴油机仿真模型12进行配置管理；同时上位机管理模块11还对待测调速器进行参数修改和数据的查询读取。

上位机管理模块11用于运行上位机管理软件及与实时仿真平台20通讯，通过所述上位机管理软件对柴油机仿真模型12进行配置管理；同时上位机管理模块11还对待测调速器200进行参数修改和数据的查询读取。上位机管理模块11还用于向待测调速器200发出控制信号。在一些实施例中，通过分析柴油机数学模型后建立其仿真模型，即柴油机仿真模型12，并将仿真模型下载至实时仿真器中，即柴油机实时仿真模块23。

柴油机仿真模型12与上位机管理模块11相连接，柴油机仿真模型12用于柴油机仿真建模和柴油机仿真模型的参数配置管理，柴油机仿真模型12还用于根据控制信号模拟柴油机运行。建立柴油机仿真模型12主要用于模拟柴油机本体特性，用于测试调速器200的调节功能和控制效果。

在一些实施例中，柴油机仿真模型12通过分析柴油机数学模型后建立其仿真模型。柴油机仿真模型12包括燃油喷射模块121、缸内过程模块122、曲轴箱模块123和负载模块124。

建立柴油机模型的目的是将柴油机各功能模块离散化，分成若干模块分别建模。对于用于测试调速系统的模型，由于其仅涉及燃油喷射系统，因此，在一些实施例中，柴油机仿真模型12可由燃油喷射模块121、缸内过程模块122、曲轴箱模块123和负载模块124构成，如图3所示。该模型架构对于柴油机仿真模型12具有普适性，对于不同柴油机只需调整各模块中的参数设置即可实现模拟不同柴油机运行特性的要求。

其中，燃油喷射模块121反映调速器200输出的油门齿条位置与单个喷油器单次喷油量之间的关系。油门齿条位置与单个喷油器单次喷油量之间的关系在模型中一般采用图谱形式查表获得。也可通过柴油机试验报告中的齿条位置、燃油消耗率等参数估算获得。找到各工况下相应的油门齿条位置数值，从而建立起两者的关系。

缸内过程模块122用于建立单个喷油器单次喷油量与柴油机缸内过程产生的指示转矩(功率)之间的关系。

曲轴箱模块123用于将柴油机缸内过程输出的指示转矩(功率)扣除机械结构传递过程中的摩擦损失，计算出柴油机轴上输出的有效转矩(功率)。

负载模块124用于根据柴油机有效转矩和负载转矩计算柴油机转速，并将该转速提供给调速器200。

在一些实施例中建立的柴油机仿真模型12可实现以下功能：

根据柴油机结构建立燃油喷射模块121，能够模拟燃油系统循环供油量；模拟油门开度位置。缸内过程模块122、曲轴箱模块123及负载模块124的共同作用下，采用扭矩平衡公式建立柴油机转速计算模型，模拟柴油机实际转速；能够计算摩擦扭矩、柴油机有效扭矩和负载对于转速的影响；实现柴油机加载和卸载过程中的转速波动。建立柴油机仿真模型12，能够实现柴油机连续多次反复从0转速启动和停机后转速下降到0的过程的模拟。

柴油机仿真模型12能对柴油机动态性能进行真实模拟，满足实时性的要求。

结合图1-4所示，实时仿真平台20包括收发模块21、比较模块22和柴油机实时仿真模块23、时间比较模块24、加载比较模块25和减载比较模块26。

实时仿真平台20是核电厂柴油机调速器测试系统100的核心，主要功能有：对柴油发动机实时仿真模型解算；信号转换；变频器转速控制；编码器信号采集；调速器200故障信号模拟；调速器200各输入通道信号模拟；调速器200各输出通道信号采集等。

其中，收发模块21用于向调速器200发送指令，指令包括应急启动指令、加载、减载、停机指令。调速器200根据接收指令生成控制信号。优选地，收发模块21还用于根据一比较结果选择性地向调速器200发送一调速参数优化信号，使得调速器200根据修改后调速参数产生优化后的控制信号。在一些实施例中，收发模块21还可包括通讯板卡、模拟量输入/输出板卡、数字量输入/输出板卡、数模转换模块、模数转换模块中一种或多种的组合。此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。

比较模块22用于比较柴油机实时仿真模块23的实际油门开度是否与对应转速一致，并输出比较结果。

柴油机实时仿真模块23用于根据柴油机仿真模型12的实时运行数据和和仿真模型数据产生柴油机实际转速。

作为选择，一些实施例中还可以包括时间比较模块24。时间比较模块24用于判断启动用时是否超过一总时间阈值，若是，则调速器200不通过测试；若否，则调速器200通过测试。启动用时为自发出指令起、至柴油机转速达到额定转速所用时间。设置时间比较模块24的好处是，通过测试用时来评判调速器200是否可快速实现应急启动功能。可以理解地，时间比较模块24可以设置，也可以不设置。在不设置时间比较模块24的情况下，不影响主要功能的实现。

作为选择，一些实施例中实时仿真平台20还可以包括加载比较模块25，加载比较模块25用于判断增加不同负载对所述柴油机转速的影响是否满足要求，若否，则调速器200不通过测试；若是，则调速器200通过测试。设置加载比较模块25的好处是，通过加载情况来评判调速器200是否满足柴油机转速稳定性的要求。可以理解地，加载比较模块25可以设置，也可以不设置。在不设置加载比较模块25的情况下，不影响主要功能的实现。

作为选择，一些实施例中实时仿真平台20还可以包括减载比较模块26，减载比较模块26用于判断降低不同负载对所述柴油机转速的影响是否满足要求，若否，则调速器200不通过测试；若是，则调速器200通过测试。设置减载比较模块26的好处是，通过减载情况来评判调速器200调节性能的稳定性和及时性，这样可直接判断调速器200是否达标。可以理解地，减载比较模块26可以设置，也可以不设置。在不设置减载比较模块26的情况下，不影响主要功能的实现。

如图1所示，在一些优选实施例中，核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统100还包括执行机构30。执行机构30用于根据控制信号转换成油门开度数据，使得柴油机仿真模型12根据油门开度数据开启模拟运行。可以理解地，执行机构30可以作为硬件部分单独设置，也可以不单独设置、而是作为软件部分合并于柴油机仿真模型12功能内。在不单独设置执行机构30的情况下，不影响主要功能的实现。

当将执行机构30作为硬件部分单独设置时，一些实施例中的执行机构30包括变频器、变频电机、测速飞轮、转速传感器、直角齿轮箱、编码器、调速器液压执行器中的一种或几种的组合。

结合图1-4所示，执行机构30的工作原理大致如下：调速器200输出电流控制液压执行器，通过编码器获取执行器的输出轴位置，实时仿真平台20通过收发模块21采集编码器信号，将编码器信号转换为油门开度和喷油量，再通过上位机管理模块11将此信号传递到柴油机实时仿真模型12中。柴油机机实时仿真模型12运行在实时仿真平台20中，并通过实时仿真平台20模拟量输出模块反馈柴油发动机转速信号，用于控制执行机构30中变频器。变频器控制变频电机驱动测速飞轮及调速器液压执行器，模拟柴油机运转，在变频电机输出轴上安装有模拟转速输出的齿轮，并在齿轮支架上安装有两个霍尔转速传感器，用来测量柴油机的转速输出，接入到调速器200中。由此，构成闭环仿真控制系统。

以下结合图1-5对本发明一些实施例中核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统的功能测试验证具体步骤进行说明。本发明一些实施例中的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统用于以实时运行仿真模型来模拟柴油机的运行状态，通过I/O接口与被测的调速器200连接，对被测调速器200进行全方面的、系统的测试。本发明实施例中，包括如下步骤。

在第一步骤中，根据调速器不同工作模式向待测调速器200发送指令，指令包括应急启动指令、加载、减载、停机指令。具体地，实时仿真平台20的收发模块21向调速器200发送指令，使得调速器200根据指令生成控制信号。

在第二步骤中，接收调速器200根据指令生成的控制信号。具体地，上位机平台10的上位机管理模块11用于接收待测调速器200发出的控制信号。

在第三步骤中，根据控制信号启动柴油机仿真模型12的模拟运行，比较柴油机转速在规定时间内是否达到额定转速，同时通过加/减载判断柴油机转速的稳定性，用以判断柴油机调速系统的调节性能；以及调速器是否能够正常停运柴油机，若是，则测试结束；若否，则执行第四步骤。

具体地，柴油机仿真模型12根据控制信号模拟柴油机运行。比较模块22比较柴油机实时仿真模块23的实际油门开度是否与对应转速一致，并输出所述比较结果；比较结果包括达到目标值的结果和未达到目标值的结果。达到目标值的结果是，输出转速达到目标值，则测试结束。未达到目标值的结果是，输出转速未达到目标值，则执行第四步骤。

在一些优选实施例中，第三步骤中还包括：判断启动用时是否超过一总时间阈值，若是，则调速器200不通过测试；若否，则调速器200通过测试；启动用时为自第一步骤起、至柴油机转速达到额定转速所用时间。可以理解地，这部分步骤可以设置，也可以不设置。在不设置这部分步骤的情况下，不影响主要功能的实现。

在一些优选实施例中，第三步骤中还包括：判断增加不同负载对柴油机转速的影响是否满足要求，若否，则调速器200不通过测试；若是，则调速器200通过测试。可以理解地，这部分步骤可以设置，也可以不设置。在不设置这部分步骤的情况下，不影响主要功能的实现。

在一些优选实施例中，第三步骤中还包括：判断降低不同负载对柴油机转速的影响是否满足要求，若否，则调速器200不通过测试；若是，则调速器200通过测试。可以理解地，这部分步骤可以设置，也可以不设置。在不设置这部分步骤的情况下，不影响主要功能的实现。

在第四步骤中，分析柴油机响应，向调速器发送调速参数优化指令信号，使得调速器修改调节参数，然后调速器根据修改后调速参数产生优化后的控制信号。

具体地，收发模块21根据一比较结果选择性地向调速器200发送调速参数优化指令信号，使得调速器修改调节参数，然后调速器根据修改后调速参数产生优化后的控制信号。当比较结果为达到目标值时，不发出调速参数优化指令信号；当比较结果为未达到目标值时，发出调速参数优化指令信号。

在第五步骤中，接收调速器200优化后的控制信号，然后返回第三步骤。具体地，上位机管理模块11接收调速器200修改后的控制信号，并返回第三步骤继续执行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干个改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，其特征在于，包括上位机平台(10)和实时仿真平台(20)；

其中，所述上位机平台(10)包括上位机管理模块(11)和柴油机仿真模型(12)，

所述上位机管理模块(11)用于运行上位机管理软件及与所述实时仿真平台(20)通讯，通过所述上位机管理软件对所述柴油机仿真模型(12)进行配置管理；同时所述上位机管理模块(11)还对待测调速器(200)进行参数修改和数据的查询读取；

所述柴油机仿真模型(12)与所述上位机管理模块(11)相连接，所述柴油机仿真模型(12)用于柴油机仿真建模和参数配置管理；所述柴油机仿真模型(12)根据控制信号模拟柴油机运行；

所述实时仿真平台(20)包括柴油机实时仿真模块(23)，所述柴油机实时仿真模块(23)用于根据所述柴油机仿真模型(12)的实时运行数据和仿真模型数据产生柴油机实际转速。

2.根据权利要求1所述的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，其特征在于，所述核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统(100)还包括执行机构(30)，用于根据所述控制信号转换成油门开度数据，使得所述柴油机仿真模型(12)根据所述油门开度数据模拟柴油机运行。

3.根据权利要求2所述的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，其特征在于，所述执行机构(30)包括变频器、变频电机、测速飞轮、转速传感器、直角齿轮箱、编码器、调速器液压执行器中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，其特征在于，所述柴油机仿真模型(12)包括燃油喷射模块(121)、缸内过程模块(122)、曲轴箱模块(123)和负载模块(124)。

5.根据权利要求1-3任一项所述的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，其特征在于，所述实时仿真平台(20)还包括收发模块(21)，用于向所述调速器(200)发送指令，使得所述调速器(200)根据所述指令生成所述控制信号。

6.根据权利要求5所述的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，其特征在于，所述收发模块(21)还包括通讯板卡、模拟量输入/输出板卡、数字量输入/输出板卡、数模转换模块、模数转换模块中一种或多种的组合。

7.根据权利要求1-3任一项所述的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，其特征在于，所述实时仿真平台(20)还包括比较模块(22)，用于比较所述柴油机实时仿真模块(23)的实际油门开度是否与对应转速一致，并输出比较结果。

8.根据权利要求1-3任一项所述的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，其特征在于，所述实时仿真平台(20)还包括时间比较模块(24)，用于判断启动用时是否超过一总时间阈值，若是，则所述调速器(200)不通过测试；若否，则所述调速器(200)通过测试；所述启动用时为自发出所述指令起、至所述柴油机转速达到所述额定转速所用时间。

9.根据权利要求1-3任一项所述的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，其特征在于，所述实时仿真平台(20)还包括加载比较模块(25)，用于判断增加不同负载对所述柴油机转速的影响是否满足要求。

10.根据权利要求1-3任一项所述的核电厂应急柴油机调速器仿真测试系统，其特征在于，所述实时仿真平台(20)还包括减载比较模块(26)，用于判断降低不同负载对所述柴油机转速的影响是否满足要求。

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