CN113250832A - 用于核电站的应急柴油机计时控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及核电站设备管理技术领域，特别涉及一种用于核电站的应急柴油机计时控制系统，包括柴油机控制系统、发电机控制系统、就地控制盘和主控系统，柴油机控制系统连接发电机控制系统、就地控制盘和主控系统；柴油机控制系统用于在接收到主控系统发送的柴油机启动信号后开始计时并启动应急柴油机，获取应急柴油机的转速反馈信号以及发电机控制系统发送的发电机电压反馈信号；还用于根据转速反馈信号和发电机电压反馈信号分析符合预设条件后结束计时，得到启动时间发送至就地控制盘进行显示，以及发送允许合闸信号至主控系统。利用柴油机控制系统进行应急柴油机启动计时，避免网络延迟及就地控制盘的采样率带来的干扰，有效提高了计时准确性。

Description

用于核电站的应急柴油机计时控制系统

技术领域

本申请涉及核电站设备管理技术领域，特别是涉及一种用于核电站的应急柴油机计时控制系统。

背景技术

随着科技的发展和社会的不断进步，用电设备的种类和数量越来越多，为满足这些设备用电的可靠性，在设计中采用柴油发电机组作为应急备用电源的方法被普遍采用。而应急柴油发电机的启动时长，是判断应急柴油机可用性的重要依据之一。

传统的应急柴油机控制系统，通过控制柜在启动应急柴油机后采集应急柴油机的相关数据并发送至控制盘，在控制盘里进行信号状态判断、显示和记录。控制盘启动时间计算涉及到的信号需从控制柜传递到控制盘，传输及处理过程存在随机延时。如任何一个信号的传递过程中出现延时，都会影响到启动时间的计算，存在计时准确性低的缺点。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种可提高计时准确性的用于核电站的应急柴油机计时控制系统。

一种用于核电站的应急柴油机计时控制系统，包括柴油机控制系统、发电机控制系统、就地控制盘和主控系统，所述柴油机控制系统连接所述发电机控制系统、所述就地控制盘和所述主控系统；

所述柴油机控制系统用于在接收到所述主控系统发送的柴油机启动信号后开始计时并启动应急柴油机，获取应急柴油机的转速反馈信号以及所述发电机控制系统发送的发电机电压反馈信号；还用于根据所述转速反馈信号和所述发电机电压反馈信号分析符合预设条件后结束计时，得到启动时间发送至所述就地控制盘进行显示，以及发送允许合闸信号至所述主控系统。

在其中一个实施例中，所述预设条件包括：应急柴油机的转速大于预设转速阈值，且发电机电压大于预设电压阈值。

在其中一个实施例中，所述柴油机启动信号为测试启动信号或应急启动信号。

在其中一个实施例中，所述柴油机控制系统还用于在所述主控系统停止发送应急启动信号时结束计时。

在其中一个实施例中，所述柴油机控制系统还用于在接收到紧急停机信号或就地保护停机信号时结束计时。

在其中一个实施例中，所述柴油机控制系统还用于在接收到柴油机停机信号时，对启动时间进行清零。

在其中一个实施例中，所述柴油机控制系统通过脉冲模块接收柴油机停机信号。

在其中一个实施例中，应急柴油机计时控制系统还包括网关，所述柴油机控制系统通过所述网关与所述就地控制盘连接。

在其中一个实施例中，应急柴油机计时控制系统还包括连接所述柴油机控制系统的传感器。

在其中一个实施例中，所述柴油机控制系统通过硬接线连接所述发电机控制系统和所述主控系统。

上述用于核电站的应急柴油机计时控制系统，柴油机控制系统在接收到主控系统发送的柴油机启动信号后开始计时并启动应急柴油机，获取应急柴油机的转速反馈信号以及发电机控制系统发送的发电机电压反馈信号；柴油机控制系统还根据转速反馈信号和发电机电压反馈信号分析符合预设条件后结束计时，得到启动时间发送至就地控制盘进行显示，以及发送允许合闸信号至主控系统。利用柴油机控制系统进行应急柴油机启动计时，使启动计时与逻辑动作处于同一控制系统中，避免网络延迟及就地控制盘的采样率带来的干扰，有效提高了计时准确性。

附图说明

图1为本申请一实施例中应急柴油机计时控制系统的结构框图；

图2为本申请一实施例中应急柴油机启动时间的计算逻辑示意图；

图3为一实施例中应急柴油机控制系统采用现有计时方案时的信号传递关系图；

图4为现有计时方案的信号传递示意图；

图5为本申请计时方案的信号传递示意图；

图6为本申请一实施例中计时程序组态逻辑示意图；

图7为本申请一实施例中紧急启动信号出现时开始计时的逻辑示意图；

图8为本申请一实施例中电压和转速达到标准时停止计时的逻辑示意图；

图9为本申请一实施例中柴油机试验结束发出停机信号时，计时器输出被清零的逻辑示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

在一个实施例中，提供了一种用于核电站的应急柴油机计时控制系统，如图1所示，包括柴油机控制系统110、发电机控制系统120、就地控制盘(Local Control Panel，LCP)130和主控系统140，柴油机控制系统110连接发电机控制系统120、就地控制盘130和主控系统140；柴油机控制系统110用于在接收到主控系统140发送的柴油机启动信号后开始计时并启动应急柴油机200，获取应急柴油机200的转速反馈信号以及发电机控制系统120发送的发电机电压反馈信号；柴油机控制系统110还用于根据转速反馈信号和发电机电压反馈信号分析符合预设条件后结束计时，得到启动时间发送至就地控制盘130进行显示，以及发送允许合闸信号至主控系统140。

其中，柴油机控制系统110可采用LHP/Q420AR控制柜，发电机控制系统120可采用910AR控制柜，主控系统140可采用DCS(Distributed Control System，集散控制系统)系统。此外，应急柴油机计时控制系统还可包括设置在应急柴油机200的传感器，传感器连接柴油机控制系统110和发电机控制系统120。传感器具体可包括转速探测器、互感器等。进一步地，应急柴油机计时控制系统还可包括网关，柴油机控制系统110通过网关与就地控制盘130连接。

具体地，柴油机控制系统110通过硬接线连接发电机控制系统120、主控系统140，还可通过硬接线连接应急柴油机200。主控系统140发送柴油机启动信号给柴油机控制系统110，经柴油机控制系统110逻辑处理后再将启动指令发给柴油机的辅助系统，启动应急柴油机200。应急柴油机200启动后，通过转速探测器采集转速信号反馈到柴油机控制系统110，并通过互感器采集发电机电压、频率信号传输到发电机控制系统120。发电机控制系统120将接收的信号整流为标准电流信号，并通过硬接线传送到柴油机控制系统110。

在一个实施例中，柴油机启动信号为测试启动信号或应急启动信号。具体地，在通过主控系统140发送测试启动信号或应急启动信号至柴油机控制系统110后，均可使柴油机控制系统110启动应急柴油机200，从而支持在测试模式下和应急模式下的应急柴油机启动控制。

预设条件的具体类型并不唯一，在一个实施例中，预设条件包括：应急柴油机的转速大于预设转速阈值，且发电机电压大于预设电压阈值。其中，预设转速阈值和预设电压阈值的具体取值并不唯一，都可根据实际需求进行调整。当应急柴油机的转速大于预设转速阈值，且发电机电压大于预设电压阈值时，则柴油机控制系统110判断柴油机已经启动成功，将允许合闸信号(ready信号)反馈给主控系统140，允许应急母线切换成由应急柴油机200供电。

上述用于核电站的应急柴油机计时控制系统，利用柴油机控制系统110进行应急柴油机启动计时，使启动计时与逻辑动作处于同一控制系统中，避免网络延迟及就地控制盘的采样率带来的干扰，有效提高了计时准确性。

在一个实施例中，柴油机控制系统110还用于在主控系统140停止发送应急启动信号时结束计时。当检测到主控系统140停止发送应急启动信号时，可认为无需继续启动应急柴油机200进行应急操作，此时可以中止启动应急柴油机200并结束计时，将计时结果记为应急柴油机200的启动时间。

在一个实施例中，柴油机控制系统110还用于在接收到紧急停机信号或就地保护停机信号时结束计时。具体地，主控系统140还可在紧急情况下发送紧急停机信号至柴油机控制系统110，操作人员也可通过就地控制盘130进行触摸屏操作，发送就地保护停机信号至柴油机控制系统110。柴油机控制系统110在接收到相关指令后停止启动应急柴油机200并结束计时，将计时结果记为应急柴油机200的启动时间，支持对应急柴油机200启动的紧急停机和就地保护操作。

进一步地，在一个实施例中，柴油机控制系统110还用于在接收到柴油机停机信号时，对启动时间进行清零。具体地，当无需应急柴油机200为应急母线供电后，主控系统140发送柴油机停机信号至柴油机控制系统110，柴油机控制系统110控制应急柴油机200停机并对记录的启动时间进行清零，以便进行下一次的启动时间记录操作。

进一步地，在一个实施例中，柴油机控制系统110通过脉冲模块接收柴油机停机信号，避免停机信号过长或过短对计时器造成干扰。本实施例中，脉冲模块的脉冲时长为1-90s，具体可选择为5s、10s或50s等，本实施例中设置为5s，避免脉冲过短导致计时器无法按预期清零。

为便于更好地理解上述用于核电站的应急柴油机计时控制系统，下面结合具体实施例进行详细解释说明。

目前应急柴油机投产后多次发生超过要求的10s的情况，启动时间普遍偏长。通过接记录仪对比发现显示的启动时间比真实的启动时间多出1s左右，不能真实反映应急柴油机的启动时间。不准确的柴油机启动计时影响柴油机的可用性判断，如果启动计时超过10s，会认为应急柴油机系统不可用；如不能及时解决，影响机组正常运行。

现有的应急柴油机采用基于TXS(DCS的一种品牌)的全数字化控制系统，它的启动时间在就地控制盘(Local Control Panel，LCP)上进行显示。因TXS中没有计时模块，原计时程序用就地控制盘LCP中的WinCC软件脚本进行编程计算并显示。应急柴油机启动时间的计算从它的控制系统接到启动信号开始，到柴油机启动完成，电压和转速达到额定值、发出允许LHA/B002JA合闸信号为止，如图2中的008SY，即允许应急母线LHA/B切换成由应急柴油机供电的信号。通常把允许LHA/B002JA合闸信号称作“Ready信号”。Ready信号是衡量柴油发电机组运行是否正常、是否具备带载条件的标准。

具体地，应急柴油机由控制系统LHP/Q420AR，就地控制盘LHP/Q421AR，网关，以及传感器等组成。若采用现有的计时方案，如图3所示，各信号之间的传递如下：

柴油机控制系统LHP/Q420AR接收主控DCS系统发出的应急柴油机启动信号，控制系统LHP/Q420AR经逻辑处理后再将启动指令发给柴油机各辅助系统，启动柴油机。

柴油机启动后，转速信号通过转速探测器反馈到控制系统LHP/Q420AR，发电机电压、频率信号通过互感器传输到发电机控制系统910AR，发电机控制系统910AR再通过硬接线将此信号整流为标准电流信号传送给控制系统LHP/Q420AR。

控制系统LHP/Q420AR的各种输入/输出信号通过网络传输给就地控制盘LCP，在LCP里进行信号状态判断、显示和记录。

控制系统LHP/Q420AR判断柴油机已经启动成功后，将允许LHA/B002JA合闸信号(ready信号)反馈给主控DCS系统，由主控DCS系统综合其它逻辑发出LHA/B002JA自动合闸指令，将应急母线LHA/B母线的供电由LGB/LGC带载切换成应急柴油机LHP/Q带载。

由上信号传递关系可见：柴油机启动成功后的ready信号和启动时间计时原本是同一组信号，但分别在控制系统LHP/Q420AR和LCP中分开独立运算处理，因此一定会产生时间差。

原计时方案中LCP的启动时间计时原理为：控制系统LHP/Q420AR采集到启动信号、转速信号、电压信号等后，通过网关送往LCP，在LCP里通过脚本进行启动时间计算并显示，信号传递如图4所示。

原计时方案通过在LCP计算机上通过西门子WinCC软件编写的脚本程序实现，其公式为：

启动时间＝(转速>1470rpm&电压>6.27kV)的时刻–(启动信号)出现时刻

脚本程序如下：

由上可见，LCP启动时间计算涉及到的信号需从控制系统LHP/Q420AR传递到LCP，经过较多的设备，传输及处理过程存在随机延时。如任何一个信号的传递过程中出现延时，都会影响到启动时间的计算。

经对各设备及控制程序的时序进行分析，可知主要延时影响如下：

1)控制系统LHP/Q420AR：LHP/Q420AR是应急柴油机数字化控制系统的核心，它采用的是西门子TXS控制系统，该控制系统处理的固有周期为50ms。

2)网关计算机：网关计算机用于将控制系统LHP/Q420AR中的各种信号通过网络传输中转传送到就地控制盘LCP，用于就地控制盘的计算及显示，实现两种不同系统/协议之间的数据交换。由于网关计算机本身的特性，它的传输为500ms内的随机延迟，具体传输时长受当前时刻的信号传输量以及网关计算机CPU处理能力的影响。

3)就地控制盘LCP使用WINCC软件进行信号采集、处理及显示，该软件采集信号的最短周期为500ms；而启动计时脚本程序的扫描周期为250ms。

综上可见，信号从控制系统LHP/Q420AR传输到LCP并计算出启动时间，最大延迟达1.3s；由于启动时间计算的是启动信号与电压/转速达标信号之间的时间差，因此该延时会造成原计时脚本程序得到的启动时间与真实启动时间之间存在0-1.3s的偏差，这与实际测试结果也相吻合；而且偏差时长不固定，导致计时器不能真实反映应急柴油机的启动时间。

由上分析，由于网关和LCP软件的特点，使用LCP的WinCC软件计算得到的启动时间会不可避免地存在偏差，因此计时程序不能设计在LCP中。只有将计时程序设计在控制系统LHP/Q420AR里，使启动计时与逻辑动作处于同一控制器中，才能保持二者的真实性、一致性，避免网络延迟及LCP采样率带来的干扰。

基于此，本申请所采用的新计时方案，其信号传递过程如图5所示。启动时间在控制系统LHP/Q420AR进行计算，然后将计算结果以数值的形式通过网关送给LCP进行显示。这样即使网关和LCP软件存在传输或采样延迟，但不会对计算结果(数值的大小)造成影响，即最终LCP显示的还是在控制系统LHP/Q420AR里计算得到的启动时间，避免了网络传输和LCP采样率的干扰。

由于LCP与控制系统LHP/Q420AR使用的是不同的工程软件，因此原LCP中的脚本程序无法继续使用。本申请基于控制系统LHP/Q420AR中的TXS平台对应急柴油机启动计时进行重新设计。利用控制系统LHP/Q420AR的控制软件TXS中进行计时程序组态如图6所示，计时程序组态说明如下：

计时组态主要使用如图6右下角所示的线性计算模块作为主程序，“+”号端口的输入信号为“1”时进行计时，该端口的信号消失时结束计时；计算结果实时输出；当“#”端口的输入信号时候为“1”时进行计时器清零。

基于此，组态逻辑设计原理为：当控制系统LHP/Q420AR接收到测试启动信号(TestStart)或应急启动信号(Emergency Start)时开始计时，当Ready信号出现(转速Speed>1470rpm且电压Generator voltage U>Max)、或出现紧急停机信号(IE OFF Command_trip)、或应急启动信号不存在、或出现就地保护停机信号(EDG_Prot)时结束计时，结束计时后的输出结果即为应急柴油机的启动时间。该启动时间以数值的形式通过网关送到LCP进行显示。直到发出柴油机停机信号(Engine Stop)时，启动时间才会被清零。为了避免停机信号过长或过短对计时器造成干扰，在停机信号(Engine Stop)处增加了脉冲模块。为了避免脉冲过短导致计时器无法按预期清零，根据柴油机停机特性选定脉冲时长为5s。

程序仿真结果如下：

1)柴油机启动时，紧急启动信号出现，开始计时，如图7中带箭头线路所示。

2)当电压和转速达到标准时，停止计时，此时计时器的状态如图8中带箭头线路所示，计时器输出的启动时间可自动保持。

3)当柴油机试验结束，发出停机信号时，计时器输出被清零，此时状态如图9中带箭头线路所示。

仿真结果显示新计时程序的设计组态运行响应与预期一致。

本申请首创基于TXS平台的应急柴油机启动计时设计，巧妙利用线性计算模块，根据LHP/Q柴油机实际逻辑，调用与工艺相关的过程参数，既保证设计的准确性、又带有通用性，便于作为通用设计移植到其它基于TXS的柴油机控制系统中。该方案的成功设计和应用，解决了TXS平台缺少计时设计的空白。经现场实施一个循环验证满足月度试验加卸载、满功率试验、甩负荷试验等各种工况下的计时需求，未再出现计时结果不准确的情况。

因应急柴油机的特殊性，其启动、加卸载、停机等特殊工况都会对计时方案造成影响。本申请在设计、测试过程中发现了因转速信号采样波动导致启动计时偶尔变短的问题、加载期间Ready信号消失导致计时跳变累加的问题、停机转速偏高会导致计时器偶尔不能自动复位的问题等。通过对柴油机各种工况下的特性变化进行测试、收集、研究，优化组态解决了上述问题。因此本方案对应急柴油机的有很强的针对性和适用性。

此外，针对常用的机械计时器只能记录柴油机正常启停工况下的启动时间、无法记录故障期间的柴油机启动运行时间，从而无法通过启动时间定位故障时刻来辅助判断故障机理的缺点，本申请的计时设计充分考虑了各种特殊工况的需求，对包括应急启停、试验启停、启动失败、就地保护停机、应急保护停机等多种机组运行工况进行模拟，依托现场真实试验数据对各工况下的启停信号、保护信号、电压、转速等关键信号的变化特点进行建模。针对特殊瞬态下的信号特点进行信号处理和参数优化，扩大了计时设计的适用范围，保证了设计成果在全工况下适用。

鉴于应急柴油机历史上多次出现启动计时异常事件，造成应急柴油机误判不可用，导致重做试验或对试验结果进行评价。多专业对此进行故障处理或评价耗时超2小时，给机组及运维人员带来额外负担，影响机组控制及人员正常的工作价值。本申请通过对数字化控制系统运算方式进行自主分析，深入研究，发现了原计时器存在的设计缺陷，并通过自主创新进行计时程序二次设计，反复测试优化后得以成功应用。

本方案应用于现场进行试验后，现场实施一个循环验证计时准确，满足设计要求。验证计时时间传送到LCP显示时不受网络传输及采样率影响，多次测试结果表明计时结果与用高速记录仪记录到的真实启动时间高度一致。经现场实施一个循环验证满足月度试验加卸载、满功率试验、甩负荷试验等各种工况下的计时需求，未再出现计时结果不准确的情况。通过上述设计改进，柴油机启动计时不准确问题得到了根本解决。本方案可作为柴油机标准计时模块在任何基于TXS的应急柴油机控制系统中适用，可作为良好实践进行推广。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于核电站的应急柴油机计时控制系统，其特征在于，包括柴油机控制系统、发电机控制系统、就地控制盘和主控系统，所述柴油机控制系统连接所述发电机控制系统、所述就地控制盘和所述主控系统；

所述柴油机控制系统用于在接收到所述主控系统发送的柴油机启动信号后开始计时并启动应急柴油机，获取应急柴油机的转速反馈信号以及所述发电机控制系统发送的发电机电压反馈信号；还用于根据所述转速反馈信号和所述发电机电压反馈信号分析符合预设条件后结束计时，得到启动时间发送至所述就地控制盘进行显示，以及发送允许合闸信号至所述主控系统。

2.根据权利要求1所述的应急柴油机计时控制系统，其特征在于，所述预设条件包括：应急柴油机的转速大于预设转速阈值，且发电机电压大于预设电压阈值。

3.根据权利要求1所述的应急柴油机计时控制系统，其特征在于，所述柴油机启动信号为测试启动信号或应急启动信号。

4.根据权利要求3所述的应急柴油机计时控制系统，其特征在于，所述柴油机控制系统还用于在所述主控系统停止发送应急启动信号时结束计时。

5.根据权利要求1所述的应急柴油机计时控制系统，其特征在于，所述柴油机控制系统还用于在接收到紧急停机信号或就地保护停机信号时结束计时。

6.根据权利要求1所述的应急柴油机计时控制系统，其特征在于，所述柴油机控制系统还用于在接收到柴油机停机信号时，对启动时间进行清零。

7.根据权利要求6所述的应急柴油机计时控制系统，其特征在于，所述柴油机控制系统通过脉冲模块接收柴油机停机信号。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的应急柴油机计时控制系统，其特征在于，还包括网关，所述柴油机控制系统通过所述网关与所述就地控制盘连接。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的应急柴油机计时控制系统，其特征在于，还包括连接所述柴油机控制系统的传感器。

10.根据权利要求1-7任意一项所述的应急柴油机计时控制系统，其特征在于，所述柴油机控制系统通过硬接线连接所述发电机控制系统和所述主控系统。

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