CN113987796A - 基于先进核能系统的控制仿真方法、系统、介质及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于先进核能系统的控制仿真方法、系统、介质及设备，向核能系统发出控制要求，对核电厂中的执行器进行仿真控制；检测仿真控制的信息，根据检测的仿真控制信息模拟反应堆的运行状况；将模拟反应堆运行状况产生的温度、压力、冷却剂液位、冷却剂流量、蒸汽流量和控制棒棒位数据转换为实际传感器信号，实现仿真控制；本发明通过添加核能系统中实际使用的泵、阀门等执行机构与核能系统的机理仿真模型想结合，通过使用核能系统执行检测模块和NI公司PXI套件实现整套装置的数据从硬到软和从软到硬的转换，不仅实现了整个装置的闭环，同时也极大提高了整个装置的运行精度。

Description

基于先进核能系统的控制仿真方法、系统、介质及设备

技术领域

本发明属于控制科学与工程技术领域，具体涉及一种基于先进核能系统的控制仿真方法、系统、介质及设备。

背景技术

近年来，随着国家经济的快速发展，我国在能源上的需求越来越大，传统的能源供给在环境和经济性上有着难以避免的劣势。在这种背景下，新能源的发展得到了国家和社会的普遍重视。而核能作为一种高效清洁的能源，已经被世界上很多国家所接受和利用，带来了很高的经济效益。

在核电发展的同时，最大的问题就是其安全性和可靠性。在这个问题上，历史上有过深刻的教训。而能够解决这一问题的重要策略就是提高控制系统的控制性能。由此而来，核电仿真的作用就不言而喻。根据对核电站的运行原理进行分析研究，发现核电站控制系统对于电厂的安全运行有十分重要的作用。由于核能系统的特殊性，使得核电机组无法像常规的装置或者设备那样直接在真是的系统上进行DCS性能测试，传统的控制系统硬件在环性能测试均是使用真是的DCS控制系统与虚拟的模型进行测试，因此，测试的效果与虚拟模型的仿真精度息息相关。

硬件在环是计算机专业术语，也即是硬件在回路。通过使用“硬件在环”(HiL)，可以显著降低开发时间和成本。在过去，开发电气机械元件或系统时，使用计算机仿真和实际的实验就已经彼此独立开来。然而通过使用硬件在环的方式，这两个过程可以结合并展示出效率的极大提升。

传统的仿真方案中，阀门，泵等均是采用仿真模型，采用仿真模型的缺点不言而喻，会产生一定的误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于先进核能系统的控制仿真方法、系统、介质及设备，使用真实的硬件使得对被控制的核能系统有实际的工作效果，同时，在无法使用真实硬件的地方采用高保证的仿真模型，极大地提高仿真精度。

本发明采用以下技术方案：

基于先进核能系统的控制仿真方法，向核能系统发出控制要求，对核电厂中的执行器进行仿真控制；检测仿真控制的信息，根据检测的仿真控制信息模拟反应堆的运行状况；将模拟反应堆运行状况产生的温度、压力、冷却剂液位、冷却剂流量、蒸汽流量和控制棒棒位数据转换为实际传感器信号，实现仿真控制。

具体的，采用集散控制系统或可编程逻辑控制器向核能系统发出控制要求。

具体的，执行器包括泵、阀门和控制棒驱动机构。

进一步的，控制棒驱动机构采用步进电机，步进电机通过步进电机驱动器与核能系统控制模块连接，使用测距装置检测控制棒的棒位数据，或者通过与步进电机连接的编码器计算电机旋转的圈数测出控制棒的棒位数据。

具体的，采用转速测量装置和阀门开度测量装置检测仿真控制的信息。

具体的，采用核反应堆堆芯虚拟模型，压力容器虚拟模型，稳压器虚拟模型，蒸汽发生器虚拟模型，冷管段虚拟模型和热管段虚拟模型模拟反应堆的运行状况。

具体的，采用PXI半导体套件将实际传感器信号转换为核能系统控制模块接受的数据类型。

本发明的另一个技术方案是，一种基于先进核能系统的控制仿真系统，包括：

核能系统控制模块，向核能系统发出控制要求；

核能系统执行模块，根据核能系统控制模块的控制要求对核电厂中真实执行器进行仿真控制；

核能系统执行检测模块，检测核能系统执行模块的仿真控制信息；

核能系统虚拟模型模块，根据核能系统执行检测模块检测的仿真控制信息模拟反应堆的运行状况；

核能系统虚拟传感器模块，将核能系统虚拟模型模块模拟反应堆运行状况产生的温度、压力、冷却剂液位、冷却剂流量、蒸汽流量和控制棒棒位数据转换为实际传感器信号后发送给核能系统控制模块实现仿真控制。

本发明的另一个技术方案是，一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行基于先进核能系统的控制仿真方法中的任一方法。

本发明的另一个技术方案是，一种计算设备，包括：

一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行基于先进核能系统的控制仿真方法中的任一方法的指令。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于先进核能系统的控制仿真方法，既包含了对核能系统的机理仿真模型，同时也添加了实际系统中使用的核能系统执行模块，提高了装置运行结果的可信度。

进一步的，集散控制系统或可编程逻辑控制器是在各个工业领域长期使用的设备，具有安全稳定的特点，而核能系统首当其冲的就是要保证安全稳定运行，因此核能系统控制模块采用集散控制系统或可编程逻辑控制器。

进一步的，实际的核能系统中往往含有泵，阀门，控制棒驱动机构等，添加了这些实物有助于提高装置运行的精确程度，例如泵在使用过程中，泵速不是随着控制系统的改变而立刻改变，加入实物设备可以模拟这种由硬件设备造成的延迟响应。

进一步的，使用执行器检测装置可以实现将执行器的实际动作过程转化成核能系统虚拟模型模块需要使用的数据。

进一步的，采用步进电机配和专用的步进电机驱动器实现控制棒驱动，结构简单，操控简便。

进一步的，设置核能系统虚拟模型模块可以实现从机理上模拟核能系统的实际运行状况。

进一步的，压力，温度，流量，控制棒棒位等数据是实际核能运行过程中会产生的数据，对核能系统的控制主要也是采用这些数据。

进一步的，PXI套件主要作用是将软件中的数据变成硬件的数据，即变成核能系统控制模块可以接受的数据类型，即实现数据由软件向硬件的转换。

进一步的，采用温度虚拟传感器、流量虚拟传感器、压力虚拟传感器以及位置虚拟传感器，将模型中的实际的温度、压力、冷却剂液位、冷却剂流量、蒸汽流量、控制棒棒位转换成测量这些参数的传感器实际的信号量。

综上所述，本发明通过添加核能系统中实际使用的泵、阀门等执行机构与核能系统的机理仿真模型想结合，通过使用核能系统执行检测模块和NI公司PXI套件实现整套装置的数据从“硬”到“软”和从“软”到“硬”的转换，不仅实现了整个装置的闭环，同时也极大提高了整个装置的运行精度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明装置模块图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件时，它可以是直接连接到另一个组件，或者可能同时存在几种组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明公开了一种基于先进核能系统的控制仿真方法，向核能系统发出控制要求，对核电厂中的执行器进行仿真控制；检测仿真控制的信息，根据检测的仿真控制信息模拟反应堆的运行状况；将模拟反应堆运行状况产生的温度、压力、冷却剂液位、冷却剂流量、蒸汽流量和控制棒棒位数据转换为实际传感器信号，实现仿真控制。

其中，采用集散控制系统或可编程逻辑控制器向核能系统发出控制要求。

执行器包括泵、阀门和控制棒驱动机构，控制棒驱动机构采用步进电机，步进电机通过步进电机驱动器与核能系统控制模块连接，使用测距装置检测控制棒的棒位数据，或者通过与步进电机连接的编码器计算电机旋转的圈数测出控制棒的棒位数据。

采用转速测量装置和阀门开度测量装置检测仿真控制的信息。

采用核反应堆堆芯虚拟模型，压力容器虚拟模型，稳压器虚拟模型，蒸汽发生器虚拟模型，冷管段虚拟模型和热管段虚拟模型模拟反应堆的运行状况。

采用PXI半导体套件将实际传感器信号转换为核能系统控制模块接受的数据类型。

请参阅图1，本发明一种基于先进核能系统的控制仿真系统，包括核能系统控制模块、核能系统执行模块、核能系统执行检测模块、核能系统虚拟模型模块和核能系统虚拟传感器模块和PXI半导体套件；核能系统控制模块依次通过核能系统执行模块和核能系统执行检测模块后与核能系统虚拟模型模块连接，通过核能系统虚拟模型模块接收核能系统执行检测模块检测的信息，确定模拟反应堆的运行状况，核能系统虚拟模型模块经核能系统虚拟传感器模块与核能系统控制模块，将核能虚拟模型运行中的参数返回至核能系统控制模块实现仿真控制。

核能系统控制模块：核能系统控制模块为传统的核能系统使用控制设备，如DCS，PLC等。在核能系统控制模块中实现对现有控制理论的验证，同时，因为所有操作均是安全可靠的，即便控制出现故障也不会造成事故，所以核能系统控制模块还可以对先进的控制理论和控制算法以及常规和非常规的核能系统故障进行验证。

核能系统控制模块用于控制核能系统正常运行，例如控制核能系统启动，停止以及核能系统工作功率的变化等常规工况以及紧急运行或事故过程中控制核能系统实时响应的紧急停止(停堆)或者响应的保护动作。

核能系统控制模块包括但不限于核岛的安全级DCS，常规岛的非安全级DSC系统以及其他控制核能系统正常运行的DCS，PLC，DEH。

核能系统控制模块包括模拟量输入设备、模拟量输出设备、数字量输入设备、数字量输出设备、计数器设备、定位设备、时间戳设备、脉冲输出设备、必要的现场总线通信设备等。此外核能系统控制模块还包括驱动上述设备的CPU设备等。

模拟量输入设备、模拟量输出设备、数字量输入设备、数字量输出设备、计数器设备、定位设备、时间戳设备、脉冲输出设备、必要的现场总线通信设备等与CPU设备之间的通信通过专用的通信线缆或者通信连接器或者通信底座实现，同一CPU设备驱动的模拟量输入设备、模拟量输出设备、数字量输入设备、数字量输出设备、计数器设备、定位设备、时间戳设备、脉冲输出设备、必要的现场总线通信设备等之间互相不通信。不同CPU设备之间的通信通过其驱动的通信模块以及通信模块之间的线缆完成通信。

核能系统执行模块：目标核能系统上的执行机构，如泵，阀门，控制棒驱动机构。

目标核能系统上的执行机构包括相关的泵、阀门、控制棒驱动机构等。与泵相关的主要是电机的驱动设备，包括但不限于变频器等，主要作用是控制电机的启动、停止以及速度、力矩等的调节。变频器与核能系统控制模块之间通过响应的通讯总线进行连接，硬件上为可以支撑响应通信技术的通信线缆。

阀门控制采用相应的油压设备来驱动，油压设备的驱动力同样来自电机，电机驱动机构也采用变频器或专用的驱动电源，其工况也通过通信线缆与核能系统控制模块相连，受核能系统控制模块控制。

控制棒驱动机构采用步进电机来实现，步进电机配有专用的步进电机驱动器，步进电机驱动器与核能系统控制模块之间通过硬件接线的方式实现，与步进电机驱动器连接的控制设备包括但不限于数字量输出设备、脉冲输出设备等。

核能系统执行机构在正常工作过程中，不仅需要使用上述的驱动器和对应在核能系统控制模块上的设备，还需要使用模拟量输入设备、模拟量输出设备、数字量输入设备、数字量输出设备、计数器设备、定位设备、时间戳设备、脉冲输出设备、必要的现场总线通信设备等保证执行机构的正常运行。

核能系统执行检测模块：根据核能系统执行模块，对核能系统执行模块的动作情况进行检测，将检测到的信息发送给核能系统虚拟模型模块，包括转速测量装置和阀门开度测量装置，检测泵的电机转速，阀门的开度，控制棒驱动机构等。

核能系统执行检测模块主要针对前述的核能系统执行机构的工作状况进行检测的装置，具体包括但不限于对含电机等旋转机构的转速检测装置、对阀门等的阀门位置和阀门开度检测装置、对控制棒棒位的检测装置等。

具体的，对电机等旋转机构的转速检测装置通过联轴器与先转机构的主轴进行直接连接，也可以将速度检测装置通过齿轮传动、链条、涡轮蜗杆等传动等方式进行减速之后再进行连接。

对阀门等的阀门位置检测装置和阀门开度检测装置，可以通过位置检测传感器与阀门的驱动柄相连接，获取阀门的位置或开度信息。

对控制棒驱动机构的位置检测包括但不限于两部分：一是使用相应的测距装置检测控制棒的棒位，二是通过编码器连接在控制棒驱动步进电机上，通过计算电机旋转的圈数测出控制棒的棒位数据。

核能系统虚拟模型模块：解决在核能系统中设备不便于使用实际的设备而设计的，例如核反应堆堆芯虚拟模型，压力容器虚拟模型，稳压器虚拟模型，蒸汽发生器虚拟模型，冷管段虚拟模型、热管段虚拟模型和主泵虚拟模型。同时，核能系统虚拟模型还具有数据调理的功能，能够将核能系统执行检测模块的信号处理成核能系统虚拟模型模块可以使用的数据，同时还可以将核能系统虚拟模型模块产生的数据如实时的温度压力等转换成传感器信号传送给核能系统控制模块。

核能系统虚拟模型模块采用通用计算机进行模拟具体包括但不限于核反应堆堆芯虚拟模型，压力容器虚拟模型，稳压器虚拟模型，蒸汽发生器虚拟模型，冷管段虚拟模型、热管段虚拟模型和主泵虚拟模型等，不用模型之间通过数据流的方式进行连接，即在仿真模型中将各部分模块进行物理原理上的连接。具体的连接方式如下：

压力容器虚拟模型与热管段虚拟模型之间的连接通过传递两者接口物理直径、流体压力、流体温度、流体流量实现。

热管段虚拟模型与稳压器虚拟模型之间的连接通过传递两者接口物理直径、流体压力、流体温度、流体流量实现。

热管段虚拟模型与蒸汽发生器虚拟模型之间的连接通过传递两者接口物理直径、流体压力、流体温度、流体流量实现。

蒸汽发生器虚拟模型与冷管段虚拟模型之间的连接通过传递两者接口物理直径、流体压力、流体温度、流体流量实现。

冷管段虚拟模型与压力容器虚拟模型之间的连接通过传递两者接口物理直径、流体压力、流体温度、流体流量实现。

冷管段虚拟模型与主泵虚拟模型之间的连接通过传递两者接口物理直径、流体压力、流体温度、流体流量实现。

核能系统虚拟模型模块产生的数据包括温度、压力、冷却剂液位、冷却剂流量、蒸汽流量、控制棒棒位数据。

核能系统虚拟传感器模块：将核能系统虚拟模型模块产生的必要数据通过数据清洗程序转换为实际的传感器信号传送给核能系统控制模块。

核能系统虚拟传感器模块主要包括温度、流量、压力以及位置四种虚拟传感器，主要是将模型中的实际的温度、压力、冷却剂液位、冷却剂流量、蒸汽流量、控制棒棒位转换成测量这些参数的传感器实际的信号量，例如，温度传感器通常会将温度数据转换成4～20mA的模拟量信号传送给DCS，而虚拟传感器的作用就是将模型中的实际温度数据转换成4～20mA的电流信号通过NI公司的PXI采集设备传送出来。

必要数据包括温度、压力、冷却剂液位、冷却剂流量、蒸汽流量、控制棒棒位数据。

核能系统虚拟传感器模块采用NI公司PXI半导体套件实现将软件中的温度、压力、冷却剂液位、冷却剂流量、蒸汽流量、控制棒棒位数据传送给实际的硬件即传送给核能系统控制模块。

本发明一种基于先进核能系统的控制仿真系统的工作过程为：

(1)通过硬件接线的方式连接核能系统控制模块与核能系统执行模块；

(2)通过硬件接线的方式连接核能系统控制模块和NI公司PXI套件的接线端子；

(3)连接核能系统执行模块与相应的核能系统执行检测模块；

(4)启动核能系统虚拟传感器模块程序，连接NI公司PXI套件；

(5)启动核能系统虚拟模型模块程序，连接核能系统虚拟模型模块程序和核能系统执行检测模块，连接核能系统虚拟模型模块程序和核能系统虚拟传感器模块。

(6)启动测试，在核能系统控制模块中设置需要的运行模式，故障模式，控制算法等。

(7)在需要检测未经实际核能系统验证的核能系统执行模块例如新的泵，新的阀门等的时候，可以将新的设备替换硬件在环的先进核能系统控制仿真装置中的对应的核能系统执行模块，重复上述步骤1～6，完成对新设备的测试工作。

本发明所述的硬件在环的先进核能系统控制仿真装置，通过尽可能多地采用真实的执行机构，克服了传统的对核能系统全范围的虚拟仿真中由于仿真模型精度误差导致的仿真结果的偏差以及仿真模型不完善不完整引起的仿真结果的错误。在尽可能多地引入实际硬件的同时还加入了无法采用实际硬件设备的高保真模型，使得对核能系统的仿真得以实现。

同时，因为通过对不易使用实际装置的反应堆堆芯等采用了高保证模型且大量采用了实际使用的设备加入到整个装置中，因此本发明所述的装置还可以对核能系统的执行机构及逆行验证，在已知核能系统中某一特定的执行器性能需求时，可以将该执行器添加在本发明所述的硬件在环的先进核能系统控制仿真装置中，替换原有的执行设备，从而检测新设备能否满足核能系统的实际运行需求。

综上所述，本发明一种基于先进核能系统的控制仿真方法、系统、介质及设备，通过将核能系统机理模型和实际的阀门、泵等相结合实现了核能系统的闭环运行，在保证运行结果正确前提下调高了运行结果的准确性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于先进核能系统的控制仿真方法，其特征在于，向核能系统发出控制要求，对核电厂中的执行器进行仿真控制；检测仿真控制的信息，根据检测的仿真控制信息模拟反应堆的运行状况；将模拟反应堆运行状况产生的温度、压力、冷却剂液位、冷却剂流量、蒸汽流量和控制棒棒位数据转换为实际传感器信号，实现仿真控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用集散控制系统或可编程逻辑控制器向核能系统发出控制要求。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，执行器包括泵、阀门和控制棒驱动机构。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，控制棒驱动机构采用步进电机，步进电机通过步进电机驱动器与核能系统控制模块连接，使用测距装置检测控制棒的棒位数据，或者通过与步进电机连接的编码器计算电机旋转的圈数测出控制棒的棒位数据。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用转速测量装置和阀门开度测量装置检测仿真控制的信息。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用核反应堆堆芯虚拟模型，压力容器虚拟模型，稳压器虚拟模型，蒸汽发生器虚拟模型，冷管段虚拟模型和热管段虚拟模型模拟反应堆的运行状况。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用PXI半导体套件将实际传感器信号转换为核能系统控制模块接受的数据类型。

8.一种基于先进核能系统的控制仿真系统，其特征在于，包括：

核能系统控制模块，向核能系统发出控制要求；

核能系统执行模块，根据核能系统控制模块的控制要求对核电厂中真实执行器进行仿真控制；

核能系统执行检测模块，检测核能系统执行模块的仿真控制信息；

核能系统虚拟模型模块，根据核能系统执行检测模块检测的仿真控制信息模拟反应堆的运行状况；

核能系统虚拟传感器模块，将核能系统虚拟模型模块模拟反应堆运行状况产生的温度、压力、冷却剂液位、冷却剂流量、蒸汽流量和控制棒棒位数据转换为实际传感器信号后发送给核能系统控制模块实现仿真控制。

9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法。

10.一种计算设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法的指令。

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