汽轮机保护与控制系统的仿真装置的制作方法

1.本发明属于汽轮机控制系统仿真技术领域，尤其涉及一种汽轮机保护与控制系统的仿真装置。


背景技术：

2.汽轮机保护与控制系统应用于常规发电厂、核电厂等众多场所中，通常需要与之相适配的仿真软件对系统逻辑与画面的设计的正确性进行验证，以辅助系统的设计工作。然而，现有技术中对于汽轮机保护与控制系统的调试前、调试中以及运行后的各个阶段，缺少一种全面的仿真装置，用于满足电厂的整个生命周期内汽轮机保护与控制系统的仿真需求。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中缺少一种全面的仿真装置，导致不能对汽轮机保护与控制系统的调试前、调试中以及运行后的各个阶段进行全周期仿真的缺陷，提供一种汽轮机保护与控制系统的仿真装置。
4.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
5.本发明提供一种汽轮机保护与控制系统的仿真装置，所述仿真装置包括相互连接的输入输出模块和仿真模块；
6.所述输入输出模块用于接收汽轮机控制信号以及输出所述仿真模块基于仿真逻辑产生的信号，所述汽轮机控制信号基于所述汽轮机保护与控制系统中的控制逻辑产生；
7.所述仿真模块用于根据所述汽轮机控制信号，采用多种类型的仿真模式对所述汽轮机保护与控制系统进行仿真；其中，不同的仿真模式对应所述仿真装置的不同运行方式。
8.本方案提供的汽轮机保护与控制系统的仿真装置，通过设置多种不同的仿真模式，对汽轮机保护与控制系统的不同应用阶段进行仿真，可以满足该系统的整个生命周期内的仿真需求，进而可以保证汽轮机保护与控制系统的控制逻辑的正确性和完整性，同时还可以提高用户对该系统进行操作、调试的便利性。
9.较佳地，多种类型的所述仿真模式包括第一纯仿真模式、第二纯仿真模式和混仿真模式；
10.所述第一纯仿真模式对应所述仿真装置独立进行仿真；
11.所述第二纯仿真模式对应所述仿真装置和所述汽轮机保护与控制系统联合进行仿真；
12.所述混仿真模式对应所述仿真装置和所述汽轮机保护与控制系统以及所述汽轮机联合进行仿真。
13.在本方案中，仿真装置通过采用不同的仿真模式对汽轮机保护与控制系统进行仿真，可以适应该系统不同的仿真需求，全过程全面地保证汽轮机保护与控制系统的正常运行。
14.较佳地，在所述第一纯仿真模式时，所述仿真模块还用于执行所述汽轮机保护与控制系统的所述控制逻辑。
15.在本方案中，通过仿真模块执行汽轮机保护与控制系统的控制逻辑，使得仿真装置可以脱离实际的控制柜以及就地设备独立进行仿真，可以提高仿真装置应用的灵活性。
16.较佳地，在所述第二纯仿真模式时，所述输入输出模块与所述汽轮机保护与控制系统通过硬接线连接。
17.在本方案中，通过第二纯仿真模式，使得仿真装置与实际的控制柜连接进行仿真，可以实现对控制柜的调试，提高仿真装置应用的灵活性。
18.较佳地，在所述混仿真模式时，所述输入输出模块与所述汽轮机保护与控制系统、以及所述汽轮机的其他预设设备依次通过硬接线连接。
19.在本方案中，通过混仿真模式，使得仿真装置连接实际的控制柜、就地设备进行仿真，可以应用于就地设备的维修等阶段，提高仿真装置应用的灵活性。
20.较佳地，所述输入输出模块包括若干类型的输入输出接口；
21.所述输入输出接口与所述汽轮机保护与控制系统通过硬接线连接，用于传输不同类型的信号。
22.在本方案中，通过在输入输出模块中设置多种类型的输入输出接口，使得仿真装置与汽轮机保护与控制系统的控制柜之间可以实现多种类型的信号传输，提高了仿真装置的可扩展性。
23.较佳地，所述输入输出接口包括脉冲量输出接口、模拟量输出接口、开关量输出接口、模拟量输入接口、开关量输入接口中的至少一种。
24.在本方案中，通过设置模拟量、开关量、脉冲量等多个不同类型的输入输出接口，使得仿真装置可以对不同的信号进行仿真，进而可以满足汽轮机保护与控制系统的不同仿真需求。
25.较佳地，所述仿真模块包括保护仿真单元；
26.所述保护仿真单元用于对所述汽轮机保护与控制系统的跳闸信号进行仿真，以验证所述控制逻辑中的跳闸保护逻辑的正确性。
27.在本方案中，通过设计与保护逻辑相对应的仿真逻辑，可以对汽轮机保护与控制系统的保护逻辑的正确性和完整性进行验证。
28.较佳地，所述仿真模块包括控制仿真单元；
29.所述控制仿真单元用于对所述汽轮机保护与控制系统进行仿真，以得到所述汽轮机的若干项运行参数。
30.在本方案中，通过设计与控制逻辑相对应的仿真逻辑，可以对汽轮机保护与控制系统的控制逻辑的正确性和完整性进行验证。
31.较佳地，所述仿真模块还用于生成不同的所述仿真模式下的仿真结果；
32.所述仿真装置还包括与所述仿真模块连接的显示模块；
33.所述显示模块用于对所述仿真结果进行显示。
34.在本方案中，通过在仿真装置中设置显示模块对仿真结果进行显示，可以便于用户对仿真装置进行控制。
35.本发明的积极进步效果在于：通过设置多种不同的仿真模式，对汽轮机保护与控
制系统的不同应用阶段进行仿真，可以满足该系统的整个生命周期内的仿真需求，进而可以保证汽轮机保护与控制系统的控制逻辑的正确性和完整性，同时还可以提高用户对该系统进行操作、调试的便利性。
附图说明
36.图1为本发明实施例1的汽轮机保护与控制系统的仿真装置的结构示意图。
37.图2为本发明实施例2的汽轮机保护与控制系统的仿真装置的结构示意图。
38.图3为本发明实施例2的汽轮机保护与控制系统的仿真装置的第一纯仿真模式的连接关系图。
39.图4为本发明实施例2的汽轮机保护与控制系统的仿真装置的第二纯仿真模式的连接关系图。
40.图5为本发明实施例2的汽轮机保护与控制系统的仿真装置的混仿真模式的连接关系图。
41.图6为本发明实施例2的汽轮机保护与控制系统的仿真装置的保护逻辑示意图。
42.图7为本发明实施例2的汽轮机保护与控制系统的仿真装置的控制逻辑示意图。
具体实施方式
43.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
44.实施例1
45.本实施例提供一种汽轮机保护与控制系统的仿真装置，如图1所示，该仿真装置包括相互连接的输入输出模块1和仿真模块2；
46.输入输出模块1用于接收汽轮机控制信号以及输出仿真模块基于仿真逻辑产生的信号，汽轮机控制信号基于汽轮机保护与控制系统中的控制逻辑产生；
47.仿真模块2用于根据汽轮机控制信号，采用多种类型的仿真模式对汽轮机保护与控制系统进行仿真；其中，不同的仿真模式对应仿真装置的不同运行方式。
48.汽轮机保护与控制系统在不同的应用阶段有着不同的仿真需求，具体如下：
49.(1)在汽轮机保护与控制系统设计出厂之前，仿真装置用于辅助该系统进行软件设计(包括逻辑设计、画面设计等)的正确性验证测试；以及辅助该系统软件在进行版本的升级和优化后，正式投入使用前的正确性验证测试。
50.(2)在汽轮机保护与控制系统正式调试前，仿真装置用于验证该系统各项控制功能的正确性和完整性，也可以用于调试人员和运行人员的培训。
51.(3)在汽轮机保护与控制系统正式调试阶段，汽轮机保护与控制系统连接仿真装置和现场设备的实际汽轮机阀门，对汽轮机保护与控制系统进行联调，在汽轮机启动之前验证该系统实际的控制功能和性能满足规范性要求。
52.(4)在电厂正式运行之后，仿真装置用于对技术人员的培训。
53.(5)在电厂维修期间，仿真装置用于对汽轮机阀门的测试工作。
54.在汽轮机保护与控制系统的不同应用阶段，仿真模块接收系统的控制逻辑产生的汽轮机控制信号，并采用对应的仿真模式对汽轮机保护与控制系统进行仿真，以辅助系统
的测试和调试。
55.本实施例提供的汽轮机保护与控制系统的仿真装置，通过设置多种不同的仿真模式，对汽轮机保护与控制系统的不同应用阶段进行仿真，可以满足该系统的整个生命周期内的仿真需求，进而可以保证汽轮机保护与控制系统的控制逻辑的正确性和完整性，同时还可以提高用户对该系统进行操作、调试的便利性。
56.实施例2
57.在实施例1的基础上，本实施例提供一种汽轮机保护与控制系统的仿真装置。
58.在一可实施的方案中，多种类型的仿真模式包括第一纯仿真模式、第二纯仿真模式和混仿真模式；
59.第一纯仿真模式对应所述仿真装置独立进行仿真；
60.第二纯仿真模式对应所述仿真装置和所述汽轮机保护与控制系统联合进行仿真；
61.混仿真模式对应所述仿真装置和所述汽轮机保护与控制系统以及所述汽轮机联合进行仿真。
62.在调试前阶段，汽轮机保护与控制系统还没有控制柜，要将该系统已经设计好的控制逻辑存储于仿真装置中，以第一纯仿真模式进行仿真。
63.在调试阶段，汽轮机保护与控制系统已经有控制机柜，将该系统与仿真装置连接，以第二纯仿真模式进行仿真。
64.在运行阶段，汽轮机保护与控制系统要连接上实际汽轮机的就地设备，仿真装置、控制柜与实际的就地设备依次连接，以混仿真模式进行仿真。
65.在本方案中，仿真装置通过采用不同的仿真模式对汽轮机保护与控制系统进行仿真，可以适应该系统不同的仿真需求，全过程全面地保证汽轮机保护与控制系统的正常运行。
66.在一可实施的方案中，如图2所示，在第一纯仿真模式时，所述仿真模块还用于执行所述汽轮机保护与控制系统的所述控制逻辑。
67.具体地，如图3所示，在第一纯仿真模式下，仿真装置不连接控制柜和就地设备，仿真逻辑、汽轮机保护与控制系统的控制逻辑(即图中汽机组态)均在仿真装置(即图中仿真小车)的控制器(即图中cu)或虚拟cu中实现，仿真装置脱离汽轮机保护与控制系统的控制柜以及实际的就地设备工作，独立进行仿真。仿真小车可以连接pc(个人计算机)进行控制和显示。此时，仿真模块还用于执行汽轮机保护与控制系统的控制逻辑。
68.在本方案中，通过仿真模块执行汽轮机保护与控制系统的控制逻辑，使得仿真装置可以脱离实际的控制柜以及就地设备独立进行仿真，可以提高仿真装置应用的灵活性。
69.在一可实施的方案中，在第二纯仿真模式时，输入输出模块1与汽轮机保护与控制系统通过硬接线连接。
70.具体地，如图4所示，在第二纯仿真模式下，汽轮机保护与控制系统的控制柜与仿真装置的输入输出模块之间通过硬接线传递信号。控制柜向仿真装置传输汽轮机控制信号(即图中控制指令)，仿真装置向控制柜传输仿真信号，pc用于对仿真装置的控制与显示。控制柜与实际的就地设备之间无硬接线连接。
71.在本方案中，通过第二纯仿真模式，使得仿真装置与实际的控制柜连接进行仿真，可以实现对控制柜的调试，提高仿真装置应用的灵活性。
72.在一可实施的方案中，在混仿真模式时，输入输出模块与汽轮机保护与控制系统、以及汽轮机的其他预设设备依次通过硬接线连接。
73.具体地，如图5所示，在混仿真模式下，汽轮机保护与控制系统的控制柜与仿真装置之间通过硬接线传递信号，控制柜向仿真装置传输汽轮机控制信号，仿真装置向控制柜传输仿真信号，pc用于对仿真装置的控制与显示。控制柜与实际的就地设备之间也有硬接线连接，实现阀门指令和阀门位置的信号传输。
74.在本方案中，通过混仿真模式，使得仿真装置连接实际的控制柜、就地设备进行仿真，可以应用于就地设备的维修等阶段，提高仿真装置应用的灵活性。
75.在一可实施的方案中，输入输出模块包括若干类型的输入输出接口；
76.输入输出接口与汽轮机保护与控制系统通过硬接线连接，用于传输不同类型的信号。
77.在本方案中，通过在输入输出模块中设置多种类型的输入输出接口，使得仿真装置与汽轮机保护与控制系统的控制柜之间可以实现多种类型的信号传输，提高了仿真装置的可扩展性。
78.在一可实施的方案中，输入输出接口包括脉冲量输出接口、模拟量输出接口、开关量输出接口、模拟量输入接口、开关量输入接口中的至少一种。
79.需要说明的是，输入输出接口的类型可以包括但不限于上述的各种类型，具体根据汽轮机保护与控制系统的仿真需求适配设置。
80.在本方案中，通过设置模拟量、开关量、脉冲量等多个不同类型的输入输出接口，使得仿真装置可以对不同的信号进行仿真，进而可以满足汽轮机保护与控制系统的不同仿真需求。
81.仿真小车需要设计一套与汽轮机保护与控制系统软件的组态逻辑相匹配的仿真逻辑。
82.在一可实施的方案中，仿真模块包括保护仿真单元；
83.保护仿真单元用于对汽轮机保护与控制系统的跳闸信号进行仿真，以验证控制逻辑中的跳闸保护逻辑的正确性。
84.仿真信号的发生逻辑分为模拟量和开关量，该部分控制逻辑在第二纯仿真模式以及混仿真模式时，设计在仿真小车所在的控制器里，通过硬接线连接到汽轮机保护与控制系统的控制柜，控制柜中无需组态仿真逻辑；在第一纯仿真模式时，该部分仿真组态设计在仿真小车所在的控制器里，此时汽轮机保护与控制系统的组态逻辑需要在仿真小车中同步组态实施，且相应的序列需要组态相关的信号接受仿真逻辑的输出。
85.如图6所示，跳闸保护逻辑具体的仿真实现思路如下：
86.1)分别在a/b/c/d序列中设计4套相同的仿真逻辑，例如真空低、轴承油压低、低压缸排气温度高等信号，在a序列仿真一个信号，发送a/b/c/d序列的该跳闸信号点，其他序列同理，模拟现场真实情况，使得跳闸仿真时，只需仿真1个信号，即可实现4个序列的同时动作；
87.2)同时考虑到仿真测试中并无真正的现场设备跳闸动作信号反馈，需要在整个闭环中仿真出跳闸信号，使得仿真过程中只需触发第一条实现思路的跳闸条件，即可形成完成的闭环，工艺中与跳闸直接相关的信号为紧急跳闸油压低信号，故在a/b/c/d序列中依据
跳闸逻辑，分别仿真出4个停机电磁阀的失电信号，进行双重二选一运算，仿真出当跳闸满足时，动作，触发停机，该信号同时发往a/b/c/d序列，仿真出紧急跳闸油压低信号；
88.3)一些触发汽轮机停机的条件，例如真空低压力信号，低压缸排汽温度信号，这些信号根据汽轮机保护与控制系统的跳闸功能需求确定，可通过仿真画面改变值的方式模拟信号值得变化；
89.4)模拟来自汽轮机保护与控制系统的接口信号；
90.5)模拟就地的执行机构或操作设备如手动打闸操作杆，ast(一种电磁阀)电磁阀；
91.6)模拟其他系统来的触发停机的信号，如来自发电机系统，主仪控系统以及核电站保护系统；
92.7)模拟跳机后的打闸复位操作。
93.在本方案中，通过设计与保护逻辑相对应的仿真逻辑，可以对汽轮机保护与控制系统的保护逻辑的正确性和完整性进行验证。
94.在一可实施的方案中，仿真模块包括控制仿真单元；
95.控制仿真单元用于汽轮机保护与控制系统进行仿真，以得到汽轮机的若干项运行参数。
96.汽轮机保护与控制系统发出阀门指令，通过主汽轮机模型进行仿真，最终产生功率和转速，实现了从汽机冲转，带初始负荷，并网，提升功率，解列，汽轮惰走等主要功能的仿真。同时对一些特殊工况如runback(辅机故障减负荷)，opc(超速保护控制)动作等也做仿真设计，仿真逻辑主要包括：
97.(1)阀门卡的建模仿真
98.(2)伺服阀的建模仿真
99.(3)油动机的建模仿真
100.(4)蒸汽阀设备和阀门流量特性建模仿真
101.(5)高压缸，中压缸模型的建模仿真
102.(6)转动平衡计算模型
103.(7)opc工况和runback工况仿真
104.(8)阀门测试工况仿真
105.(9)汽轮机跳闸工况下阀门，转速和功率等对象仿真
106.(10)与汽轮机保护系统接口信号仿真关联
107.(11)调节级压力仿真
108.控制部分仿真逻辑的设计思路主要是要做好气体流量分配部分的仿真逻辑，要依据阀门曲线反向进行流量的分配，同时需要接收来自保护abcd序列来的停机信号，作为控制逻辑的依据。
109.如图7所示，控制逻辑的具体仿真实现思路如下：
110.1)汽轮机跳闸的整个闭环逻辑已经在保护部分的仿真软件中实现，跳闸信号在控制部分仿真软件逻辑中可以直接引用；
111.2)按照opc动作的条件，仿真出当触发opc动作，产生3个opc动作信号，供控制部分仿真软件使用；
112.3)依据再热调节阀阀位输出指令，仿真出再热调节阀的阀位反馈，且当汽机跳闸
或opc动作或试验电磁阀动作等条件时，仿真出固定阀位；
113.4)依据工况仿真再热主汽阀阀位，包括当汽机跳闸时，仿真再热主汽阀阀位固定阀位，以试验电磁阀动作等条件时，仿真再热主汽阀阀位固定阀位；
114.5)依据主汽阀的阀位输出指令，仿真出主汽阀的阀位反馈，且当汽机跳闸或opc动作或试验电磁阀动作等条件时，仿真出固定阀位；
115.6)依据主调阀的阀位输出指令，仿真出主调阀的阀位反馈，且当汽机跳闸或opc动作或试验电磁阀动作等条件时，仿真出固定阀位；
116.7)依据所有主汽阀与所有主调阀的全部开度相比的小值，仿真出整体气体流量值，同时依据整体流量与相关值，仿真出调节部门的汽机转速、发电功率以及调节级压力等参数；
117.通过上述参数的仿真逻辑搭建，实现汽轮机调节仿真闭环回路的实现。
118.在本方案中，通过设计与控制逻辑相对应的仿真逻辑，可以对汽轮机保护与控制系统的控制逻辑的正确性和完整性进行验证。
119.在一可实施的方案中，仿真模块还用于生成不同的仿真模式下的仿真结果；
120.如图2所示，该仿真装置还包括与仿真模块2连接的显示模块3；
121.显示模块3用于对仿真结果进行显示。
122.显示模块3可以为电脑显示屏。
123.在本方案中，通过在仿真装置中设置显示模块对仿真结果进行显示，可以便于用户对仿真装置进行控制。
124.以一具体的仿真设备为例，仿真小车的配置清单如表1所示：
125.表1
[0126][0127][0128]
其中，nucon为一种控制平台。nucon平台的控制器是一款基于x86架构的低功耗无风扇嵌入式紧凑型工业级计算机，采用intel atom处理器n455，主频1.66ghz，二级缓存512kb，1g、ddr3、667mhz内存，高低压侦测保护功能的双冗余电源设计，宽电压工作范围；采用fpga(一种芯片)实现网络通信、网络校时、系统告警等功能；具有高可靠性高稳定性。
[0129]
配置清单中卡件的选择及使用数量是依据所需仿真信号的个数决定的。针对技术方案仿真小车与汽机控制柜之间的信号传递，主要有以下几种：
[0130]
1)仿真小车
→
汽机控制柜的脉冲信号，仿真小车侧配置ao(模拟量输出)卡件+频率转换器；
[0131]
2)仿真小车
→
汽机控制柜的模拟量信号，仿真小车侧配置ao卡件；
[0132]
3)仿真小车
→
汽机控制柜的开关量信号，仿真小车侧配置do(数字量输出)卡件；
[0133]
4)汽机控制柜
→
仿真小车的模拟量信号，仿真小车侧配置ai(模拟量输入)卡件；
[0134]
5)汽机控制柜
→
仿真小车的开关量信号，仿真小车侧配置di(数字量输入)卡件。
[0135]
仿真小车
→
汽机控制柜的脉冲信号：
[0136]
转速信号为脉冲信号，对于控制柜中转速信号的仿真，需要在仿真小车上配置相应的ao卡件，同时配备相应个数的频率转换器(个数与脉冲信号一致)，通过仿真小车仿真转速信号，通过ao卡件发送4～20ma信号至频率转换器转换为脉冲信号，再通过硬件线传输到控制柜的ai卡件。
[0137]
仿真小车
→
汽机控制柜的模拟量信号：
[0138]
此类信号主要包括发电机功率、发电机电流、汽机调节级压力、汽机低压缸压力，需要在仿真小车上配置相应的ao卡件，通过ao卡件发送4～20ma信号，通过硬件线传输到控制柜的ai卡件。
[0139]
仿真小车
→
汽机控制柜的开关量信号：
[0140]
此类信号主要包括rb信号、同期信号、各类断路器分闸/合闸信号，需要在仿真小车上配置相应的do卡件，do卡件发送0/1信号，通过硬件线传输到控制柜的di卡件。
[0141]
汽机控制柜
→
仿真小车的模拟量信号：
[0142]
汽机主汽阀、调节阀的阀位信号，需要在仿真小车上配置相应的ai卡件，通过控制柜侧的ao卡件发送4～20ma信号，通过硬件线传输到仿真小车的ai卡件。此处需要注意，如果控制柜中无ao卡件，需要额外临时配置满足需要的ao卡件。
[0143]
汽机控制柜
→
仿真小车的开关量信号：
[0144]
此类信号主要包括汽机跳闸信号、opc动作信号，需要在仿真小车上配置相应的di卡件，控制柜侧do卡件发送0/1信号，通过硬件线传输到仿真小车的di卡件。
[0145]
需要说明的是，仿真装置在实际投入使用后的各个阶段中，操作人员可以根据需求选择相应的仿真模式，不受上述的调试、维修等阶段的限制。
[0146]
本实施例提供的汽轮机保护与控制系统的仿真装置，通过设置不同的仿真模式，以及不同的输入输出单元，使得仿真装置可以满足多种仿真需求，保证了汽轮机保护与控制系统的逻辑设计的正确性和完整性，提高了用户使用的便利性。
[0147]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。