核電汽輪機控制系統(tǒng)翻譯仿真技術(shù)改進研究

印 勇

（中廣核仿真技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518031）

0 引言

仿真是研究認知核電站系統(tǒng)特性、分析影響核安全的要素，是發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，保證核電站安全的有效手段。核電站全范圍模擬機是利用仿真技術(shù)，針對特定堆型建立的一系列能夠模擬實際機組運行的高精度動態(tài)軟件數(shù)學模型和硬件設備的裝置。該數(shù)學模型能在各種工況下進行連續(xù)、實時的計算，能模擬核電站各種運行工況，如啟、停堆，升、降負荷以及各種事故瞬態(tài)工況。

儀控系統(tǒng)是核電站的中樞神經(jīng)，對核電站的安全至關(guān)重要。目前，數(shù)字化儀控技術(shù)已普遍應用于核電機組。核電站全范圍模擬機的投入使用是核電站首次裝料的關(guān)鍵路徑活動之一，儀控系統(tǒng)的仿真是核電站全范圍模擬機重要的組成部分。儀控仿真技術(shù)具有逼真度高、易于重構(gòu)和維護、成本相對低廉的優(yōu)點，在模擬機開發(fā)過程中得到了廣泛應用。不僅可以承擔電站運行人員操縱技能和應急能力的培訓任務，還可以完成根據(jù)電站實際運行狀況更新控制參數(shù)、控制策略的優(yōu)化，以及先進控制策略方案的驗證[1]。

1 控制系統(tǒng)翻譯仿真

核電站儀控系統(tǒng)仿真主要存在激勵式、虛擬式、翻譯式3種方案[2]。其中，翻譯式仿真就是通過開發(fā)專門的翻譯工具對實際DCS工程組態(tài)數(shù)據(jù)庫進行代碼解析、轉(zhuǎn)換，重新編譯成符合仿真平臺規(guī)范的程序文件和配置文件，最終將轉(zhuǎn)換文件下裝到仿真平臺工程中，實現(xiàn)將電站實際DCS組態(tài)和算法在非DCS的計算機中完美再現(xiàn)。

核電站汽輪機控制系統(tǒng)分為調(diào)節(jié)和保護系統(tǒng)，均采用了數(shù)字化儀控技術(shù)。核電站全范圍模擬機對汽輪機控制系統(tǒng)仿真采取的是翻譯仿真方式，即開發(fā)一套翻譯轉(zhuǎn)換工具，讀取、解析實際控制系統(tǒng)組態(tài)文件，并將組態(tài)信息翻譯轉(zhuǎn)換成仿真平臺對應的內(nèi)容。功能塊算法則完全根據(jù)實際控制系統(tǒng)定義的模塊，進行算法深入解析，在仿真平臺編寫具體的算法。

通過這種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)與實際組態(tài)完全相同的圖形外觀。基本相同的控制功能，具有高逼真度，具備對機組進行功率、轉(zhuǎn)速、壓力等控制，以及對機組的各種保護功能，滿足全范圍模擬機的各項性能要求。

2 汽輪機控制系統(tǒng)翻譯仿真改進研究背景

核電站全范圍模擬機都是在實際機組發(fā)電之前完成開發(fā)，隨著核電機組商運發(fā)電后，儀控人員一般會對設計的邏輯和調(diào)試數(shù)據(jù)開展優(yōu)化改進研究，如核電站機控組儀控人員對汽輪機的設計開展負荷最大出力提升研究，汽輪機高壓缸調(diào)節(jié)品質(zhì)提升研究等。針對這類需求，核電站全范圍模擬機承擔著很重要的設計驗證平臺的角色。然而，改進前的汽輪機控制仿真模型存在著下述幾點不足：

2.1 邏輯不可編輯，無法對實際機組邏輯設計修改方案開展可行性仿真研究

實際機組汽輪機控制系統(tǒng)組態(tài)邏輯各功能塊之間的連接是動態(tài)的，能隨時在組態(tài)圖上修改連接的邏輯功能塊參數(shù)引腳，連接線能實時反映連接功能塊引腳的輸出狀態(tài)信息，且能根據(jù)設計文件隨時增減邏輯。核電安全性要求，投運后的實際機組任何的邏輯設計變更必須經(jīng)過反復的設計驗證，確認沒有問題后才能在實際機組上實施。核電全范圍模擬機是解決實施這一問題最好的設計驗證平臺之一。

翻譯仿真改進之前，汽輪機控制仿真邏輯功能塊圖符以及之間的連接線都是靜態(tài)圖符不可編輯，僅具有示意顯示功能。各邏輯功能塊之間真正的連接關(guān)系需靠底層的傳值文件，不能像實際組態(tài)軟件那樣隨時可以編輯修改邏輯，這就無法滿足現(xiàn)場儀控人員修改邏輯與實時仿真驗證需求。

2.2 常數(shù)參數(shù)不能單獨保存

實際機組商運前很多數(shù)據(jù)還是臨時的調(diào)試數(shù)據(jù)，待商運發(fā)電后才會調(diào)試固化，這個過程會產(chǎn)生很多系統(tǒng)的定值數(shù)據(jù)迭代修改。現(xiàn)場數(shù)據(jù)修改后，全范圍模擬機對應的數(shù)據(jù)也需要及時更新迭代來保持和現(xiàn)場1:1仿真。

翻譯仿真改進之前，汽輪機控制仿真模型功能塊沒有將常數(shù)參數(shù)引腳單獨定義，無法實現(xiàn)對常數(shù)參數(shù)的單獨保存。這就導致現(xiàn)場定值數(shù)據(jù)每一次的迭代，模擬機維護人員都需要將所有工況全部重新另存一次，這給模擬機維護工作帶來了諸多不便。

3 翻譯仿真改進研究

在用戶新增的功能需求和提升核電控制系統(tǒng)仿真逼真度的要求下，本文在已建某核電站全范圍模擬機基礎(chǔ)上，對汽輪機控制系統(tǒng)實施了可編輯邏輯翻譯仿真技術(shù)改進研究。

3.1 翻譯仿真基本原理

通過定義和執(zhí)行相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，使用特定的語言識別及轉(zhuǎn)換技術(shù)，自動批量地將實際控制系統(tǒng)控制邏輯組態(tài)文件轉(zhuǎn)換為仿真平臺可識別的平臺文件，并完成在仿真平臺成功運行。

3.2 翻譯仿真研究內(nèi)容

第一部分研究內(nèi)容是收集實際DCS組態(tài).dmp數(shù)據(jù)庫文件和功能塊說明書；通過安裝關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Oracle Database，安裝數(shù)據(jù)庫應用程序的圖形化工具Oracle SQL Developer，安裝Java軟件開發(fā)工具包JDK等，搭建翻譯環(huán)境并開展數(shù)據(jù)解析工作。

第二部分研究內(nèi)容是將解析后的實際DCS組態(tài)邏輯轉(zhuǎn)換成仿真平臺可識別的格式，包括頁面.page文件和可視化.xdg文件；并在仿真平臺上完成功能塊圖符庫和算法庫的開發(fā)[3]。

第三部分研究內(nèi)容是采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，開發(fā)改進仿真平臺汽輪機控制仿真計算服務系統(tǒng)，并在Visual Studio環(huán)境下編譯生成.exe可執(zhí)行文件[3]。仿真計算服務系統(tǒng)主要完成管理初始化時功能塊引腳參數(shù)數(shù)據(jù)；識別翻譯后邏輯圖頁面中的功能塊類型和連接關(guān)系；組織和管理功能塊的調(diào)用；完成功能塊具體特定的邏輯算法。

3.3 翻譯仿真改進內(nèi)容

本次改進研究重點在新開發(fā)了帶矢量功能的邏輯功能塊圖符庫和矢量連接線，完全替換了之前翻譯工具原有的靜態(tài)圖符庫和靜態(tài)示意連接線。翻譯轉(zhuǎn)換工具新增加了識別實際組態(tài)中如文本、線條和矩形等段代碼，并將這些簡單的靜態(tài)示意功能信息直接轉(zhuǎn)換為矢量對象[3]，存入仿真平臺可視化文件中，并最終實現(xiàn)在仿真平臺上各功能塊之間可連線編輯并運行。

本次改進研究還對汽輪機控制系統(tǒng)所有控制功能塊參數(shù)引腳全部重新定義，將常數(shù)引腳單獨做出定義，并在模擬機整體工況中單獨保存功能塊常數(shù)引腳的相關(guān)信息。對比改造前，本研究實現(xiàn)常數(shù)引腳數(shù)據(jù)的單獨存儲，避免了現(xiàn)場定值數(shù)據(jù)修改后模擬機更新迭代需重新大規(guī)模另存工況的工作，便利了模擬機維護工作，提高了模擬機維護人員工作效率。

4 邏輯可編輯調(diào)試技術(shù)創(chuàng)新

本研究最終實現(xiàn)了預期的對控制邏輯圖可編輯修改功能，不僅保留了原控制系統(tǒng)的功能塊圖符外觀和響應功能，還保留了原系統(tǒng)的組態(tài)思路和組態(tài)方法，最大程度地保留了原系統(tǒng)的信息，且控制邏輯模型和工藝系統(tǒng)模型都在同一仿真平臺運行，不僅提高不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互效率，還方便于平臺的管理和維護。

本研究對邏輯可編輯調(diào)試技術(shù)進行了擴展，除了滿足模擬機的培訓需求外，還開展了對汽輪機先進控制策略的研究，將邏輯編輯修改功能在儀控設計驗證中展開了應用。為實際電廠的汽輪機邏輯設計變更提供修改實施平臺及實時仿真驗證平臺?，F(xiàn)場的汽輪機控制策略修改方案先在模擬機修改實施，待仿真結(jié)果取得預期結(jié)果后，再應用于實際現(xiàn)場。此舉降低了現(xiàn)場邏輯設計變更的成本和風險。

例如，通過在線編輯汽輪機仿真邏輯，更新控制參數(shù)、優(yōu)化改進控制策略，把自適應PID應用在轉(zhuǎn)速/負荷控制器，是把更先進的控制策略應用到核電領(lǐng)域的一種嘗試。

由于實際汽輪機的復雜性，模擬機汽輪機工藝模型的設計精度很難達到跟實際機組的完全一致，再加上沖轉(zhuǎn)前期，高壓缸調(diào)節(jié)閥開度需求很小，此時沖轉(zhuǎn)氣源也不穩(wěn)定，系統(tǒng)整體振蕩的比較嚴重，閥門忽開忽關(guān)，導致實際轉(zhuǎn)速跟隨設定轉(zhuǎn)速的效果不理想。沖轉(zhuǎn)后期，氣源開始穩(wěn)定，系統(tǒng)振蕩減少，調(diào)節(jié)閥較容易控制，實際轉(zhuǎn)速可以很好地跟隨設定轉(zhuǎn)速變化。

本研究在轉(zhuǎn)速/負荷控制器PID調(diào)節(jié)品質(zhì)、精度提升方面對先進控制策略開展了應用研究，通過收集總結(jié)以往汽輪機高壓缸調(diào)節(jié)閥的控制參數(shù)，采用對控制器的策略優(yōu)化，自動實時在線整定獲得最佳控制性能的PID參數(shù)，以期所有的工況都能達到與現(xiàn)場現(xiàn)象相符的結(jié)果，最后取得了良好的效果。

具體的做法如下：讓轉(zhuǎn)速/負荷控制器的P，I值隨著給定轉(zhuǎn)速做線性函數(shù)變化。低轉(zhuǎn)速時，采用較小的P值，減弱I作用，這樣調(diào)閥動作幅度會變小，速率也減緩，這樣盡量避免閥門忽開忽關(guān)的情況，從而盡可能優(yōu)化沖轉(zhuǎn)前期的轉(zhuǎn)速曲線；隨著給定轉(zhuǎn)速的上升，P值也隨之增大，I作用也隨之增強，這樣保證實際轉(zhuǎn)速能較好地跟隨給定轉(zhuǎn)速。具體的P，I參數(shù)隨給定轉(zhuǎn)速變化的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)模擬機多輪沖轉(zhuǎn)試驗得到一組最佳參數(shù)。

5 社會效益

本研究融入先進的文件解析技術(shù)、語言解析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和功能塊算法庫，實現(xiàn)了核電站儀控系統(tǒng)的仿真，使得模擬機儀控系統(tǒng)的開發(fā)不僅在精度和逼真度上得到提升，并且在功能和性能上也有提高。

其中，對邏輯設計優(yōu)化、驗證以及對先進控制策略的仿真研究，可以提高核電站的經(jīng)濟性和安全性。此舉有效提升了仿真模型的應用價值，為模擬機的仿真應用提出了新的解決方案。在未來的核電建設中，不斷改進完善中的翻譯仿真技術(shù)，將進一步縮短模擬機開發(fā)周期和設計圖紙驗證周期，減少人因失誤，節(jié)省人力成本，對各類模擬機產(chǎn)品開發(fā)和推動仿真行業(yè)發(fā)展有著積極的意義[4]。

6 結(jié)束語

與國內(nèi)外同行同類技術(shù)比較，本研究對翻譯后的汽輪機控制邏輯圖外觀和模塊功能響應方面都有著明顯的改進提升。目前，已在核電站機組得到廣泛的應用。