一种模拟汽轮发电机运行工况的半实物仿真实验平台的制作方法

本技术涉及半实物仿真试验平台，尤其涉及一种模拟汽轮发电机运行工况的半实物仿真实验平台。

背景技术：

1、燃煤发电在中国能源结构中一直占据主导地位，而煤电机组作为燃煤发电业务的核心设备，承担着将化学能高效率转化为电能的作用。煤电机组中的汽轮发电机能将高温蒸汽的热能转化为机械能再转化为电能，传输到电网中，因此汽轮发电机设备的稳定运行对整个电网环境十分重要。然而，汽轮发电机不仅包含众多的设备，而且控制保护逻辑冗余复杂，整体承担着稳定电网环境的任务，因此需要对电力系统的电能质量、稳定性及安全性的要求较高。

2、同时，近年来，为提升新型电力系统建设中清洁高效先进节能的煤电技术，也进一步提升了对煤电核心设备汽轮发电机的研究。而在实际机组或燃煤电厂进行各项相关研究过程中，可能存在实验条件不允许的情况，比如需要故障或者危害电网的工况，模拟网络安全攻击对设备的危害，要么全仿真试验缺乏可信度。

3、现有的汽轮发电机半实物仿真平台技术方案一般通过仿真器或控制模拟实现汽轮发电机的运行工况，然后针对单个控制器设备进行仿真测试验证；另一种技术方案是将仿真器作为控制器来对小功率实物设备进行半实物仿真试验，主要测试针对控制策略算法的验证。

4、对于公开日为2009年3月18日，公开号为cn101388156a的中国专利文献，公开了一种汽轮机deh伺服系统的半实物仿真平台，该平台由汽轮机deh调节阀的仿真，汽轮机的仿真，汽轮机带动发电机的仿真，实际电网的仿真构成，它包括液压动力源，单作用油动机，伺服阀和伺服阀控制器，微处理器和电路模块，伺服电机、伺服电机驱动器、位移传感器、测频元件、测功元件、发电机、电网模块。该方案是针对实际汽轮机deh伺服系统的电厂大系统，对其进行半实物化的仿真，将其各部分的结构动作组合形成大系统，但是该方案中只包含真实的deh控制系统，其他控制系统及设备均通过仿真器实现，该半实物仿真平台只针对实际汽轮机deh伺服系统的电厂大系统，对其进行半实物化的仿真，将其各部分的结构动作组合成大系统，以达到说明和演示其运行效果，完成了对汽轮机deh伺服系统的仿真，且该半实物仿真平台只是针对单个控制器系统的仿真平台。

5、对于公开日为2021年10月22日，公开号为cn214474585u的中国专利文献，公开了一种基于plc的核电汽轮发电机仿真机箱，该仿真机箱包括机箱正门、机箱背门和箱体；在所述的机箱正门内的箱体中设有负载电源、浪涌保护器、空开、系统电源、cpu控制器、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、接线槽；在所述的机箱背门内的箱体中设有接线端子排、继电器、接线槽。该方案主要是基于plc的仿真机箱，可以模拟汽轮发电机的全部工况，在汽轮机控制系统deh正式投运前进行系统调试，保证汽轮发电机组的安全，也是只针对单个控制器系统的仿真平台。

6、对于公开日为2018年01月05日，公开号为cn107544283a的中国专利文献，公开了一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统，该系统包括上位机、仿真目标机、i/0扩展机箱和外界实物设备，所述上位机实现虚拟同步发电机控制策略的数字仿真，所述仿真目标机实现虚拟同步机控制策略的实时仿真，上位机与仿真目标机通过cable网线相连，所述i/0扩展机箱连接仿真目标机以及所述外界实物设备，通过pci-e互联。该技术方案是将仿真器作为控制器实现电压电流双闭环控制策略，而将三相桥电力电子装置作为实物被控对象，该半实物仿真系统能较好的验证所提控制策略，但无法较为真实地反应真实的现场控制策略。

7、鉴于上述传统手段中的半实物仿真技术，均不能全面反应真实电厂的各种控制现场，所以需要设计一种可对实际电厂真实情况全面进行仿真并形成控制现场的半实物仿真平台。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提出一种模拟汽轮发电机运行工况的半实物仿真实验平台，通过实时数字仿真器、仿真上位计算机可精确模拟汽轮发电机组的各种特性，结合各控制器的设计，可以精确模拟各种危险工况，可用于各工况对控制算法、稳定性分析、网络安全攻击等方面的研究。

2、本实用新型的技术方案如下：

3、一种模拟汽轮发电机运行工况的半实物仿真实验平台，包括实时数字仿真器、仿真上位计算机、汽轮机数字电液控制器（deh）、汽轮机危机遮断系统（ets）、工程师站计算机、数字信号放大器、发电机励磁系统、发电机同期装置、发变组保护屏、接线转接柜；

4、所述仿真上位计算机通过网线三与实时数字仿真器连接形成可执行代码的传输通路，所述仿真上位计算机用于对相应设备的仿真模型进行编辑、编译，将生成的仿真模型的可执行代码传输到实时数字仿真器中，实时数字仿真器执行仿真上位计算机生成的可执行代码，实现被控对象汽轮机、发电机、电网等设备的模型计算；

5、所述工程师站计算机通过网线一与汽轮机数字电液控制器连接，汽轮机数字电液控制器通过硬接线与接线转接柜连接，工程师站计算机、汽轮机数字电液控制器和形成接线转接柜控制信号传输通路一；所述工程师站计算机将控制保护逻辑经网线传输给汽轮机数字电液控制器，汽轮机数字电液控制器通过接线转接柜接收实时数字仿真器中仿真模型运算得到的状态量并进行计算，然后将控制信号分别通过传输通路、控制信号通路一传输到实时数字仿真器、工程师站计算机；

6、所述工程师站计算机通过网线二与汽轮机危机遮断系统连接，汽轮机危机遮断系统通过硬接线与接线转接柜连接，工程师站计算机、汽轮机危机遮断系统和形成接线转接柜控制信号传输通路二；所述工程师站计算机安装有可编程控制器对应的组态编程软件，编辑编译控制保护逻辑后，将控制保护逻辑经网线传输给汽轮机危机遮断系统，汽轮机危机遮断系统通过接线转接柜接收实时数字仿真器中仿真模型运算得到的状态量并进行计算，然后将控制保护信号分别通过传输通路、控制信号传输通路一、控制信号传输通路二传输到实时数字仿真器、汽轮机数字电液控制系统、工程师站计算机；

7、所述数字信号放大器、发电机励磁系统、发电机同期装置、发变组保护屏分别通过硬接线与接线转接柜连接。

8、进一步地，所述数字信号放大器、接线转接柜和发电机励磁系统、发电机同期装置、发变组保护屏分别形成三条放大信号传输通路，具体是，数字信号放大器通过接线转接柜接收实时数字仿真器中的发电机电压电流模拟状态信号，将其放大为更大功率的电压电流信号，然后通过三条放大信号传输通路分别输出到发电机励磁系统、同期装置、发变组保护屏。

9、进一步地，所述发电机励磁系统接收数字信号放大器的电压电流信号并计算出励磁电压信号后，按照发电机励磁系统、接线转接柜和实时数字仿真器的方向形成励磁电压信号输出通路。

10、进一步地，所述发电机同期装置接收数字信号放大器的电压信号和汽轮机数字电液控制器的控制指令后，按照发电机同期装置、接线转接柜和实时数字仿真器的方向形成合闸信号输出通路，控制电压幅值频率相位使得实时数字仿真器中的发电机模型在允许范围内进行合闸。

11、进一步地，发变组保护屏通过时刻监视数字信号放大器的电压电流信号，当满足发电机保护触发条件时，按照发变组保护屏、接线转接柜和实时数字仿真器的方向形成保护信号输出通路，按照发变组保护屏、接线转接柜和汽轮机数字电液控制器、汽轮机危机遮断控制系统形成停机跳闸解列信号输出通路。

12、进一步地，所述接线转接柜为方便各设备硬接线，将实时数字仿真器、汽轮机数字电液控制器、汽轮机危机遮断控制系统、数字信号放大器、发电机励磁系统、发电机同期装置、发变组保护屏的输入输出接口均连接到接线转接柜，使得复杂的设备柜间接线转换为控制器内的柜内接线。

13、进一步地，所述仿真上位计算机编辑、编译的仿真模型涉及的相应设备至少包括汽轮机、发电机、电网。

14、进一步地，所述汽轮机数字电液控制器、汽轮机危机遮断系统均采用实际电厂对应使用的可编程控制器设备。

15、进一步地，所述发电机励磁系统采用实际电厂使用的励磁系统设备。

16、进一步地，所述发电机同期装置采用实际电厂使用的发电机同期装置。

17、本实用新型的技术效果如下：

18、本实用新型能全面地反应汽轮发电机各主要设备的运行工况，各控制器采用真实的控制器实现控制保护逻辑，仿真模型根据主机厂及电厂运行数据进行校验，因此能真实的反应各设备状态；本实用新型通过各条通路能针对系统内各控制保护系统进行单独的仿真测试验证，确保控制器系统各部分，由于采用多个控制系统设备，因此本仿真平台可以对于每一个控制器系统进行校验，节约测试成本；同时，本实用新型能更好地应用于网络安全研究，由于其仿真模型采用正向机理建模的方式，可以清晰地反应出危险工况下各设备系统的反应。