基于跨平台协同交互技术的核动力厂动态仿真方法及系统

本发明属于核动力厂仿真与控制，具体涉及一种基于跨平台协同交互技术的核动力厂动态仿真方法及系统。

背景技术：

1、核动力厂的设计通常包括系统结构分析、系统安全分析、数学模型建立、系统控制方案的设计、系统的仿真模拟以及系统数据参数的整定与优化等几个主要部分。

2、在核动力厂系统仿真方面，relap5是美国idaho国家工程实验室为核安全管理委员会开发的核反应堆热工水力最佳估算程序，具有模拟假设事故条件下轻水堆热力系统瞬态行为的能力。该计算软件以fortran语言作为底层代码，具有高度模块化的功能，能够将复杂的核电系统分解为功能独立的模块，降低了核动力厂建模的繁琐程度。relap5程序具有很高的国际认可度，是用于审核核电生产许可证的大型瞬态分析程序。但由于relap5程序采用编辑卡(即文本输入)方式进行建模，编写过程复杂并不直观，且出错率较高，可读性不强，不利于核反应堆控制与保护系统整体的模拟。并且，relap5计算程序中的汽轮机模型存在着不足之处：汽轮机能量方程的缺陷导致多级汽轮机组件模拟中焓的分布出现偏差。在面临较大负荷变化时，仿真结果可能与设计值发生大的偏差。因此，在使用relap5进行计算前，科研工作者需先对其源码进行修正。这涉及在能量方程中添加耗散因子、将汽轮机部件入口连接体的动量方程的离散方法由中心差分修改为向后差分，以及引入附加损失系数等调整，极大地增加了科研设计者的负担。而simulink程序作为matlab的框图式建模平台，提供了图形编辑器、模块库和求解器等功能，对于复杂的控制系统设计具备显著的优势。将relap5程序与simulink程序耦合，不仅能降低使用单一relap5仿真程序建模的难度，同时也方便研究人员快速进行反应堆系统的迭代优化。

技术实现思路

1、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，提供一种基于跨平台协同交互技术的核动力厂动态仿真方法及系统，利用relap5程序与simulink程序的耦合平台实现核动力厂的物理-热工-控制耦合仿真分析，结合了两种程序的优势，显著减轻了科研工作者的设计负担，用于解决利用relap5程序进行核动力厂仿真时控制系统建模难度大、二回路热力过程难以准确模拟等技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种基于跨平台协同交互技术的核动力厂动态仿真方法，包括以下步骤：

4、s1、修改relap5程序的数据流向并提供数据交互接口；

5、s2、在模型输入文件中定义交互数据内容，将步骤s1修改后的relap5程序封装成动态链接库文件；

6、s3、由simulink程序配合步骤s2的动态链接库文件完成耦合计算。

7、具体的，步骤s1具体为：

8、s101、修改dtstep函数实现时间步计算，使tran函数每次被调用时relap5程序计算到采样周期结束；

9、s102、修改relap5程序的数据流向，在relap5的convar函数中创建两个新的数组，分别命名为cntrlvar_in和cntrlvar_out，即输入和输出参数，用于存储交互输入变量和输出变量；修改convar函数的中sum部件的处理逻辑，使cntrlvar_out从fa数组中依次读取8000-8999编号的sum部件计算结果，然后通过交互接口将接收到的数据依次输出给外界，用于输出边界条件变量和控制系统的输入量；

10、s103、修改relap5程序中tran函数的输入参数和返回值，外界每次调用tran函数时读取变量cntrlvar_in，函数执行结束后返回变量cntrlvar_out，对外界定义与cntrlvar_in、cntrlvar_out对应的数组后，外界通过调用tran函数即可实现数据传递。

11、进一步的，步骤s102中，relap5的控制变量卡采用9999格式，将8000-8999和9000-9999编号用于控制输出和输入交互；cntrlvar_in通过交互接口依次读取来自外界的变量，并存入编号为9000-9999的constant部件对应的fa数组元素中，用于控制计算模型参数。

12、具体的，步骤s2中，将relap5程序转换成动态链接库的形式，接口通过调用三个不同功能的子函数relap5、tran和trnfin，实现与simulink程序之间的数据传递，完成耦合计算。

13、进一步的，接口通过循环调用动态链接库文件中修改过的tran函数来控制relap5程序的瞬态求解的计算进程，进而实现两个程序交换数据时仿真时间上的同步，并通过tran函数的输入参数和返回值实现两个软件之间的数据通信。

14、具体的，步骤s3具体为：

15、s301、建立模型输入文件；

16、s302、使用relap5程序进行稳态工况仿真，得到稳态工况仿真结果，记录再启动号用于载入瞬态工况的初始条件；

17、s303、在simulink程序中利用模型库技术构建核动力厂控制系统和二回路热系统仿真模型，将需要跨平台交互的relap5模型的m个输出变量按编号对应控制系统中的输入量和simulink模型需要的边界条件，relap5模型需要的n个输入变量按编号对应控制系统中的控制量和relap5模型的边界条件；

18、s304、利用matlab程序的s函数模块实现接口功能，根据模型输入文件中已建立的输入输出控制变量的编号，将按编号顺序组成的输入变量向量输入到接口中，并将需要得到的输出变量向量同时输入到接口中；

19、s305、在relap5程序的再启动输入卡中移除稳态计算过程中采用的控制变量，替换为需要simulink程序提供的n个变量；

20、s306、使用simulink程序运行数值模型和s函数模块，运行开始后，在每一个调用周期开始时，simulink程序向交互接口中依次输入交互输入变量数据，调用周期结束后，再从交互接口中依次读取输出变量数据，并不断重复该步骤直至计算结束，完成修改后的relap5程序配合simulink程序的模型参数计算过程。

21、进一步的，步骤s301中，根据原relap5程序的规则写入所有模型部件的参数变量，将需要输出的m个变量依次定义为编号8000至8000+m-1的控制变量，再将需要输入的n个变量定义为编号9000至9000+n-1的控制变量，建立模型输入文件。

22、更进一步的，m和n均小于等于1000。

23、进一步的，步骤s304中，在s函数中设置仿真初始化时读取relap5函数，实现读取模型输入文件的功能；仿真过程循环调用tran函数，进行步长的迭代和瞬态计算；仿真结束调用trnfin函数，释放不需要的动态储存数据。

24、第二方面，本发明实施例提供了一种基于跨平台协同交互技术的核动力厂动态仿真系统，包括：

25、relap5数值模型模块，使用输入模型文件建立核动力厂的一回路热工水力模型；

26、simulink数值模型模块，基于simulink的模型库技术构建核动力厂的控制系统模型和二回路热力系统模型；

27、接口程序模块，通过调用由relap5程序封装好的动态链接库文件实现relap5程序和simulink程序之间的数据交换；

28、relap5数值模型模块和simulink数值模型模块通过接口程序模块进行参数交互协同工作，完成relap5程序与simulink程序之间的耦合计算。

29、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

30、一种基于跨平台协同交互技术的核动力厂动态仿真方法，充分利用relap5程序在热工水力数值模拟方面的强大功能，并且避免relap5程序在汽轮机等部件仿真上的缺陷；relap5程序执行过程是一体化形式，数据的更迭都在内存中进行，中间无法输出数据，在与matlab程序建立连接后，可以将相关参数保留在matlab程序的工作区中；simulink程序对于复杂的控制系统设计具有较强的优势，可以灵活地完成反应堆控制系统的设计与仿真，以及可以在设计的控制系统中使用先进的算法。

31、进一步的，通过在dtstep函数中设置结束时间，确定simulink程序与relap5程序实现显示耦合计算的时刻。因为relap5程序的计算步长会发生变化，不能确定每个调用周期的计算步数，需要确定当前调用周期的结束时间。等待relap5程序完成一个调用周期的计算工作，然后暂停其计算进程，完成一次数据交互，再进入simulink程序的计算周期。

32、进一步的，通过修改relap5的数据流向，使其将输入或输出数据与simulink程序中对应的变量做交互。通过修改relap5程序sum部件和constant部件的处理逻辑，将relap5中这两个控制部件对应的fa数组元素与数组cntrlvar_in、cntrlvar_out建立联系。

33、进一步的，修改relap5程序中的tran函数的输入参数和返回值，为输入数据和输出数据提供接口。通过在tran函数中引入形式参数和返回值，使每次调用tran函数后，数组cntrlvar_in和cntrlvar_out与外界变量实现交互。

34、进一步的，将relap5程序转换成动态链接库的形式，实现了模块化、互操作、易维护。通过将relap5程序拆分成子函数和使用动态链接库，实现了更好的模块化性，使代码易于管理。通过接口和数据传递，实现了relap5程序与simulink程序之间的互操作性。使两个不同的软件系统协同工作，共享数据和结果，从而完成耦合计算。将代码分成模块并使用动态链接库，有助于提高代码的可维护性。当需要进行修改或更新时，只需关注特定模块，而不必影响整个系统。

35、进一步的，使用模型库技术建立核动力厂二回路热力系统模型，用户能够很方便地从开发好的模型库里边选择所需设备的模块进行单体调试、仿真研究或进行核动力厂动态仿真模型的迭代优化；利用matlab程序的功能特性可轻易得到各类图像仿真结果，便于校验耦合程序仿真效果，面对仿真过程中系统出现的问题与漏洞也会更加容易地定位与修正。

36、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

37、综上所述，本发明有助于更高效、准确、可控的核动力厂动态仿真分析，支持快速设计和修改控制系统，提高了系统的模块化程度和可维护性，并降低了建模和仿真的难度，从而为核动力厂的设计和优化提供了更好的工具和方法。

38、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。