基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統的制作方法

基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統的制作方法
【專利摘要】本發明給出了一種基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，采用可編程邏輯控制器等建立半實物仿真系統，通過輸入輸出模塊模擬執行元件和傳感器的工作，給出了可編程邏輯控制器中發電機組啟動過程、穩定運行、擾動運行以及環境溫度等狀態仿真方法，仿真基于歷史運行數據建立模型，避免了由于缺乏機理研究造成的建模困難。本發明提供的仿真系統能夠在設計階段為低溫低壓環境下的發電機組運行平臺的研制提供驗證和測試手段，同時基于數據的仿真方法對其他復雜裝備的運行仿真也有借鑒意義。
【專利說明】基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，特別是一種基于數 據的發電機組運行仿真系統，屬于極地裝備自動控制【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 運行仿真技術通過深入研究具體系統功能與作用機制，建立一定的系統模型，對 系統進行試驗研究。通過仿真可以有效縮短產品設計與測試時間，減少設計成本，因此是復 雜裝備設計和驗證過程中的重要一環。隨著控制工程、系統工程以及計算機技術的不斷發 展，仿真技術已經從簡單系統走向復雜系統，從連續系統仿真走向離散事件系統仿真，從模 擬仿真走向數字仿真與虛擬仿真，從實物仿真走向半實物仿真，應用領域覆蓋各行各業。
[0003] 南極Doma A區域被認為是南極大陸上除地磁極點，低溫冰點和地球極點之后地球 上最佳的天文觀測臺址。為在此區域開展科考探索，需要一套支撐平臺，以保障天文觀測和 其他科學探測任務的可靠進行，實現整年無人值守自動運行。南極科考支撐平臺為天文觀 測提供電源和環境保護，其由能源系統、結構與溫控系統、控制系統、數據存儲以及通信系 統等組成，是一套復雜的自動化裝備。系統采用燃油發電機組提供能源，南極內陸的極端自 然環境對科考支撐平臺運行提出了嚴苛的性能要求，為了獲得可靠穩定的平臺，需要對系 統各關鍵部分尤其是能源系統進行持續的優化和改進。
[0004] 南極科考支撐平臺運行于南極內陸，在現場進行研制和實驗是不現實的。由于 缺乏極端環境對平臺燃油發電系統運行影響的經驗及依據，如果采用研制一運行一改 進一再研制的模式，不僅會大幅增加成本，還將加長系統研制周期。因此，有必要采用運 行仿真系統，從而可以在設計階段提供研制與試驗環境，對平臺各關鍵技術進行系統分析， 尤其是通過運行環境仿真為平臺控制系統功能測試提供必要條件。這里所指的環境仿真是 通過模擬控制系統所需采集的相關物理參數（如發電機組電壓，工作環境溫度等）并根據 控制系統命令更新變化物理參數，以此提供控制系統運行環境。
[0005] 運行仿真主要通過接收控制系統控制信號，進而根據一定的規律模擬燃油發電機 組的運行邏輯，并為主控系統提供各類傳感器信號與起停狀態信號。一種實現方法是設計 信號發生電路，但是由于主控系統采集信號種類不同需要設計不同的電路，而且控制系統 所需采集的信號數量較多，需要設計大量電路來提供信號，并且對每個信號發生電路都必 須進行測試才能應用，這種方法研制周期較長。而且各路模擬信號要隨時根據控制系統的 控制作用發生變化，這對于眾多的信號發生電路而言將是較為繁雜的。另一種方法是采用 半實物仿真，其技術特點是在采用計算機仿真基礎上，在仿真回路中接入部分實物進行仿 真。采用半實物仿真可以用實物（如傳感器、控制計算機、執行機構）來取代原有的部分數 學模型，從而得到更精確的信息。這些方法在仿真中都需要對對象的運行規律和物理特性 有一定的了解，從而可以建立一定的模型，在目前對極端環境下燃油發電機組運行特性還 缺乏一定的機理研究情況下，如果能夠充分利用系統歷史運行中積累的數據，從中尋找運 行規律并建立仿真系統，則更能反映系統實際運行狀態。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的是提供一種基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，以 實現科考支撐平臺發電機組在控制系統作用下運行狀態的仿真。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：
[0008] 基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統主要由可編程邏輯控制器 (PLC)、輸入輸出（I/O)站點和監控計算機組成。PLC中包括啟動過程狀態仿真模塊、穩定運 行狀態仿真模塊、擾動運行狀態仿真模塊和運行環境溫度仿真模塊等仿真算法。運行仿真 系統與發電機組控制系統相連。
[0009] 上述可編程邏輯控制器是運行仿真系統的計算中心，根據各仿真模塊的功能模擬 低溫低氣壓環境下發電機組的運行狀態及信號輸入與輸出。輸入輸出（I/O)站點用于控制 信號輸入和狀態信號輸出，每個輸入輸出站點由若干PLC輸入模塊和輸出模塊構成，輸入 輸出（I/O)站點的數量根據仿真系統信號數量確定。采用PLC模擬量和數字量輸入模塊，分 別采集控制系統的模擬量輸出和數字量輸出控制信號；采用PLC模擬量和數字量輸出模塊 分別用于運行仿真系統的模擬量和數字量信號輸出，為控制系統提供信號輸入。為了仿真 溫度傳感器信號輸出，在輸入輸出站點中采用模擬量輸出模塊，可編程邏輯控制器對輸出 溫度值進行工程量變換，控制系統對其進行采集并進行相應的工程量變化得到溫度值。輸 入輸出站點的輸入模塊和控制系統的輸出模塊之間，以及輸入輸出站點的輸出模塊和控制 系統的輸入模塊之間，對應的信號端口具有相適應的電平，或通過信號轉換電路使相互之 間的電平相適應，使模塊對應端口相連。PLC和各I/O站點通過控制網絡或PLC擴展槽連 接。監控計算機用于仿真系統參數設定和仿真過程監控，可編程邏輯控制器通過其以太網 通信模塊以及交換機與監控計算機連接，
[0010] 上述啟動過程狀態仿真模塊用于模擬啟動過程的電壓輸出。為仿真發電機組在不 同環境溫度下的啟動過程狀態，將其啟動過程分為3個階段，第一階段發電機組開始起動， 電壓緩慢上升；在第二階段當電壓達到200V時，視為發電機組啟動成功；第三階段為從啟 動成功到進入穩定運行狀態。記T tl為第一階段啟動時間，T1為啟動成功的時間，T2為進入 穩定運行的時間，U tl為第一階段臨界電壓閾值，U1 = 200V為啟動成功時電壓閾值，U2為穩 定運行時的電壓閾值，隊和％不同溫度時有所不同，仿真中采用一定條件的隨機值。對發 電機組啟動過程電壓輸出曲線作線性化處理，不同環境溫度下，各階段電壓曲線斜率有所 不同，以模擬不同溫度下啟動過程的快慢，溫度越低時，斜率越低，啟動過程越慢。同時各階 段曲線斜率為一定范圍內的隨機值，以模擬啟動過程的隨機性。啟動過程的三個階段電壓 曲線斜率分別近似為：

【權利要求】
1. 一種基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，其特征在于：包括可編程 邏輯控制器（PLC)、輸入輸出（I/O)站點、監控計算機和交換機；其中，所述可編程邏輯控制 器中包括啟動過程狀態仿真模塊、穩定運行狀態仿真模塊、擾動運行狀態仿真模塊和運行 環境溫度仿真模塊四個仿真模塊；運行仿真系統與發電機組相應的控制系統相連。
2. 根據權利要求1所述的基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，其特征 是：所述可編程邏輯控制器是運行仿真系統的計算中心，根據其內的各仿真模塊的功能模 擬低溫低氣壓環境下發電機組的運行狀態及信號輸入與輸出；輸入輸出站點用于控制信號 輸入和狀態信號輸出，每個輸入輸出站點由若干可編程邏輯控制器輸入模塊和輸出模塊構 成，輸入輸出站點的數量根據仿真系統信號數量確定；采用可編程邏輯控制器模擬量和數 字量輸入模塊，分別采集控制系統的模擬量輸出和數字量輸出控制信號；采用可編程邏輯 控制器模擬量和數字量輸出模塊分別用于運行仿真系統的模擬量和數字量信號輸出，為控 制系統提供信號輸入；為了仿真溫度傳感器信號輸出，在輸入輸出站點中米用模擬量輸出 模塊，可編程邏輯控制器根據待輸出溫度值進行工程量變換，控制系統對其進行采集并進 行相應的工程量變化得到溫度值；輸入輸出站點的輸入模塊和控制系統的輸出模塊之間， 以及輸入輸出站點的輸出模塊和控制系統的輸入模塊之間，對應的信號端口具有相適應的 電平，或通過信號轉換電路使相互之間的電平相適應，使模塊對應端口相連；可編程邏輯控 制器和各輸入輸出站點通過控制網絡或可編程邏輯控制器擴展槽連接，可編程邏輯控制器 配置有以太網通信模塊；監控計算機用于仿真系統參數設定和仿真過程監控，可編程邏輯 控制器通過其以太網通信模塊以及交換機與監控計算機連接。
3. 根據權利要求1所述的基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，其特征 是：所述可編程邏輯控制器中啟動過程狀態仿真模塊用于模擬啟動過程的電壓輸出；為仿 真發電機組在不同初始環境溫度下的啟動過程狀態，將其啟動過程分為3個階段，第一階 段發電機組開始起動，電壓緩慢上升；在第二階段當電壓達到200V時，視為發電機組啟動 成功；第三階段為從啟動成功到進入穩定運行狀態；記Ttl為第一階段啟動時間，1\為啟動成 功的時間，T2為進入穩定運行的時間，Utl為第一階段臨界電壓閾值，U1 = 200V為啟動成功 時電壓閾值，U2為穩定運行時的電壓閾值，UjPU2不同溫度時有所不同，仿真中采用一定條 件的隨機值；對發電機組啟動過程電壓輸出曲線作線性化處理，不同初始環境溫度下，各階 段電壓曲線斜率有所不同，以模擬不同溫度下啟動過程的快慢，溫度越低時，斜率越低，啟 動過程越慢；同時各階段曲線斜率為一定范圍內的隨機值，以模擬啟動過程的隨機性；啟 動過程的三個階段電壓曲線斜率分別近似為：
4. 根據權利要求3所述的基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，其特征 是：所述^-、為啟動過程三個階段的時間間隔，初始環境溫度不同時，取值有所不同；根據 歷史運行數據，當初始環境溫度在20°C以上時，啟動時間為2-5秒，14-28秒后穩定；當初始 環境溫度在l〇°C-20°C時，啟動時間為5-9秒，35-50秒后穩定；當初始環境溫度介于(TC到 KTC之間時，啟動時間需要9-20秒，40-70秒后穩定；當初始環境溫度低于(TC，啟動時間需 要20-30秒，50-90秒后穩定；仿真中根據發電機組的初始環境環境溫度以及以上數據隨機 產生&46值。
5. 根據權利要求1所述的基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，其特征 是：所述可編程邏輯控制器中穩定運行狀態仿真模塊用于模擬穩定運行狀態下的電壓與電 流輸出；穩定運行過程中的電壓電流取為隨機變量，仿真中同時考慮其取值的可能大小，以 及其取某值的可能性大小；記發電機組穩定運行時輸出電壓為隨機變量X，根據歷史運行 數據中電壓值的頻率分布模擬計算電壓值，取電壓值頻率分布隨機值re[〇, 1]，r取三位 精度小數；將發電機組穩定運行時輸出電壓區間220V-270V分為四個區間，即220-230V、 230-245V、245-255V和255V-270V，其出現的頻率r分別為Pl，p2,p3,p3，對應的電壓輸出分 別為： 若(Kr彡P1,X= 17^3(230-220)+220 ; 若P1Cr<p2,X= 230+(1^)/^2^)4245-230); 若p2〈r<p3,X= 245+(r_p2)/(p3-p2) *(255-245); 若p3〈r彡 1，x= 255+ (r-p3)Λ?-ρ3) * (270-255)。
6. 根據權利要求5所述的基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，其特 征是：所述穩定運行狀態下的電流輸出，當發電機組空載運行時，初始電流輸出Itl約為 I. 5A?2.OA;設當前運行電流為I，運行電壓U，則當增加或減少一個額定功率為P的負載 時，發電機組運行電流將增加或減少約kP/U，其中，k為修正系數，根據實際測試中電流變 化值ΛI與P/U的比例，然后取所有比值的平均值得到；將用電設備記為SiQ= 1，2,…N)， 其額定功率分別為PiJi代表當前該設備的工作狀態，其中Fi = 0表示不工作，Fi = 1表示 工作，則發電機組當前電流I為： ^NP 1 = + Ft
7. 根據權利要求1所述的基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，其特征 是：所述可編程邏輯控制器中擾動狀態仿真模塊模擬擾動狀態下的電壓電流輸出，對于電 壓與電流輸出，隨機產生干擾持續的時間T，在時間T內，生成干擾信號Ar,Ar幅度為一定 范圍內的隨機值，Ar可正可負，每隔一時間間隔At，將Ar疊加到電壓或電流信號X上， 即在擾動過程中時刻t的電壓或電流信號X(t) =X(t-At) +Ar(t)。
8. 根據權利要求1所述的基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，其特 征是：所述可編程邏輯控制器中環境溫度仿真模塊模擬環境溫度在控制系統作用下整體變 化趨勢，以反映各溫度測點的變化對控制系統功能的影響；仿真過程中，每個影響溫度變化 的元件在其額定功率下對每個溫度測點溫度變化的作用恒定，即某個元件單獨工作時，該 元件對特定溫度測點的溫度變化率影響因子K(°C/min) -定，影響溫度變化的元件對每個 溫度測點的溫度變化影響和溫度測點與發熱元件或排氣裝置之間的距離相關，當距離較近 時，溫度變化率影響因子較大，當距離較遠時，溫度變化率影響因子較小；其中，所述影響溫 度變化的元件包括發電機組、加熱器、排風扇和入風口。
9. 根據權利要求8所述的基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，其特征 是：將影響溫度變化的元件集合記為Ui(i= 1，…N)，溫度傳感器編號為Sj(j= 1，2…8)， 每個元件Ui在額定功率下工作時對于每個傳感器&處的溫度變化率影響因子為Km入風 口對于溫度傳感器I溫度變化影響因子設為K/，對于傳感器SpFi代表當前該設備的工作 狀態，其中Fi =O表示不工作，Fi = 1表示工作，則其測點溫度變化率為：
10. 根據權利要求8所述的基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，其特 征是：所述溫度傳感器I溫度變化影響因子的確定方法是：給定初始環境，溫度傳感器因 子Sj處初始溫度為Tj，經過時間t后，環境溫度達到穩定后溫度為Tj '，則入風口對于測點 Sj處溫度變化率貢獻為：;環境溫度趨于穩定，溫度傳感器I處溫度為T/時， 分別單獨啟動元件Ui,測得環境溫度基本趨于穩定時溫度傳感器Sj處的溫度Tij，所經歷時 間為t'，則元件Ui對于溫度傳感器&處溫度變化率貢獻為：< =。
11. 根據權利要求8所述的基于數據的低溫低氣壓環境發電機組運行仿真系統，其特 征是：為了模擬環境溫度變化的慣性作用，假設當元件Ui開或關時，溫度傳感器I的溫度變 化影響因子Kj需要經過一定的遲滯時間t才能達到穩定；設當前溫度傳感器Sj溫度變化影 響因子Kj，若關閉元件Ui,則當穩定時溫度傳感器Sj溫度變化率為Kj-Kij;在遲滯時間內的 變化過程中；令Λt=t/M，M為一整數，每隔Λt對各溫度傳感器Sj處溫度變化影響因子 Kj作出更新，即& =I-KyM;當&經歷M次更新后，不再變化；當確定了各溫度傳感器Sj 處溫度變化影響因子Kj后，溫度傳感器Sj處溫度Tj的值則可以根據當前溫度變化影響因 子Kj每隔一定時間間隔Λt'進行更新，即Tj =I^KjΛt'。
【文檔編號】G05B17/02GK104238376SQ201410520562
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】方仕雄, 魏海坤, 張侃健, 陳海強 申請人:東南大學