CN113011039B - 一种重型燃气轮机控制系统验证平台及验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重型燃气轮机控制系统验证平台及验证方法，该验证平台中的燃气轮机本体仿真系统和燃机辅助系统及联合循环仿真系统均用于接收燃气轮机及联合循环控制系统发送的控制指令，并返回反馈仿真信号；IGV/VGVs调节物理模拟系统包括对顶的驱动力执行机构和负载力执行机构；驱动力执行机构用于模拟IGV/VGVs动作；负载力执行机构用于为驱动力执行机构提供负载力，并接收数据采集及信号模拟系统发送的负载力控制信号；燃料调节物理模拟系统包括燃料控制阀和燃料速比阀，用于根据控制指令调节阀门开度。本发明提供的技术方案，以解决当前重型燃气轮机控制系统的验证方案存在的试验周期长、试验成本高、仿真验证精度差的问题。

Description

一种重型燃气轮机控制系统验证平台及验证方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种重型燃气轮机控制系统验证平台及验证方法。

背景技术

燃气轮机控制系统需要保障重型燃气轮机长期安全运行，并在各类故障情况下保证机组安全停机，所以在控制系统研制过程中，需要对重型燃气轮机的工作情况进行各种试验，验证控制系统设计的可靠性。

目前针对燃气轮机控制系统的设计验证有两种方式。一种是通过试验的方式，直接在燃气轮机机组上进行控制系统设计验证，该方式需在燃机本体研制完成后，才能进行控制系统验证，并且可能会因为控制系统的缺陷造成机组损伤。另一种是通过仿真的方式，目前的仿真存在关键部件仿真精度差、仿真范围有限等缺点，仅能仿真部分关键部件，无法对燃机控制系统的控制逻辑进行全面的验证。

发明内容

本发明实施例提供了一种重型燃气轮机控制系统验证平台及验证方法，以解决当前燃气轮机控制系统的验证方案存在的试验周期长、试验成本高、仿真验证精度差等缺点。

第一方面，本发明实施例提供了一种重型燃气轮机控制系统验证平台，包括：燃气轮机及联合循环控制系统、燃气轮机本体仿真系统、燃机辅助系统及联合循环仿真系统、IGV/VGVs调节物理模拟系统、燃料调节物理模拟系统和数据采集及信号模拟系统；

所述燃气轮机本体仿真系统至少包括压气机模型、燃烧室模型、透平模型、转子模型和燃料系统模型，并通过所述数据采集及信号模拟系统与所述燃气轮机及联合循环控制系统连接，用于接收所述燃气轮机及联合循环控制系统发送的控制指令，并向所述燃气轮机及联合循环控制系统发送反馈仿真信号；

所述燃机辅助系统及联合循环仿真系统至少包括燃气轮机辅助系统模型、汽轮机模型和余热锅炉模型，并与所述燃气轮机及联合循环控制系统连接，或通过所述数据采集及信号模拟系统与所述燃气轮机及联合循环控制系统连接，用于接收所述燃气轮机及联合循环控制系统的控制指令，并向所述燃气轮机及联合循环控制系统发送反馈仿真信号；

所述IGV/VGVs调节物理模拟系统包括对顶的驱动力执行机构和负载力执行机构；所述驱动力执行机构用于模拟IGV/VGVs动作，接收所述燃气轮机及联合循环控制系统的控制指令；所述负载力执行机构用于为所述驱动力执行机构提供负载力，并接收所述数据采集及信号模拟系统发送的负载力控制信号；

所述燃料调节物理模拟系统包括燃料控制阀和燃料速比阀，用于接收所述燃气轮机及联合循环控制系统发送的控制指令，以调节阀门开度；所述燃料调节物理模拟系统用于将阀门开度信息发送至所述燃气轮机本体仿真系统和所述燃气轮机及联合循环控制系统。

第二方面，本发明实施例还提供了一种重型燃气轮机控制系统验证方法，包括：

根据重型燃气轮机控制系统的设计需求和设计方案，制定所述重型燃气轮机控制系统的测试大纲和测试方案；所述测试方案至少包括控制柜、燃机主控程序、伺服控制程序、辅助系统控制程序、顺序控制程序、保护程序、人界接口验证和IO分配；

制定控制逻辑软件程序测试用例并进行软件测试；所述控制逻辑软件程序至少包括燃机主控程序、伺服控制程序、辅助系统控制程序、顺序控制程序、保护程序和人界接口程序；

制定所述重型燃气轮机控制系统的硬件测试用例并进行硬件测试；所述硬件测试用例至少包括控制柜、I/O模块和通讯网络；

制定系统集成测试用例，进行全工况系统级测试；各个工况至少包括启动工况、冷拖工况、点火工况、暖机工况、全速空载工况、并网工况、停机工况和多个不同负荷工况。

本发明中，将整个重型燃气轮机控制系统验证平台设置成为半实物仿真平台，燃气轮机及联合循环控制系统，作为总控制器能够发出控制指令和接收反馈信号；燃气轮机本体仿真系统和燃气轮机辅助系统及联合循环仿真系统均采用软件仿真实现，而该验证平台的IGV/VGVs调节物理模拟系统和燃料调节物理模拟系统，均采用实物执行机构，具体的，通过IGV/VGVs调节物理模拟系统的驱动力执行机构和负载力执行机构，模拟真实的IGV/VGVs动作，从而在接收燃气轮机及联合循环控制系统的控制指令后，反馈较为真实的反馈仿真信号，燃料调节物理模拟系统包括燃料控制阀执行机构和燃料速比阀执行机构，用于为燃气轮机控制系统提供较为真实的控制对象，便于燃气轮机及联合循环控制系统对阀门开度进行精准控制，本实施可真实的验证燃气轮机控制系统的的各个工况，不需要等待燃机本体研制完成后进行验证，极大的降低燃气轮机控制系统的研发的风险，缩短研发时间，降低验证成本，且半实物仿真的方案极大的提高了重型燃气轮机控制系统验证平台的仿真精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种重型燃气轮机控制系统验证平台的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种重型燃气轮机控制系统验证平台的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种重型燃气轮机控制系统验证平台的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种重型燃气轮机控制系统验证方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明实施例提供了一种重型燃气轮机控制系统验证平台，如图1所示，图1是本发明实施例提供的一种重型燃气轮机控制系统验证平台的结构示意图，包括：燃气轮机及联合循环控制系统1、燃气轮机本体仿真系统7、燃机辅助系统及联合循环仿真系统8、IGV/VGVs调节物理模拟系统5、燃料调节物理模拟系统6和数据采集及信号模拟系统4；

燃气轮机本体仿真系统7至少包括压气机模型、燃烧室模型、透平模型、转子模型和燃料系统模型，并通过数据采集及信号模拟系统4与燃气轮机及联合循环控制系统1连接，用于接收燃气轮机及联合循环控制系统1发送的控制指令，并向燃气轮机及联合循环控制系统1发送反馈仿真信号；

燃机辅助系统及联合循环仿真系统8至少包括燃气轮机辅助系统模型、汽轮机模型和余热锅炉模型，并与燃气轮机及联合循环控制系统1连接，或通过数据采集及信号模拟系统4与燃气轮机及联合循环控制系统1连接，用于接收燃气轮机及联合循环控制系统1的控制指令，并向燃气轮机及联合循环控制系统1发送反馈仿真信号；

IGV/VGVs调节物理模拟系统5包括对顶的驱动力执行机构51和负载力执行机构52；驱动力执行机构51用于模拟IGV/VGVs动作，接收燃气轮机及联合循环控制系统1的控制指令；负载力执行机构52用于为驱动力执行机构51提供负载力，并接收数据采集及信号模拟系统4发送的负载力控制信号；

燃料调节物理模拟系统6包括燃料控制阀61和燃料速比阀62，用于接收燃气轮机及联合循环控制系统1发送的控制指令，以调节阀门开度；燃料调节物理模拟系统6用于将阀门开度信息发送至燃气轮机本体仿真系统7和燃气轮机及联合循环控制系统1。

本发明中，将整个重型燃气轮机控制系统验证平台设置成为半实物仿真平台，燃气轮机及联合循环控制系统，作为总控制器能够发出控制指令和接收反馈信号；燃气轮机本体仿真系统和燃气轮机辅助系统及联合循环仿真系统均采用软件仿真实现，而该验证平台的IGV/VGVs调节物理模拟系统和燃料调节物理模拟系统，均采用实物执行机构，具体的，通过IGV/VGVs调节物理模拟系统的驱动力执行机构和负载力执行机构，模拟真实的IGV/VGVs动作，从而在接收燃气轮机及联合循环控制系统的控制指令后，反馈较为真实的反馈仿真信号，燃料调节物理模拟系统包括燃料控制阀执行机构和燃料速比阀执行机构，用于为燃气轮机控制系统提供较为真实的控制对象，便于燃气轮机及联合循环控制系统对阀门开度进行精准控制，本实施可真实的验证燃气轮机控制系统的各个工况，不需要等待燃机本体研制完成后进行验证，极大的降低燃气轮机控制系统的研发的风险，缩短研发时间，降低验证成本，且半实物仿真的方案极大的提高了重型燃气轮机控制系统验证平台的仿真精度。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

燃气轮机本体仿真系统7，包括压气机模型、燃烧室模型、透平模型、转子模型和燃料系统模型等各种模型，因为燃气轮机本体制作成本较高，若造成损坏会极大地效果成本，所以燃气轮机本体仿真系统7可通过Matlab/Simulink软件开发各个模型，并可接收燃气轮机及联合循环控制系统1的控制指令，并向燃气轮机及联合循环控制系统1反馈仿真信号。

同理，燃气轮机辅助系统及联合循环仿真系统8可通过MUSE仿真软件实现各个模型，例如，燃气轮机辅助系统模型、汽轮机模型、余热锅炉模型，用于接收燃气轮机及联合循环控制系统1的控制指令，并向燃气轮机及联合循环控制系统1反馈仿真信号。

燃气轮机辅助系统及联合循环仿真系统，包括燃气轮机辅助系统模型、汽轮机模型、余热锅炉模型，用于接收燃气轮机及联合循环控制系统的控制指令，并向燃气轮机及联合循环控制系统反馈仿真信号，燃气轮机辅助系统及联合循环仿真系统中的模型通过MUSE仿真软件实现。可选的，燃气轮机辅助系统模型81可以包括：罩壳及通风系统模型、盘车装置模型、进气系统和排气系统模型、空气和烟气系统模型、润滑油系统模型、控制油系统模型、燃气系统模型和清吹系统模型。

IGV/VGVs调节物理模拟系统5，包括驱动力执行机构51和负载力执行机构52，两个执行机构对顶设置。每个执行机构均可由电液伺服阀、液压缸、LVDT位移传感器等组成。其中驱动力执行机构用于模拟真实的进口导叶/核心可变导叶(IGV/VGVs)动作，接收燃气轮机及联合循环控制系统1的控制指令，并向燃气轮机及联合循环控制系统1反馈仿真信号。其中负载力执行机构51用于为驱动力执行机构52提供负载力，接收数据采集及信号模拟系统4的负载力控制信号。

燃料调节物理模拟系统6可以包括多个燃料控制阀61和多个燃料速比阀62，示例性的，可以包括5个燃料控制阀61和1个燃料速比阀62。燃料控制阀61或多个燃料速比阀62由液压执行机构、阀体、LVDT位移传感器组成，用于为燃气轮机及联合循环控制系统1提供较为真实的控制对象。其中燃料控制阀61和燃料速比阀62可接收燃气轮机及联合循环控制系统1发出的，经过故障注入后的控制指令，用于调节阀门开度，阀门开度的反馈信号一方面经过故障注入后，用到燃气轮机及联合循环控制系统1中参与控制，另一方面可经过数据采集及信号模拟系统4实现A/D转换后，送到燃气轮机本体仿真系统7中参与模型计算。

参考图2和图3，图2是本发明实施例提供的另一种重型燃气轮机控制系统验证平台的结构示意图，图3是本发明实施例提供的另一种重型燃气轮机控制系统验证平台的结构示意图，需要注意的是，因为图3所示系统较为庞大，可采用每个部件的编号代替该部件，例如，对于故障注入系统2，在图3中以“2”代替标注故障注入系统2，可选的，重型燃气轮机控制系统验证平台还可以包括：故障注入系统2；故障注入系统2与燃气轮机及联合循环控制系统1连接，用于输入模拟故障信号；模拟故障信号至少包括I/O短路故障和I/O断路故障。故障注入系统2能够模拟真实的I/O的短路、断路等故障，具体通过将模拟故障信号输入至燃气轮机及联合循环控制系统1实现故障注入过程。进一步的，故障注入系统2可以包括：故障注入软件21、模拟量输入故障注入模块22、模拟量输出故障注入模块23和BOB短路断路盒24；故障注入软件21分别与模拟量输入故障注入模块22、模拟量输出故障注入模块23和BOB短路断路盒24连接，用于控制模拟故障信号的产生，以验证燃气轮机及联合循环控制系统1的保护功能。本实施例中多平台联合燃气轮机控制系统的半实物仿真平台可以模拟燃气轮机的典型故障和IO电气故障，验证燃气轮机控制系统的保护功能。

可选的，燃气轮机及联合循环控制系统1可以包括：燃气轮机控制柜15、联合循环控制柜16、工程师站11、操作员站12、历史站13和以太环网14；燃气轮机控制柜15包括燃机控制逻辑151、燃机控制柜控制器152和燃机控制柜IO模块153；燃气轮机控制逻辑用于通过工程师站11进行燃气轮机控制逻辑组态，并下装到控制系统硬件平台的燃机控制柜控制器152中运行；操作员通过操作员站12发送燃气轮机的控制指令；历史站13用于存储和查看燃气轮机控制逻辑的运行曲线；燃机控制柜IO模块153与故障注入系统2连接；联合循环控制柜16包括联合循环控制逻辑161和联合循环控制柜控制器162；联合循环控制逻辑161用于通过工程师站11进行燃气轮机控制逻辑组态，并下装到控制系统硬件平台的联合循环控制柜控制器162中运行；联合循环控制柜16通过以太环网与燃气轮机控制柜15和燃机辅助系统及联合循环仿真系统8进行数据交换。

在本实例中，燃气轮机控制柜15可以采用NUCON控制系统硬件平台，燃气轮机控制逻辑151通过工程师站11进行燃气轮机控制逻辑组态后，下装到控制系统硬件平台的控制器152中运行，操作员可以通过操作员站12发送燃气轮机的控制指令，燃气轮机控制逻辑151的运行曲线可以通过历史站13查看，硬件平台的I/O模块153与故障注入系统2的模拟量输入故障注入模块22、模拟量输出故障注入模块23、BOB短路断路盒24通过硬接线连接。燃气轮机控制柜的IO模型153通过硬接线与控制系统故障注入系统2连接，利用故障注入软件21，可以控制IO信号的短路和断路故障，以验证IO故障时燃气轮机控制系统的保护功能。联合循环控制柜16采用NUCON控制系统硬件平台，联合循环控制逻辑161通过工程师站11进行燃气轮机控制逻辑组态后，下装到控制系统硬件平台的控制器162中运行，联合循环控制柜16通过以太环网与燃气轮机控制柜15和燃气轮机辅助系统及联合循环仿真系统8进行数据交换。

为了便于进行燃气轮机控制系统的验证，上述燃机辅助系统及联合循环仿真平台8具有工况保存和调取的功能，可通过MUSE仿真软件的工况处理功能，实现燃气轮机辅助系统模型82、汽轮机模型83、余热锅炉模型84运行数据的存取，当需要保存工况时，模型的运行数据会存入到数据库中，当需要调取工况时，数据库的数据会回读到模型中。燃机辅助系统及联合循环平台8可以控制燃机本体仿真平台7的运行，实现燃气轮机本体模型运行数据的存取。

为了便于验证燃气轮机控制系统在故障时的控制与保护功能，在燃气轮机本体仿真系统7和燃气轮机辅助及联合循环仿真系统8中，可以手动的触发燃气轮机的典型故障。

可选的，重型燃气轮机控制系统验证平台可对多个工况进行仿真验证，例如，其仿真范围可以包括：启动工况、冷拖工况、点火工况、暖机工况、全速空载工况、并网工况、不同负荷工况和停机工况。其中，所述不同负荷工况可以包括30％负荷工况、50％负荷工况、70％负荷工况和100％负荷工况等，本实施例对其不进行具体限定。

可选的，数据采集及信号模拟系统4可以包括：机箱42、控制器162、信号采集模块43、信号模拟模块44和信号调理装置41；信号调理装置41用于对经过模拟故障信号注入的I/O信号进行信号调理；信号调理装置41与信号采集模块43和信号模拟模块44相连，用于实现燃气轮机的控制指令的A/D转换和燃气轮机本体仿真模型的反馈仿真信号的D/A转换；机箱42用于实现控制器162、信号采集模块43和信号模拟模块44之间的数据通讯。

经过故障注入后的IO信号，经过信号调理装置41进行信号调理后，可通过硬接线与数据采集及信号模拟系统4中的信号采集模块43、信号模拟模块44相连，用于实现燃气轮机控制信号的A/D转换和燃机本体仿真模型的D/A转换。机箱42可通过PCIe总线实现控制器42和信号采集模块43、信号模拟模块44之间的数据通讯。

可选的，重型燃气轮机控制系统验证平台还可以包括：测量系统3；测量系统3与燃气轮机及联合循环控制系统1连接，用于模拟燃气轮机的转速信号、压力测量信号、压差测量信号和振动测量信号。可选的，测量系统3可以包括：转速模拟系统33、压力压差模拟系统31和信号发生装置32；压力压差模拟系统31包括压力泵、截止阀和多个等级的压力表；通过调节压力泵的压力等级实现压力表的不同压力等级模拟，以模拟压力及压差信号；压力压差模拟系统31还用于将压力及压差信号输出至燃气轮机及联合循环控制系统1；压力及压差信号至少包括典型压力信号、压差信号和流量信号；转速模拟系统33包括VRB转速校验台和多个转速传感器；用于模拟燃气轮机的转速信号，并将燃气轮机的转速信号输出至燃气轮机及联合循环控制系统1；信号发生装置32用于模拟振动信号，并将模拟振动信号发送至述燃气轮机及联合循环控制系统1，以验证燃气轮机的振动保护功能。

转速模拟系统33包括VRB转速校验台和多个转速传感器，例如，可包括6个转速传感器，采用VRB转速校验台实现，可单独使用VRB转速校验台对燃机转速回路进行验证，以验证实际使用的转速传感器、转速卡件、超速保护等。也可以在线的使用VRB转速校验台进行转速模拟，将仿真模型算出来的转速信号，通过数据采集及信号模拟系统4转为实际模拟量信号后，送到VRB转速校验台，转速传感器采集实际的转速信号后，分别送到燃气轮机控制柜16和燃气轮机本体仿真系统7中。

压力、压差模拟系统31，可以通过手动调节压力泵的压力等级，利用截止阀实现各个压力表的不同压力等级模拟，以模拟天然气的压力、燃料控制阀与燃料速比阀阀间压力、压气机进口压力、液压油滤网压差，然后将压力、压差信号送到燃气轮机控制柜15中，以验证燃气轮机的典型测量回路。可选的，压力表可以包括25bar等级压力表、1bar等级压力表、2bar等级压差表、5bar等级压差表等。

信号发生装置32，可以模拟振动信号，并可通过硬接线将模拟的振动信号送到燃气轮机控制柜15中，以验证燃气轮机的振动保护功能。

可选的，重型燃气轮机控制系统验证平台还可以包括：配套系统9；配套系统9包括液压油系统91和电气系统92；液压油系统91分别与IGV/VGVs调节物理模拟系统5和燃料调节物理模拟系统6连接，用于为IGV/VGVs调节物理模拟系统5和燃料调节物理模拟系统6提供液压油；电气系统92分别与燃气轮机及联合循环控制系统1、燃气轮机本体仿真系统7、燃机辅助系统及联合循环仿真系统8和数据采集及信号模拟系统4连接，用于提供电源。进一步的，液压油系统91可以包括液压油箱、控制油泵、滤油器、溢流阀、冷油机、电加热器、蓄能器、空气滤清器、液位计、液位开关、差压开关、温度传感器、压力传感器和PLC控制柜；用于为燃料控制阀61、燃料速比阀62、驱动力执行机构51和负载力执行机构52提供液压油。

在上述实施例的基础上，压气机模型71、燃烧室模型72、透平模型73、转子模型74、燃料系统模型75和燃气轮机辅助系统模型81中均包含燃气轮机的典型故障模型；典型故障模型包括：泵/风机类故障、阀类故障、泄漏故障、堵塞故障以及燃机典型故障；其中，燃机典型故障包括燃气轮机熄火、透平出口温度异常、火检探头故障、排气温度分散度异常和排气温度超温。

可选的，燃气轮机本体仿真系统7中的压气机模型71、燃烧室模型72、透平模型73、转子模型74及燃料系统模型75等个模型均可通过如下步骤获取：

建立燃气轮机的复杂的模型，将复杂的模型的稳态工况计算准确后，进行离线仿真获得全工况运行参数；模型至少包括压气机模型、燃烧室模型、透平模型、转子模型和燃料系统模型；在各个工况点对复杂的模型进行线性化处理建立燃气轮机的简化的模型；根据全工况运行参数，并通过参数辨识和分段模型修正简化的模型；将简化并修正后的模型运用于多平台联合的重型燃气轮机控制系统验证平台。

本实施中，可在Matlab/Simulink上，质量、动量和能量守恒定律，并结合压气机和透平的特性线分别建立压气机模型、燃烧室模型、透平模型、转子模型和燃料系统模型，获得燃气轮机复杂的数学模型。在Matlab/Simulink上仿真运行燃气轮机的复杂的数学模型，获得不同工况点(不同转速点、不同负荷点)燃气轮机的关键参数。本实施例可在各个工况点对燃气轮机的复杂的数学模型进行线性化处理，建立燃气轮机的简化模型。利用各工况点的仿真数据对线性化后的模型进行修正，修正后的模型通过Simulink代码生成功能编译为dll文件后，下装到数据采集及信号模拟系统的实时控制器中进行运行。

同一构思，本发明实施例还提供一种重型燃气轮机控制系统验证方法。图4是本发明实施例提供的一种重型燃气轮机控制系统验证方法的流程示意图，如图4所示，本实施例的方法包括如下步骤：

步骤S210、根据重型燃气轮机控制系统的设计需求和设计方案，制定重型燃气轮机控制系统的测试大纲和测试方案；测试方案至少包括控制柜、燃机主控程序、伺服控制程序、辅助系统控制程序、顺序控制程序、保护程序、人界接口验证和IO分配。

步骤S220、制定控制逻辑软件程序测试用例并进行软件测试；控制逻辑软件程序至少包括燃机主控程序、伺服控制程序、辅助系统控制程序、顺序控制程序、保护程序和人界接口程序。

步骤S230、制定重型燃气轮机控制系统的硬件测试用例并进行硬件测试；硬件测试用例至少包括控制柜、I/O模块和通讯网络。

步骤S240、制定系统集成测试用例，进行全工况系统级测试；各个工况至少包括启动工况、冷拖工况、点火工况、暖机工况、全速空载工况、并网工况、停机工况和多个不同负荷工况。

制定燃气轮机从启动、冷拖、点火、暖机、全速空载、并网、升负荷、降负荷、解列和停机整个全工况过程中，各主要控制逻辑和硬件的测试用例，在该平台上按照测试用例进行验证。在仿真过程中，通过模拟燃气轮机的启动工况、冷拖工况、点火工况、暖机工况、全速空载工况、并网工况、不同负荷工况和停机工况，按照本发明中的控制系统验证方案，可以对控制系统的硬件和控制逻辑进行全面验证。

本发明实施例中，多平台联合的重型燃气轮机控制系统的半实物仿真平台及方法可以对重型燃气轮机控制系统进行全面仿真，能够全面的对控制系统进行设计验证，燃气轮机及联合循环控制系统，作为总控制器能够发出控制指令和接收反馈信号；燃气轮机本体仿真系统和燃气轮机辅助系统及联合循环仿真系统均采用软件仿真实现，并且通过将燃气轮机复杂数学模型进行简化得到最终的模型，不需要等待燃机本体研制完成后进行验证，降低燃气轮机控制系统研发的风险，缩短研发时间，降低验证成本，重型燃气轮机控制系统验证平台的IGV/VGVs调节物理模拟系统和燃料调节物理模拟系统，均采用实物执行机构，具体的，通过IGV/VGVs调节物理模拟系统的驱动力执行机构和负载力执行机构，模拟真实的IGV/VGVs动作，从而在接收燃气轮机及联合循环控制系统的控制指令后，反馈较为真实的反馈仿真信号，燃料调节物理模拟系统包括燃料控制阀执行机构和燃料速比阀执行机构，用于为燃气轮机控制系统提供较为真实的控制对象，便于燃气轮机及联合循环控制系统对阀门开度进行精准控制，本实施可真实的验证燃气轮机控制系统的各个工况，半实物仿真的方案极大的提高了重型燃气轮机控制系统验证平台的仿真精度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (14)

1.一种重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，包括：燃气轮机及联合循环控制系统、燃气轮机本体仿真系统、燃机辅助系统及联合循环仿真系统、IGV/VGVs调节物理模拟系统、燃料调节物理模拟系统和数据采集及信号模拟系统；

所述燃气轮机本体仿真系统至少包括压气机模型、燃烧室模型、透平模型、转子模型和燃料系统模型，并通过所述数据采集及信号模拟系统与所述燃气轮机及联合循环控制系统连接，用于接收所述燃气轮机及联合循环控制系统发送的控制指令，并向所述燃气轮机及联合循环控制系统发送反馈仿真信号；

所述燃机辅助系统及联合循环仿真系统至少包括燃气轮机辅助系统模型、汽轮机模型和余热锅炉模型，并与所述燃气轮机及联合循环控制系统连接，或通过所述数据采集及信号模拟系统与所述燃气轮机及联合循环控制系统连接，用于接收所述燃气轮机及联合循环控制系统的控制指令，并向所述燃气轮机及联合循环控制系统发送反馈仿真信号；

所述IGV/VGVs调节物理模拟系统包括对顶的驱动力执行机构和负载力执行机构；所述驱动力执行机构用于模拟IGV/VGVs动作，接收所述燃气轮机及联合循环控制系统的控制指令；所述负载力执行机构用于为所述驱动力执行机构提供负载力，并接收所述数据采集及信号模拟系统发送的负载力控制信号；

所述燃料调节物理模拟系统包括燃料控制阀和燃料速比阀，用于接收所述燃气轮机及联合循环控制系统发送的控制指令，以调节阀门开度；所述燃料调节物理模拟系统用于将阀门开度信息发送至所述燃气轮机本体仿真系统和所述燃气轮机及联合循环控制系统。

2.根据权利要求1所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，还包括：故障注入系统；

所述故障注入系统与所述燃气轮机及联合循环控制系统连接，用于输入模拟故障信号；所述模拟故障信号至少包括I/O短路故障和I/O断路故障。

3.根据权利要求2所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，所述故障注入系统包括：故障注入软件、模拟量输入故障注入模块、模拟量输出故障注入模块和BOB短路断路盒；

所述故障注入软件分别与所述模拟量输入故障注入模块、模拟量输出故障注入模块和BOB短路断路盒连接，用于控制所述模拟故障信号的产生，以验证所述燃气轮机及联合循环控制系统的保护功能。

4.根据权利要求1所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，还包括：测量系统；

所述测量系统与所述燃气轮机及联合循环控制系统连接，用于模拟燃气轮机的转速信号、压力测量信号、压差测量信号和振动测量信号。

5.根据权利要求4所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，所述测量系统包括：转速模拟系统、压力压差模拟系统和信号发生装置；

所述压力压差模拟系统包括压力泵、截止阀和多个等级的压力表；通过调节压力泵的压力等级实现所述压力表的不同压力等级模拟，以模拟压力及压差信号；所述压力压差模拟系统还用于将所述压力及压差信号输出至所述燃气轮机及联合循环控制系统；所述压力及压差信号至少包括典型压力信号、压差信号和流量信号；

所述转速模拟系统包括VRB转速校验台和多个转速传感器；用于模拟燃气轮机的转速信号，并将所述燃气轮机的转速信号输出至所述燃气轮机及联合循环控制系统；

所述信号发生装置用于模拟振动信号，并将所述模拟振动信号发送至述燃气轮机及联合循环控制系统，以验证所述燃气轮机的振动保护功能。

6.根据权利要求1所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，还包括：配套系统；所述配套系统包括液压油系统和电气系统；

所述液压油系统分别与所述IGV/VGVs调节物理模拟系统和所述燃料调节物理模拟系统连接，用于为所述IGV/VGVs调节物理模拟系统和所述燃料调节物理模拟系统提供液压油；

所述电气系统分别与所述燃气轮机及联合循环控制系统、燃气轮机本体仿真系统、燃机辅助系统及联合循环仿真系统和数据采集及信号模拟系统连接，用于提供电源。

7.根据权利要求6所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，所述液压油系统包括液压油箱、控制油泵、滤油器、溢流阀、冷油机、电加热器、蓄能器、空气滤清器、液位计、液位开关、差压开关、温度传感器、压力传感器和PLC控制柜；用于为所述燃料控制阀、燃料速比阀、驱动力执行机构和负载力执行机构提供液压油。

8.根据权利要求2所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，所述燃气轮机及联合循环控制系统包括：燃气轮机控制柜、联合循环控制柜、工程师站、操作员站、历史站和以太环网；

所述燃气轮机控制柜包括燃机控制逻辑、燃机控制柜控制器和燃机控制柜IO模块；

所述燃气轮机控制逻辑用于通过所述工程师站进行燃气轮机控制逻辑组态，并下装到控制系统硬件平台的所述燃机控制柜控制器中运行；操作员通过所述操作员站发送燃气轮机的控制指令；所述历史站用于存储和查看燃气轮机控制逻辑的运行曲线；所述燃机控制柜IO模块与所述故障注入系统连接；

所述联合循环控制柜包括联合循环控制逻辑和联合循环控制柜控制器；

所述联合循环控制逻辑用于通过所述工程师站进行燃气轮机控制逻辑组态，并下装到控制系统硬件平台的所述联合循环控制柜控制器中运行；所述联合循环控制柜通过所述以太环网与所述燃气轮机控制柜和所述燃机辅助系统及联合循环仿真系统进行数据交换。

9.根据权利要求8所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，所述数据采集及信号模拟系统包括：机箱、控制器、信号采集模块、信号模拟模块和信号调理装置；

所述信号调理装置用于对经过模拟故障信号注入的I/O信号进行信号调理；所述信号调理装置与所述信号采集模块和信号模拟模块相连，用于实现燃气轮机的控制指令的A/D转换和燃气轮机本体仿真模型的反馈仿真信号的D/A转换；所述机箱用于实现所述控制器、所述信号采集模块和所述信号模拟模块之间的数据通讯。

10.根据权利要求1所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，所述燃气轮机辅助系统模型包括：罩壳及通风系统模型、盘车装置模型、进气系统和排气系统模型、空气和烟气系统模型、润滑油系统模型、控制油系统模型、燃气系统模型和清吹系统模型。

11.根据权利要求1所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，所述压气机模型、燃烧室模型、透平模型、转子模型、燃料系统模型和燃气轮机辅助系统模型中均包含燃气轮机的典型故障模型；

所述典型故障模型包括：泵/风机类故障、阀类故障、泄漏故障、堵塞故障以及燃机典型故障；其中，所述燃机典型故障包括燃气轮机熄火、透平出口温度异常、火检探头故障、排气温度分散度异常和排气温度超温。

12.根据权利要求1所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，所述重型燃气轮机控制系统验证平台的仿真范围包括：启动工况、冷拖工况、点火工况、暖机工况、全速空载工况、并网工况、不同负荷工况和停机工况。

13.根据权利要求1所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，其特征在于，所述燃气轮机本体仿真系统的多个模型通过以下方式获取：

建立燃气轮机的复杂的模型，将复杂的所述模型的稳态工况计算准确后，进行离线仿真获得全工况运行参数；所述模型至少包括压气机模型、燃烧室模型、透平模型、转子模型和燃料系统模型；

在各个所述工况点对复杂的模型进行线性化处理建立燃气轮机的简化的模型；

根据所述全工况运行参数，并通过参数辨识和分段模型修正简化的模型。

14.一种重型燃气轮机控制系统验证方法，其特征在于，适用于上述权利要求1-13任一项所述的重型燃气轮机控制系统验证平台，包括：

根据重型燃气轮机控制系统的设计需求和设计方案，制定所述重型燃气轮机控制系统的测试大纲和测试方案；所述测试方案至少包括控制柜、燃机主控程序、伺服控制程序、辅助系统控制程序、顺序控制程序、保护程序、人界接口验证和IO分配；

制定控制逻辑软件程序测试用例并进行软件测试；所述控制逻辑软件程序至少包括燃机主控程序、伺服控制程序、辅助系统控制程序、顺序控制程序、保护程序和人界接口程序；

制定所述重型燃气轮机控制系统的硬件测试用例并进行硬件测试；所述硬件测试用例至少包括控制柜、I/O模块和通讯网络；

制定系统集成测试用例，进行全工况系统级测试；各个工况至少包括启动工况、冷拖工况、点火工况、暖机工况、全速空载工况、并网工况、停机工况和多个不同负荷工况。

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