核电数字孪生系统DCS初始化技术研究1. 概述核电仿真模型是实现孪生核电站的基础。真实核电机组的不同设备、系统对应不同的仿真模型，这就导致仿真建模需要具备设备多样、参数多样、属性多样的复杂关系属性。建立核电数字孪生系统首先要对各种复杂设备的参数、性能、特征、以及设备之间的关系的进行数字表达，满足静态以及动态的设备及系统建模需要(如设备约束关系、设备上下游关系、设备参数动态定义、设备参数关联性等)，以适应不同设备、系统、机组的定义需要1。要实现现实核电站与数字孪生系统的交互与协同，就需要使用高效的数据分析和计算技术，譬如利用分布式并行计算技术、多线程技术等，将各类核电设备和系统的性能参数、运行状态、影响因素和运行流程实时反馈在仿真模型中，继而实现针对系统和设备运行过程的真实映射2，这就是仿真模型状态跟踪技术。DCS 初始化是仿真模型状态跟踪技术中的关键环节。DCS 初始化有两种思路：一种是通过对过程控制层(DCS 一层)的初始化实现，这种方法虽然精度和效率较高，但要求核电机组存储海量的历史数据， 一般核电站出于安全考虑不会存储一层的 I/O 及中间变量，因此这种方法不能普及；另一种是通过对人机界面层(DCS 二层)的初始化实现，这种方法不能保证初始化后的数字孪生样机与机组 DCS 完全一致， 但是能够保证样机所有设备状态与机组一致，满足仿真模型状态跟踪的要求，因此，本文采用基于 DCS 二层的初始化方法。2. 原理分析2.1. 系统组成结构DCS 初始化工具的功能是将数字孪生系统仿真模型中的各个设备在较短时间内自动达到指定的电厂某个时刻实际运行状态。DCS 初始化工具的输入是电厂某时刻的实际运行数据，输出是达成和电厂运行状态一致的设备仿真模型。(图1)Figure 1. DCS initialization system composition structure diagram图 1. DCS 初始化系统组成结构图2.2. DCS 初始化工具功能模块根据电厂实际运行数据分析和模型建模经验，将 DCS 初始化工具分为创建跟踪点、初态分析以及初始化三大模块，各模块依次按顺序执行。下文介绍三大模块各自的主体功能设计。(图2)Figure 2. DCS initialization tool module relationship diagram图 2. DCS 初始化工具模块关系图3. 实现方法3.1. 创建跟踪点创建跟踪点是指 DCS 初始化工具接收到电厂 DCS 某一时刻的运行数据后，对数据进行分析，初步判断当前的数据和已保存的仿真模型 IC 数据的参数近似性，并将数字孪生系统复位到与电厂该时刻最相近状态的过程。状态确认分为机组数据导入、数据分析和检索、和数字孪生系统状态复位 3 个步骤。为驱动状态复位功能，需预存足够的模型 IC (初始状态)。按 5%功率间隔从满功率到零功率降低过程保存 21 个 IC 状态和零功率到 40%全功率 8 个IC 状态，共 29 个预存 IC 状态点。按功率 P、温度 T 对应 IC 号N 关系建立检索函数关系式：f(P,T) = N3.1.1. 机组数据导入在核电数字孪生系统中，预先将机组数据存储在时序数据库 IOTDB 中，IOTDB 是一款聚焦工业物联网、高性能轻量级的时序数据管理系统，也是一款开源时序数据库，为用户提供数据收集、存储和分析等服务3。在 DCS 初始化工具的客户端界面选择初始化的时间点，工具查询时序数据库获取机组该时刻的电功率、平均温度以及所有设备的状态，并写入数字孪生系统的共享内存中，供后续数据分析和初始化使用。3.1.2. 数据分析和检索数据分析过程中首先获取共享内存中当前电功率数据，将电功率和额定功率进行比较计算得到归一化功率。如归一化功率大于 40%，则从满功率向下寻找最接近该功率的 IC；如归一化功率小于 40%，则先依据功率和温度判断该过程是升功率或降功率，确定过程后再依据功率检索最接近 IC。整个过程如下图3 所示：Figure 3. IC retrieval logic process图 3. IC 检索逻辑过程3.1.3. 数字孪生系统状态复位通过数据分析和检索获取数字孪生系统中最接近的 IC 后，DCS 初始化工具通过仿真平台的外部接口复位该 IC，此时，数字孪生系统与机组达到较为相近的运行工况。3.2. 初态分析以福清核电 3 号机组为例，DCS 二层采用的是ATOS 的 ADACS_N 系统，该系统中设备状态(device state，简称 DSTA)分为 9 类：全开(启/合闸)、全关(停/分闸)、正在开、正在关、中间位置、开故障、关故障、中间位置故障、其他故障；设备基本状态(basic device state，简称 BSTA)分为 4 类：全开(启/合闸)、全关(停/分闸)、中间位置、故障。两者之间的关系如表1 所示：Table 1. The corresponding relationship between equipment status and equipment basic status表 1. 设备状态与设备基本状态对应关系表设备状态状态码设备基本状态基本状态码全开(启/合闸)0全开(启/合闸)0全关(停/分闸)1全关(停/分闸)1正在开2正在关3中间位置2中间位置4开故障5关故障中间位置故障67故障3其他故障8ADACS_N 系统数据库中存储的设备状态码为“基本设备状态码”，数字孪生系统的计算服务器也计算了设备 BSTA，遍历数字孪生系统中所有设备，获取 BSTA 并与机组当前时刻的设备状态进行比较， 即可得到待初始化设备清单，机组设备 BSTA 为仿真模型目标状态。3.3. 对象初始化初 始 化 对 象 按 照 PO ( 即 process object ： 过 程 对 象 类 型 ) 可 分 为 AIR_OP_DAMPER 、BINARY_ACTUATOR、BLOCK_VALVE、BLOCK_STP_VALVE、SOL_VALVE_FO、SOL_VALVE_FC、LOOP_CONTROL、LOOP_VALVE_FO、LOOP_VALVE_FC、SELECTOR、MULTI_COMMANDS 共 11类4，为了简化模型，将初始化对象抽象为如下 3 类(表2)：Table 2. Initialization object classification table表 2. 初始化对象分类表操作类型过程对象类型操作命令命令类型AIR_OP_DAMPER普通开关类设备调节阀BINARY_ACTUATOR BLOCK_VALVE BLOCK_STP_VALVE SOL_VALVE_FO SOL_VALVE_FCLOOP_CONTROLLOOP_VALVE_FO LOOP_VALVE_FCCIN_1 CIN_2 CIN_3 CIN_4 CIN_5 CIN_6CIN_1 CIN_2 CIN_4 CIN_5 CIN_7 CIN_8 AIN_O2 AIN_S2开 命 令 关 命 令 确认命令自动命令手动命令停止命令开 命 令 关 命 令 自动命令手动命令设定调节命令输出调节命令输出值设定值组控开关和选择器SELECTORMULTI_COMMANDSCIN_1Comm1A/SETCIN_2Comm1B/RESETCIN_3Comm1C/MODE1CIN_4Comm2A/MODE2CIN_5Comm2B/MODE3CIN_6Comm2C/MODE4CIN_7Comm3A/MODE5CIN_8Comm3B/MODE6CIN_9Comm3CCIN_10Comm4ACIN_11Comm4BCIN_12Comm4C3.3.1. 普通开关类设备的初始化对于普通开关类设备，初始化之前记住数字孪生系统各 PO 的手/自动状态，然后，发送 CIN_5 命令把所有 PO 统一切到手动状态，此时可以通过外部操作命令来控制设备。根据目标状态发送 CIN_1 或CIN_2 命令打开或关闭设备，最后将样机初始状态为自动的设备切回自动状态。初始化流程如图 4 所示。Figure 4. The flow chart of the initialization of ordinary switch equipment图 4. 普通开关类设备初始化流程图3.3.2. 调节阀的初始化对于调节阀，根据 ADACS_N 系统历史数据存储机制，分为有目标阀位的调节阀和只有开关状态的调节阀两类5。在对调节阀进行初始化之前记住样机各 PO 的开/闭环调节状态，发送 CIN_8 命令把所有PO 统一切到开环调节状态。对于只有开关状态的调节阀，将阀位调到 0 或 100；对于有目标阀位的调节阀，将阀位调到目标阀位，然后仿真模型通过目标阀位计算出闭环调节模式下 PID 的设定值输入，以免调节阀切回闭环调节模式时 PID 模块产生扰动。最后，将样机初始状态为闭环调节的设备切回闭环调节状态。初始化流程如图5 所示。Figure 5. Flow chart of regulating valve initialization图 5. 调节阀初始化流程图3.3.3. 组控开关和选择器的初始化对于组控开关(KG)和选择器(KC)的初始化，一般用于互为备用的设备的列间切换，不单独对 KC、KG 进行初始化。由于部分设备的开/关存在一些信号闭锁，需要通过 KC、KG 解除闭锁信号才能对设备进行操作，对于这种情况设计了配置文件处理此类包含复杂逻辑的 PO。配置文件包含操作对象、操作类型、前置条件和后置条件，初始化程序首先按照前置条件操作相应对象；然后对操作对象执行预定义的操作；最后按照后置条件操作相应对象。配置文件样式如表3 所示：Table 3. Device initialization configuration table containing complex logic表 3. 包含复杂逻辑的设备初始化配置表操作对象操作类型前置条件后置条件3CET101ZVCLOSE3CET020KC:201ZV3CET201ZVOPEN3CET020KC:201ZV3GFR011POCLOSE3GFR111DB:DEBLOCK; 3GFR111PO:START;3GFR010KC:MANUAL; 3GFR011PO:STOP;3GFR010KC:AUTO3GFR010KC:111PO3GGR020ZVOPEN3GGR020KC:020ZV; 3GGR020KC:MANUAL3GGR120ZVCLOSE3GGR020KC:120ZV; 3GGR020KC:MANUAL4. 实验与分析4.1. 初始化对象状态分析实验选取福清核电 3 号机“100% FP 工况运行”为初始化目标，