一种基于网络的核电厂瞬态仿真系统及方法

1.本发明涉及核电厂事故仿真领域，具体涉及一种基于网络的核电厂瞬态仿真系统及方法。


背景技术：

2.核电厂仿真主要是使用建模技术和仿真技术来获得核电厂的运行特征，建模技术是以数学方程和逻辑控制方程来描述核电厂系统设备的运行行为和反馈，而仿真技术主要是采用计算机以数值分析方法求解建立的模型方程，从而得到相关参数变化。核电厂由于其运行方式的特殊性，使得核电仿真技术在事故规程开发、操作人员培训、事故预防乃至缓解事故后果等方面都起到重要作用。
3.现今的核电仿真系统主要有核电仿真机和工程分析软件。核电仿真机功能全面、计算结果较为准确，根据功能被分为：培训仿真机(用于核电站工作人员的训练和考核)、核电工程仿真机(用于工程设计和工程研究)、核电站安全分析机(高效快速的进行安全分析)和核电仿真分析机(实时分析级的仿真分析系统)。工程分析软件如relap5、cathare、cobra等具有精度高、适用范围广的特点，被广泛应用于核电安全分析领域。
4.虽然核电仿真机和工程分析软件被广泛应用，但它们仍存在着一些不可忽视的缺点，具体如下：
5.1、核电仿真机侧重于对操作员行为的培训与评估，硬件部分参考主控室1:1布局，工程造价昂贵。
6.2、与机组控制系统没有数据交互接口，推演功能需设置工况，推演不够迅速；
7.3、仿真机采用预设仿真算法，但电厂在建设调试过程中会持续产生设计变更，导致仿真机与实际工况存在偏差，计算精度降低；
8.4、工程分析软件无可视化的人机交互界面，推演功能需重复设置工况，操作繁琐复杂，计算成本较高。
9.5、二者不具有在线功能，不能满足分布式人员教学培训需求。


技术实现要素：

10.针对现有核电仿真技术计算存在的成本较高、操作复杂、调试繁琐以及不具有在线仿真功能的问题，本发明提出了一种基于网络的核电厂瞬态仿真系统及方法。
11.本发明采用如下技术方案来实现的：
12.一种基于网络的核电厂瞬态仿真系统，包括人机交互界面、控制模块，仿真实验管理模块、快速实时仿真计算模块和数据存储模块；
13.人机交互界面，用于下达各种操作指令，对系统进行实验操作、参数实时监控显示及实验管理；
14.控制模块，用于提取人机交互界面信息和反馈仿真计算结果，控制人机交互界面与仿真实验管理模块之间的数据交互；
15.仿真实验管理模块，用于接收控制模块数据信息，管理实验任务、调用快速实时仿真计算模块以及将数据存储模块数据传输给控制模块；
16.快速实时仿真计算模块，用于被仿真实验管理模块调用完成仿真计算，随后将输出结果传输给数据存储模块；
17.数据存储模块，用于保存系统进行仿真实验过程中的所有数据，满足界面参数显示、实验数据导出和实验数据缓存需求。
18.本发明进一步的改进在于，系统基于b/s架构开发，人机交互界面采用vue、elementui框架以及矢量svg图形技术，包括一回路操作/显示界面、二回路操作/显示界面、化容系统和安注系统操作/显示界面、余热排出系统操作/显示界面、关键参数实时显示界面以及实验管理界面；
19.其中，一回路操作/显示界面，用于初始系统初始工况选择或一回路状态参数输入、状态参数实时显示及一回路泵和阀门的触发操作；
20.二回路操作/显示界面，用于二回路状态参数输入、状态参数实时显示及二回路泵和阀门的触发操作；
21.化容系统和安注系统操作/显示界面，用于化容系统和安注系统状态参数输入、参数实时显示以及泵/阀门的触发操作；
22.余热排出系统操作/显示界面，用于余热排出系统状态参数输入、状态参数实时显示以及泵和阀门的触发操作；
23.关键参数实时显示界面，用于实时显示关键的状态参数，包括一回路平均温度、稳压器压力和水位、环路流量、环路冷段/热段温度、堆芯功率、堆芯反应性、dnbr、蒸汽发生器压力和水位；
24.实验管理界面，用于下达系统实验任务管理指令、系统权限管理控制指令以及显示整个系统的用户实验运行状态。
25.本发明进一步的改进在于，控制模块包括模板引擎渲染单元和web数据交互单元；模板引擎单元用于提取页面信息并形成特殊数据文档传输给服务器端，web数据交互单元用于和服务器端进行数据交互。
26.本发明进一步的改进在于，仿真实验管理模块包含实验创建单元、实验管理单元、统计分析单元和系统设置单元；
27.实验创建单元，用于对数据存储模块下达以下指令：创建实验、提交实验报告和下载实验报告；
28.实验管理单元，用于对数据存储模块下达实验审批和实验驳回指令；
29.统计分析单元，用于提供对整个系统的实验情况进行统计分析、汇总查看；
30.系统设置单元，用于提供权限的管理控制，包括用户管理、角色管理、机构管理和资源管理。
31.本发明进一步的改进在于，系统设置单元包括用户管理单元、角色管理单元、机构管理单元和资源管理单元；
32.用户管理单元，用于提供系统所有用户的基本信息维护、角色、机构的分配管理；
33.角色管理单元，用于提供系统所有角色的基本信息维护、数据权限与用户的管理；
34.机构管理单元，用于提供系统所有机构的基本维护信息；
35.资源管理单元，用于系统所有用户的系统资源分配。
36.本发明进一步的改进在于，快速实时仿真计算模块包括与核电厂系统和设备相对应的物理模型和输入输出读写函数，物理模型包括点堆中子动力学模型，三区非平衡态稳压器模型，蒸汽发生器集总参数模型，以及堆芯和环路热工水力模型。
37.本发明进一步的改进在于，控制模块采用模版引擎渲染方法、ajax技术、post/get请求和websocket机制。
38.一种基于网络的核电厂瞬态仿真方法，包括如下步骤：
39.第一步：对所模拟核电厂的系统和部件进行合理划分，根据目标核电厂系统和部件建立中子动力学模型、稳压器模型、蒸汽发生器模型、卸压箱模型、堆芯和环路热工水力模型、安全壳模型以及主泵模型，并确定模型结构参数、运行参数；
40.第二步：将确定的模型参数通过网页人机交互界面输入仿真系统，随后通过其他模块传递给快速实时计算模块进行稳态计算，最后界面显示核电厂稳态仿真计算结果；
41.第三步：将稳态计算结束时刻记为“0s”，随后进行瞬态计算；
42.第三步：暂停仿真系统，根据需求输入需要改变的工况参数，进行瞬态仿真计算；
43.第四步：根据参数显示界面或导出实验文档功能获得实验结果，并进行仿真实验分析。
44.和现有技术相比较，本发明至少具有如下有益的技术效果：
45.1)基于网络的核电厂瞬态仿真系统由于其基于网络的特性，可以进行远程多人在线教学培训，突破了时间和空间的限制，满足分布式教学培训需求，降低了专业人员的教学培训成本。
46.2)基于网络的核电厂瞬态仿真系统后端被布置在云服务器上，因此具有稳定的仿真环境，由于人因失误或者个人电脑故障导致的计算错误基本不会发生。网络访问的记录可以随时调用，一定程度上避免了重复运行相同工况，提高工作效率。
47.3)基于网络的核电厂瞬态仿真系统是基于b/s架构、springboot框架开发的多用户在线实时仿真系统，前后端分离，降低技术耦合性，因此具有良好的稳定性、鲁棒性且便于版本的更迭和调试。
48.4)基于网络的核电厂瞬态仿真系统采用集总参数模型进行仿真计算，虽然与大型瞬态分析软件相比划分节点简单，控制方程数量较少，但计算效率较高。因此在一定计算精度下，本系统计算速度更快，可以进行超实时计算，同时计算成本也更低。
附图说明
49.图1为本发明所述一种基于网络的核电厂瞬态仿真系统的结构示意图。
50.图2为本发明所述一种基于网络的核电厂瞬态仿真方法的流程示意图。
具体实施方式
51.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及
实施例中的特征可以相互组合。
52.图1是本发明所述的一种基于网络的核电厂瞬态仿真系统的结构示意图。所述系统是基于b/s架构、springboot框架开发的多用户在线实时仿真系统，可分为服务器端和客户端两大部分。如图1所示客户端包括人机交互界面100和控制模块200，服务器端包括仿真实验管理模块300、快速实时仿真计算模块400和数据存储模块500。通过人机交互界面100，用户可以向系统输入参数来进行仿真模拟，控制模块200用来完成客户端和服务器之前的数据传输和信息交互。实验管理模块300用来接收客户端信息，管理实验任务，调用快速实时计算模块400进行仿真计算，并将过程中产生的数据存储到数据存储模块500，同时将计算结果反馈给人机交互界面100。
53.所述人机交互界面100为基于b/s架构构建的浏览器端操作/显示界面，这种结构可以进行信息分布式处理，有效降低资源成本，提高系统整体性能。通过该界面可以进行参数实时显示监控、实时控制参数输入、以及数据分析。该界面主要包含一回路操作/显示界面101、二回路操作/显示界面102、化容系统和安注系统操作/显示界面103、余热排出系统操作/显示界面104、关键参数实时显示界面105以及实验管理界面106。
54.所述控制模块200包括模板引擎渲染单元201和web数据交互单元202。模板引擎单元201用于提取页面信息并形成json数据文件传输给服务器端。web数据交互单元202用于和服务器端进行数据交互。
55.应当注意的是在web数据交互单元202中，本示例性实施例中采用的ajax技术、post请求、get请求、websocket机制、暂停/重启机制亦是本系统的关键特征。相对于传统网页若要更新内容需重载整个页面，ajax应用可以仅向服务端发送并取回所需数据，通过在后台与服务端进行少量数据交换，从而实现网页异步更新，这使得系统能够快速的回应页面操作。post请求和get请求根据具体功能需要被用于获取/更新服务器信息。在本系统中，为了提高用户体验和满足服务器计算性能要求，应用websocket机制来控制实验数量，避免由于高并发情况引起的服务器过载问题。所述实例系统中的暂停机制用于在仿真计算模块400运行前根据标识符判断是否进入计算模块，从而实现暂停功能。重启机制具体原理是读取已保存的系统初始时刻的输入文件并删除已保存的计算输出文件，从而恢复系统初始状态。
56.所述仿真实验管理模块400包含实验创建单元301、实验管理单元302和系统设置单元303。通过实验创建单元301可对数据存储模块下达以下指令：创建实验、提交实验报告、下载实验报告。通过实验管理单元302可对数据存储模块下达实验审批和实验驳回指令。所述系统设置单元303包含用户管理单元、角色管理单元、机构管理单元、资源管理单元等。
57.所述快速实时仿真计算模块400为由c 语言编写的可执行程序exe，与其他模块相互分离，降低技术耦合度，便于系统更新与维护，可被仿真实验管理模块300调用完成仿真计算，随后将输出结果以json文件格式传输给数据存储模块500。需要强调的是在本系统中，仿真计算模块与其他模块是相互分离的，只能以输入输出的json文件进行数据交互。此种方法是本发明的一个显著特征，其优点在于降低技术耦合度，避免各种内存溢出和跨语言的类型转换精度丢失问题。该模块主要包括与核电厂系统和设备相对应的物理模型和输入输出读写函数，模型主要有点堆中子动力学模型、三区非平衡态稳压器模型、蒸汽发生器
集总参数模型，堆芯和环路热工水力模型。
58.所述数据存储模块500用于保存系统进行仿真实验过程中的所有数据，满足界面参数显示、实验数据导出、实验数据缓存等需求。该部分主要采用数据库技术，有mysql系统库单元501(主要用于存储实验管理模块所需数据)、redis缓存库单元502(用于存储高频访问的数据、有效降低磁盘i/o)、mongodb存储库单元503(存储仿真计算模块产生的大量数据，提高网页响应速度)。
59.下面将结合图2对本发明中提出的技术方案之二，一种基于网络的核电厂瞬态仿真方法的实现步骤进行详细说明。
60.第一步：对所模拟核电厂的系统和部件进行合理划分，根据目标核电厂系统和部件建立相应模型，并确定模型结构参数、运行参数。
61.第二步:将确定的模型参数通过网页人机交互界面输入仿真系统，随后通过其他模块传递给快速实时计算模块进行稳态计算，最后界面显示核电厂稳态仿真计算结果。
62.第三步：将稳态计算结束时刻记为“0s”，随后进行核电厂瞬态仿真计算。
63.第三步：判断是否暂停仿真系统，根据需求输入需要改变的工况参数，进行瞬态仿真计算。
64.第四步：完成仿真计算，根据参数显示界面或导出实验文档功能获得实验结果，并进行仿真实验分析。
65.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施案例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。