張東升（1982－）
男，碩士研究生，（信息產(chǎn)業(yè)部電子第六研究所, 北京  100083）研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)在核電領(lǐng)域的應(yīng)用。

摘要：本課題對(duì)大亞灣核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，確定了試驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求，研究了試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用CPLD和NI技術(shù)完成了新的試驗(yàn)系統(tǒng)的研制，通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)各種性能測(cè)試，滿足了用戶要求,對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行起到了非常關(guān)鍵的作用。該課題的研究加快我國(guó)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)及其試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)字化進(jìn)程，推動(dòng)了CPLD和虛擬儀器技術(shù)在核領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)；試驗(yàn)系統(tǒng)；CPLD 虛擬儀器

Abstract:  The issue is based on the Reactor Protection System of Daya Bay Nuclear Power Plant. Through the in-depth study, the requirements are confirmed for the test system and mathematical model is also established. By using CPLD and NI technology, a new test system is exploited successfully, which meets all the testing requirements. It plays a key role for the maintenance of RPS. The research speeds up China's digital process for the RPS and the test system, and promotes the application of CPLD and Virtual Instrument Technology in the nuclear area.

Key words: RPS；TestSystem；CPLD  NI

1 引言

    反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)(Reactor Protection System) 是狹義上反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，而由SIP（過(guò)程儀表系統(tǒng)）和RPN（核儀表系統(tǒng)）、RPS（反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)）以及所有專設(shè)安全系統(tǒng)（如RIS、EAS、ETY等）一起，構(gòu)成廣義的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。其中SIP系統(tǒng)作為核島KRG系統(tǒng)的一部分，其作用是將由變送器測(cè)量得到的過(guò)程變量（壓力、水位、流量、溫度、轉(zhuǎn)速等）信號(hào)進(jìn)行必要的處理，最終經(jīng)閾值處理形成邏輯保護(hù)信號(hào)，送至RPS進(jìn)行邏輯運(yùn)算（3取2或4取2）形成保護(hù)指令。

    RPS系統(tǒng)主要完成反應(yīng)堆異常工況下的緊急停堆，并觸發(fā)專設(shè)安全設(shè)施，從而減輕事故后果，先進(jìn)、可靠的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)對(duì)堆的安全運(yùn)行具有重要作用。但是在反應(yīng)堆正常運(yùn)行的情況下，其故障是隱蔽的，也就是說(shuō)在反應(yīng)堆出現(xiàn)事故瞬態(tài)的情況下，保護(hù)系統(tǒng)才起作用，那么如何保證保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行則是定期試驗(yàn)系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題，也是非常關(guān)鍵的問(wèn)題。數(shù)字化試驗(yàn)系統(tǒng)還提供必要的事故后檢測(cè)手段，以監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆停堆后因事故而導(dǎo)致的異常工況。[1]

2 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng)研究

    2.1 背景介紹

    SIP定期試驗(yàn)就是采用系統(tǒng)辯識(shí)和模式識(shí)別等方法來(lái)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，這對(duì)于核電站正常安全的工作有重要意義，也對(duì)于高安全級(jí)別高系統(tǒng)的安全驗(yàn)證有推廣作用。然而由于SIP系統(tǒng)是一個(gè)保護(hù)系統(tǒng)，也就是說(shuō)，在反應(yīng)堆出現(xiàn)事故瞬態(tài)的情況下，SIP才起作用，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行的情況下，其故障是隱蔽的。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障以保證SIP系統(tǒng)的可用性，必須對(duì)SIP系統(tǒng)進(jìn)行定期試驗(yàn)。

    整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)系統(tǒng)分為三段：T1試驗(yàn)、T2試驗(yàn)和T3試驗(yàn)，如下圖1示。

圖1   試驗(yàn)系統(tǒng)的分類

    為保證定期試驗(yàn)功能的完備性，相鄰的兩個(gè)試驗(yàn)有重疊的部分；其中T1試驗(yàn)就是我們常說(shuō)的SIP定期試驗(yàn)，它定義了從現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，到KRG系統(tǒng)閥值輸出(輸出到保護(hù)邏輯系統(tǒng))的試驗(yàn)。T1試驗(yàn)臺(tái)的功能是在反應(yīng)堆運(yùn)行期間檢查KRG系統(tǒng)保護(hù)測(cè)量通道的可用性。由T1試驗(yàn)臺(tái)提供盡可能接近實(shí)際的模擬信號(hào)，并送入待試驗(yàn)的測(cè)量回路，通過(guò)檢查信號(hào)的轉(zhuǎn)換誤差、閾值繼電器是否動(dòng)作、動(dòng)作閾值誤差是否滿足設(shè)計(jì)要求等，來(lái)判斷KRG系統(tǒng)保護(hù)測(cè)量通道是否發(fā)生故障。

    2.2 研究方案：

    新定期試驗(yàn)裝置的研制劃分為資料收集、設(shè)備研制和測(cè)試驗(yàn)證三個(gè)階段。[1]

    在資料收集階段對(duì)RPS系統(tǒng)進(jìn)行的詳細(xì)的了解，認(rèn)真分析了原有定期試驗(yàn)裝置的功能、圖紙、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)要求等，并去大亞灣核電站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研SIP定期試驗(yàn)系統(tǒng)，詳細(xì)了解了大亞灣核電站現(xiàn)有SIP定期試驗(yàn)系統(tǒng)（過(guò)程儀表系統(tǒng)）和嶺澳核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況，并將收集到的資料進(jìn)行整理，編制出可行性分析報(bào)告。

    SIP定期試驗(yàn)采用的方法稱為“物理斜波試驗(yàn)法”，下面詳細(xì)介紹一下所要進(jìn)行的工作：在進(jìn)行SIP通道試驗(yàn)（CHANNEL TEST）時(shí)，試驗(yàn)裝置首先激勵(lì)CC和XX的繼電器，將SIP通道觸發(fā)到試驗(yàn)狀態(tài)。然后在通道口注入代表事故瞬態(tài)的斜波信號(hào)，并監(jiān)督XU的狀態(tài)，當(dāng)XU動(dòng)作時(shí)，試驗(yàn)裝置記錄動(dòng)作時(shí)間以及XU的動(dòng)作電壓值，并將其與裝置中的試驗(yàn)準(zhǔn)則比較以判斷通道功能是否正常，具體原理如圖2 所示。[2]

圖 2    物理斜坡試驗(yàn)法

    進(jìn)行SIP周期試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)，使測(cè)量繼電器RM和試驗(yàn)繼電器RT處于勵(lì)磁狀態(tài)，開(kāi)關(guān)位置由N（Normal）位置轉(zhuǎn)換到T（Test）位置，如圖3中紅線所示，此時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)變送器信號(hào)被切除，XU送往RPR的信號(hào)通路被切斷。試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)ST注入試驗(yàn)信號(hào)，該信號(hào)同樣經(jīng)過(guò)通道中各模塊的運(yùn)算處理，然后與定值進(jìn)行比較，此時(shí)XU動(dòng)作與否，只是引起試驗(yàn)燈亮、滅的狀態(tài)變化，實(shí)際的開(kāi)關(guān)信號(hào)并沒(méi)有送到RPR系統(tǒng),實(shí)際原理圖如下圖3所示。[3]

圖3   SIP試驗(yàn)原理示意圖

    當(dāng)進(jìn)行SIP試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)SACMO一邊向通道注入斜坡信號(hào)，同時(shí)也監(jiān)測(cè)XU的狀態(tài)，當(dāng)XU動(dòng)作時(shí)，SACMO停止注入信號(hào)，并且記住當(dāng)前注入的信號(hào)值，并與軟件程序中的預(yù)先設(shè)定的值Eset進(jìn)行比較，如果記憶的值在Eset+△和Eset-△范圍內(nèi)，則試驗(yàn)結(jié)果合格，程序的詳細(xì)流程圖如下圖4所示。

圖4    通道試驗(yàn)程序流程圖

3 定期試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

    設(shè)計(jì)階段主要是進(jìn)行SIP系統(tǒng)定期試驗(yàn)裝置硬件設(shè)備選型與集成，人機(jī)界面要求確定及試驗(yàn)軟件調(diào)試和設(shè)備調(diào)試等。

    3.1 定期試驗(yàn)裝置的硬件

    系統(tǒng)硬件原理框圖如下圖5所示。 

圖5   硬件原理框圖

    圖中最左側(cè)為有GE工控機(jī)與ＤＡＱ 模件組成監(jiān)控平臺(tái)，中間為信號(hào)轉(zhuǎn)換與特殊處理機(jī)架的描述；右邊為待測(cè)試機(jī)柜的信號(hào)連接。由于T1試驗(yàn)臺(tái)需要與1E級(jí)的保護(hù)機(jī)柜連接，提供與機(jī)柜的隔離是系統(tǒng)的必須功能，即圖中的粉色線條提供了系統(tǒng)的隔離邊界。模塊①、②、③、④、⑤、⑥分別示出功能相對(duì)獨(dú)立的各個(gè)功能模塊。
模擬量采集回路具體電路隔離設(shè)計(jì)如下圖6所示。

圖6   隔離電路設(shè)計(jì)

    其中模擬量采集回路由ISO124隔離放大器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，由零校電路、放大電路實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的隔離和調(diào)校處理。

    本設(shè)計(jì)采用了CPLD器件進(jìn)行低通濾波電路設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)電路如下圖7所示。

圖7   低通濾波電路的CPLD實(shí)現(xiàn)

    濾波電路輸入由SEL[7..]選擇，被選XU信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)記數(shù)器組成和JK觸發(fā)器組成的濾波電路，輸出濾波后波形，濾波參數(shù)為1.7ms。

    3.2 定期試驗(yàn)裝置的軟件

    T1試驗(yàn)裝置的HMI界面結(jié)構(gòu)如下圖8所示。[4]

圖 8   HMI界面設(shè)計(jì)

    內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下圖9所示：

圖9   數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

    3.3 定期試驗(yàn)裝置的驗(yàn)證

    測(cè)試驗(yàn)證階段主要完成完成對(duì)部分系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證工作，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，主要進(jìn)行以下試驗(yàn)：

    模擬裝置與原有定期定期試驗(yàn)裝置的連接試驗(yàn)：驗(yàn)證模擬裝置能夠模擬反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)：模擬裝置與新定期試驗(yàn)裝置的連接試驗(yàn)：驗(yàn)證模擬裝置狀態(tài)相同時(shí)，新定期試驗(yàn)裝置與原有定期試驗(yàn)裝置測(cè)試結(jié)果的相同；新定期試驗(yàn)裝置與現(xiàn)場(chǎng)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的連接；驗(yàn)證新定期試驗(yàn)裝置與實(shí)際系統(tǒng)的相容性；驗(yàn)證新定期試驗(yàn)裝置與原有定期試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)結(jié)果的相同等?！　?BR>
4 總結(jié)

    本課題要完成對(duì)反應(yīng)堆現(xiàn)役的保護(hù)系統(tǒng)的分析研究（以大亞灣核電站為對(duì)象），對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的原理需求進(jìn)行深入分析，研制出新的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng)的樣機(jī)，并利用現(xiàn)場(chǎng)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的測(cè)試臺(tái)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行功能及其性能進(jìn)行測(cè)試，滿足了所有功能需求，得到了很好的實(shí)際應(yīng)用效果，推動(dòng)了數(shù)字技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)在核電站的應(yīng)用推廣。

其他作者：

    朱毅明（1970－），男，碩士生導(dǎo)師，總工程師，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化；左新 （1975－），男，高級(jí)研發(fā)經(jīng)理，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化。

參考文獻(xiàn)：

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    [3] 張明葵 . CARR數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的研制 . 2004.

    [4] 史覬, 蔣明瑜等 . 核電站儀表與控制系統(tǒng)數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀 .2004.

    編號(hào)：080533