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    作者簡介

    孫洪濤（1978-），男，山東人，碩士，工程師，北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司安全級設(shè)計主任工程師。

    摘要：為保證可靠性，有效克服單一故障和共因故障影響，核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)設(shè)計過程中必須充分考慮系統(tǒng)多樣性和縱深防御設(shè)計，并有效實現(xiàn)安全功能分散、優(yōu)化單站負荷及接口。本文論述了核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求給出了核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)的功能分配原則和方法，同時結(jié)合一種典型的數(shù)字化保護系統(tǒng)功能分配做了分析。

    關(guān)鍵詞：核電站；安全級；數(shù)字化；保護系統(tǒng)；功能分配

    Abstract: To ensure reliability and effectively overcome the single failure and common cause failure, safety digital I&C protection system design in nuclear power plant must fully consider D3 design and effective implementation of the safety function assignment，also the optimization of CPU load and interfaces should be realized in the design process. This article addresses the safety structure and function of digital I&C protection systems in nuclear power plant, safety function distribution principles and methods of digital protection systems are given according to related standards requirements of the nuclear power plant, the function assignment of one typical digital protection system is analyzed.

    Key words: Nuclear Power Plants; Safety Class; Digital; Protection System; Function Assignment

    1 概述

    核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)是核電站的信息神經(jīng)和控制中樞，對于保證核電站能否安全、可靠、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行以及提升核電站生產(chǎn)管理水平都起著至關(guān)重要的作用。核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)屬于核電廠1E級電氣設(shè)備，用以保護三大核安全屏障（即燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼）的完整性。在核電站正常運行時，數(shù)字化保護系統(tǒng)監(jiān)測與反應(yīng)堆安全有關(guān)的參數(shù)，當(dāng)這些參數(shù)超過預(yù)設(shè)的保護定值時，自動觸發(fā)緊急停堆及啟動相應(yīng)專設(shè)安全設(shè)施，以限制事故的發(fā)展和減輕事故后果，防止放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境釋放，保證核電站設(shè)備和人員的安全。同時數(shù)字化保護系統(tǒng)還向操作人員提供手動控制手段以及相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備狀態(tài)信息。

    目前我國正處于核電快速發(fā)展時期，在建和擬建的核電機組超過30臺套，核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)是核電站必需的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，實現(xiàn)數(shù)字化保護系統(tǒng)自主設(shè)計不僅符合國家加緊推進核電國產(chǎn)化的戰(zhàn)略性要求，也是實施“以高起點起步、以高標(biāo)準(zhǔn)的安全可靠性要求和將高技術(shù)含量主設(shè)備作為重點”的國產(chǎn)化策略的必由之路。目前國內(nèi)所有在建核電站的核安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)全部依靠國外引進，已經(jīng)形成了由國外廠商寡頭壟斷的局面。加強核電站安全級自主設(shè)計能力對于中國核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展和核電站的安全運行具有重大意義，同時可大幅度降低數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計和運行維護費用。功能分配設(shè)計作為核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，我國尚未形成成熟的功能分配設(shè)計原則和方法。本文依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，給出了核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)功能設(shè)計的原則和方法，并結(jié)合一種典型的安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)做了相關(guān)分析。

    2 功能分配原則

    2.1 分配原則

    根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61513要求，為了緩解共因故障發(fā)生時的影響，安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)設(shè)計須充分考慮多樣性及縱深防御設(shè)計，采用功能多樣性和設(shè)備多樣性，并綜合考慮冗余配置及負荷均衡相關(guān)因素。

    （1） 功能多樣性

    •停堆功能的多樣性

    為了確保停堆安全，符合單一故障準(zhǔn)則，停堆保護系統(tǒng)重要保護功能需具有多樣性，即同一保護功能對應(yīng)多種監(jiān)測方式，在數(shù)字化保護系統(tǒng)設(shè)計中，要將其分散到停堆保護通道不同的子系統(tǒng)中實現(xiàn)。

    根據(jù)上述原則，對M310堆型中的停堆保護條件分配到反應(yīng)堆停堆保護系統(tǒng)的兩個不同的子系統(tǒng)中，分配示例如表1所示。

                                  表1 停堆保護功能分配示例
              

    •專設(shè)功能的多樣性

    對于系統(tǒng)級的專設(shè)驅(qū)動功能嚴格按照上游文件的需求分配到停堆保護系統(tǒng)的兩個功能子系統(tǒng)中，并分別通過獨立的、隔離的點對點通信傳輸?shù)綄ＴO(shè)安全驅(qū)動系統(tǒng)。

    由于核電站安全級保護系統(tǒng)設(shè)計中，專設(shè)安全驅(qū)動系統(tǒng)A序列、B序列的結(jié)構(gòu)已經(jīng)考慮了功能分配的設(shè)計，且任一列均有自動和手動控制。分配到任一列的設(shè)備控制，在保證系統(tǒng)級專設(shè)驅(qū)動限制前提下，也做了必要的功能分配考慮，主要是從工藝系統(tǒng)故障安全角度考慮，將部分系統(tǒng)功能分散，盡量將功能相同的設(shè)備分開到不同的專設(shè)驅(qū)動功能子系統(tǒng)中，如主給水系統(tǒng)ARE和輔助給水系統(tǒng)ASG，需分配在兩個不同的子系統(tǒng)中實現(xiàn)，以保證當(dāng)一個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一個子系統(tǒng)仍可以正常執(zhí)行保護功能，保證給水的安全性等。

    （2） 設(shè)備多樣性

    設(shè)備多樣性主要包括在后備控制盤臺BUP、緊急控制盤臺ECP上設(shè)置的部分硬手操器、硬開關(guān)以及停堆保護系統(tǒng)拒動ATWT系統(tǒng)。其中ATWT系統(tǒng)作為數(shù)字化保護系統(tǒng)的設(shè)備多樣性，采用繼電器影邏輯實現(xiàn)，在設(shè)備上保證了數(shù)字化保護系統(tǒng)停堆和專設(shè)驅(qū)動的多樣性。

    （3） 重要功能的冗余配置

    對于一些重要的但又不具有功能多樣性的信號，要在兩個子系統(tǒng)中同時實現(xiàn)。如反應(yīng)堆手動停堆功能。同樣，兩個子系統(tǒng)都需要的反應(yīng)堆停堆“允許信號”（即“P信號”）也要分別在兩個子系統(tǒng)中實現(xiàn)。

    （4） 負荷均衡

    不具有功能多樣性的參數(shù)，原則上放入任何一個子系統(tǒng)均可，但考慮到停堆保護通道兩個子系統(tǒng)的CPU負荷均衡，應(yīng)該盡量均勻配置到兩個子系統(tǒng)中。

    2.2 相關(guān)因素

    安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)的功能分配設(shè)計，除了滿足核電站安全級的分配原則和要求外，還要從系統(tǒng)負荷率、系統(tǒng)響應(yīng)時間、工藝接口優(yōu)化、功能分散等幾方面綜合考慮。

    （1） 系統(tǒng)負荷率

    在安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)功能分配設(shè)計過程中，必須考慮數(shù)字化保護系統(tǒng)主控制器（CPU）周期運算處理過程中的負荷率。

    在安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)運算周期內(nèi)，規(guī)定系統(tǒng)CPU的實際處理時間占用系統(tǒng)CPU設(shè)定運算周期的百分比，稱為CPU負荷率。為了降低CPU負荷率，可通過降低系統(tǒng)CPU實際處理時間或提高CPU設(shè)定運算周期時間設(shè)定值實現(xiàn)。

    安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)執(zhí)行功能越多，邏輯越復(fù)雜，則CPU實際處理時間相應(yīng)增長，CPU負荷率相應(yīng)提高。在保護系統(tǒng)實現(xiàn)邏輯功能確定的情況下，必須優(yōu)化保護算法和數(shù)字化平臺設(shè)置以減少CPU實際處理時間，從而降低CPU負荷率。在功能分配設(shè)計時，必須充分重視負荷率因素，合理進行功能分配設(shè)計，確保各個系統(tǒng)控制站負荷率均衡，保證系統(tǒng)單站負荷率滿足客戶提出的要求。

    （2） 系統(tǒng)響應(yīng)時間

    系統(tǒng)響應(yīng)時間，是從現(xiàn)場傳感器產(chǎn)生信號到數(shù)字化保護系統(tǒng)輸出信號給停堆斷路器或?qū)ＴO(shè)保護驅(qū)動設(shè)備所用的時間。在（1）中，為了保證系統(tǒng)負荷率符合要求，除了盡量降低CPU周期實際處理時間外，也可以通過提高CPU運行周期來降低負荷率。但從系統(tǒng)響應(yīng)時間角度考慮，提高CPU運行周期必須限制在一定的范圍內(nèi)。對于單個數(shù)字化保護系統(tǒng)控制站，執(zhí)行安全功能越多，邏輯越復(fù)雜，對應(yīng)I/O點越多，則系統(tǒng)響應(yīng)時間相應(yīng)增長。在系統(tǒng)功能分配設(shè)計中，必須充分考慮系統(tǒng)響應(yīng)時間因素，確保滿足客戶和標(biāo)準(zhǔn)要求。

    （3） 工藝接口優(yōu)化原則

    在安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)功能分配設(shè)計過程中，必須遵循數(shù)字化保護系統(tǒng)站與站之間的接口優(yōu)化原則，盡量減少保護站間的信號交換數(shù)量，以減小機柜內(nèi)硬件數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)負荷，對減小系統(tǒng)響應(yīng)時間和CPU運算負荷率有很大的意義。
例如對于ASG系統(tǒng)，由于系統(tǒng)內(nèi)邏輯較為復(fù)雜，如果把ASG系統(tǒng)放在兩個不同的控制站中實現(xiàn)，則必然會增加信號交換數(shù)量，因此在設(shè)計時，應(yīng)將ASG系統(tǒng)邏輯在一個站內(nèi)實現(xiàn)。

    （4） 功能分散原則

    對于安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)系統(tǒng)，在功能分配設(shè)計時，需要遵循功能分散原則。即不同但實現(xiàn)同一功能的參數(shù)或設(shè)備分配到不同的保護站內(nèi)，當(dāng)一個保護站故障時不會影響保護系統(tǒng)的保護和控制功能，從而增加數(shù)字化保護系統(tǒng)的可靠性，有效防御單一故障。例如專設(shè)系統(tǒng)保護設(shè)備的安全殼噴淋泵和噴淋閥分散在不同的專設(shè)安全驅(qū)動系統(tǒng)中，當(dāng)一個保護站故障時不會導(dǎo)致噴淋系統(tǒng)誤動。

    核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)功能分配設(shè)計時，需要綜合考慮以上因素。

    3 功能分配

    本文以一種典型安全級系統(tǒng)架構(gòu)為例，給出核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)功能分配設(shè)計過程依據(jù)和方法。

    3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

    圖1為一種典型的核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)架構(gòu)，主要完成核電站安全級系統(tǒng)保護和設(shè)備控制功能，如反應(yīng)堆停堆保護、專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動、事故后監(jiān)測等。
        
               
                                     圖1 典型的安全級系統(tǒng)架構(gòu)圖

    由圖1可知，核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：

    （1） 反應(yīng)堆停堆保護系統(tǒng)RTC：RTC由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4組通道保護柜組成，通過“2/4”表決邏輯，完成反應(yīng)堆緊急停堆功能；

    （2） 專設(shè)安全驅(qū)動系統(tǒng)分為系統(tǒng)級專設(shè)保護驅(qū)動單元SAC和設(shè)備級專設(shè)保護驅(qū)動單元SMC，分別由A序列、B序列兩列組成。SAC接受RTC發(fā)送來的信號進行“2/4”表決邏輯運算，生成系統(tǒng)級安全專設(shè)保護信號，SAC邏輯功能不是針對某一個具體的設(shè)備或系統(tǒng)，而是一批設(shè)備或系統(tǒng)。SMC是執(zhí)行設(shè)備級專設(shè)功能，其邏輯功能是針對某一個具體的設(shè)備，而不是一批設(shè)備。SMC接收SAC來的系統(tǒng)級專設(shè)驅(qū)動信號并在SMC內(nèi)部分配給相應(yīng)的機柜，同時，SMC從其他系統(tǒng)接收驅(qū)動信號，包括安全操作顯示單元SGC的手動安全操作信號，然后通過優(yōu)先管理邏輯，由專用優(yōu)選管理模塊輸出驅(qū)動信號至現(xiàn)場設(shè)備；

    （3） 堆芯冷卻監(jiān)視系統(tǒng)CCS分成A和B兩列，其主要功能是對堆芯熱電偶溫度等信號的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和數(shù)字計算機接口功能；

    （4） 模擬安全級相關(guān)單元SRC實現(xiàn)A序列安全相關(guān)模擬功能（B序列的安全相關(guān)模擬功能在堆芯冷卻監(jiān)視系統(tǒng)CCS的B序列機柜實現(xiàn)）；

    （5） 安全操作顯示單元SGC實現(xiàn)安全級功能的手動控制，同時，安全級設(shè)備狀態(tài)在SGC顯示。

    3.2 分配依據(jù)

    核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)功能分配的依據(jù)是邏輯圖（簡稱LD）、模擬圖（簡稱AD）及數(shù)字化保護系統(tǒng)平臺及其系統(tǒng)架構(gòu)。其中上游LD、AD輸入文件規(guī)定了數(shù)字化保護系統(tǒng)系統(tǒng)所要完成的功能，所有的功能分配設(shè)計都是在LD、AD等上游輸入文件的基礎(chǔ)上，參考具體的數(shù)字化保護系統(tǒng)平臺及其系統(tǒng)架構(gòu)來完成。

    3.3 分配方法

    由圖1典型的安全級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及其相應(yīng)功能可知。

    •AD中ASG系統(tǒng)、核儀表系統(tǒng)RPN、汽機旁路系統(tǒng)GCT等工藝系統(tǒng)中完成停堆功能的1E級模擬量傳感器信號進入停堆保護系統(tǒng)RTC中作閾值處理，并進行“2/4”表決邏輯，根據(jù)表決邏輯的結(jié)果判斷是否執(zhí)行停堆動作；

    •LD中與安全專設(shè)驅(qū)動相關(guān)的信號，根據(jù)其功能分配，其中系統(tǒng)級功能進入SAC，設(shè)備級功能進入SMC；

    •堆芯冷卻監(jiān)視系統(tǒng)CCS的數(shù)據(jù)來源主要有堆芯熱電偶數(shù)據(jù)、冷端箱電阻溫度計數(shù)據(jù)、一回路的壓力信號、穩(wěn)壓器壓力信號、主泵運行狀態(tài)等，通過以上信息完成堆芯冷卻監(jiān)視功能。

    •AD中安全相關(guān)功能信號，根據(jù)AD圖紙信息，判斷信號和邏輯所在序列，分別進入SRC和CCS系統(tǒng)B序列機柜；
由上可以得出反應(yīng)堆數(shù)字化保護系統(tǒng)中核心的三個部分RTC、SAC、SMC三者之間的關(guān)系，即停堆保護與專設(shè)驅(qū)動保護之間的功能分配及信號流，如圖2所示。
          
                                      
                             圖2 停堆保護與專設(shè)驅(qū)動保護功能分配及信號流

    圖2反映了停堆保護系統(tǒng)與專設(shè)驅(qū)動保護之間的的基本功能分配及安全級信號流關(guān)系：

    •安全級停堆相關(guān)的傳感器信號進入停堆保護系統(tǒng)RTC相應(yīng)的通道，并作閾值處理。處理后將本通道及其他通道中的運算結(jié)果，進行最終表決邏輯（“2/3”或“2/4”）運算，運算結(jié)果用于停堆保護輸出動作，同時將結(jié)果通過點對點通信傳送給SAC。另外需要進行PID控制的1E驅(qū)動設(shè)備在停堆保護系統(tǒng)RTC中控制；

    •各系統(tǒng)級的專設(shè)驅(qū)動保護順序運算在SAC中實現(xiàn)，經(jīng)邏輯處理后發(fā)出系統(tǒng)級設(shè)備保護驅(qū)動信號；根據(jù)LD可知，交流應(yīng)急電源系統(tǒng)LHA、反應(yīng)堆保護系統(tǒng)RPR為系統(tǒng)級保護驅(qū)動邏輯，所以在SAC中實現(xiàn)；

    •緊急控制盤ECP發(fā)出的緊急控制指令為系統(tǒng)級保護信號，其中停堆保護指令進入RTC，專設(shè)保護驅(qū)動指令進入SAC，如安全注入信號SI等。

    •對于數(shù)字化控制盤臺、后備控制盤臺、遠程操作盤臺之間的切換邏輯，由于切換結(jié)果將作用于所有安全級設(shè)備，所以切換邏輯在系統(tǒng)級專設(shè)保護單元SAC中實現(xiàn)。

    •LD中除LHA、RPR以外的系統(tǒng)都是針對具體設(shè)備的系統(tǒng)驅(qū)動邏輯，在SMC中實現(xiàn)；

    •安全操作顯示單元SGC發(fā)出的手動控制命令進入SMC執(zhí)行設(shè)備級邏輯運算，最后通過優(yōu)選管理板卡輸出驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備。

    4 結(jié)語

    我國核電站安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)設(shè)計處于起步階段，其功能分配需求尚不完善，所以在進行安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)功能分配設(shè)計時，必須遵循安全級數(shù)字化保護系統(tǒng)設(shè)計原則，嚴格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及客戶需求，在保證滿足功能分散及多樣性設(shè)計基礎(chǔ)上，優(yōu)化功能分配設(shè)計，減少系統(tǒng)間耦合，保證各個子系統(tǒng)響應(yīng)時間和負荷率滿足要求，以取得更好的設(shè)計經(jīng)濟效益和運行效益，為我國核電建設(shè)創(chuàng)造良好的環(huán)境并積累豐富的設(shè)計經(jīng)驗。

    參考文獻

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    摘自《自動化博覽》2011年第七期