孫小凌，祝永剛

(中國核電工程有限公司，北京 100000)

核電站控制權(quán)限切換功能研究

孫小凌，祝永剛

(中國核電工程有限公司，北京 100000)

正處于規(guī)?；l(fā)展的核電是國內(nèi)應(yīng)對環(huán)境問題的必然選擇。分析了基于DCS系統(tǒng)的核電站監(jiān)控方式，探討了核電站3種控制權(quán)限的切換模式，重點研究了控制權(quán)限切換系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方式和軟件邏輯，最后分析了核電站監(jiān)控方式的切換邏輯。對核電站控制權(quán)限切換功能的分析研究，有助于從業(yè)人員開展國內(nèi)在建二代加核電站的調(diào)試和運行維護工作，對未來的三代核電站建設(shè)具有一定的指導意義。

核電站;監(jiān)控;控制權(quán)限切換

為應(yīng)對霧霾、溫室氣體等環(huán)境問題，國內(nèi)加快推進水電、核電和風電等清潔能源的建設(shè)，尤其是技術(shù)成熟的核電處于規(guī)?；陌l(fā)展階段。目前，國內(nèi)在建和新建的核電站都采用全數(shù)字化的DCS控制系統(tǒng)，一般由安全級(1E)和非安全級(NC+ /NC)系統(tǒng)組成［1-3］。操作員在MCR(主控制室)和遠程停堆站(RSS)通過OWPS(操作員站)和I/ O設(shè)備進行全廠的數(shù)據(jù)監(jiān)視和操作控制，負責機組的運行和管理。

1 電站監(jiān)控方式

數(shù)字化核電站的監(jiān)控方式如圖1所示。

圖1 電站監(jiān)控方式

位于主控制室的電廠計算機信息和控制系統(tǒng)(KIC)主要承擔電廠的數(shù)字化控制任務(wù)，在電廠儀表和控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成了電廠的操作和管理信息層(DCS的2層)，通過操作員站、工程師站、值長站和大屏幕等終端實現(xiàn)對電廠的監(jiān)控。這也被稱為以計算機為主的監(jiān)控方式(MCM)。

盡管DCS系統(tǒng)具有高度的可靠性，但核電站在總體設(shè)計中必須考慮全部失去KIC的可能性。因此，在主控制室內(nèi)設(shè)置了后備盤(BUP)，作為失去MCM的后備操作手段。在MCM不可用期間(無論是計劃的或非計劃的不可用)，在任何機組工況條件下(含正常工況及事故工況)，后備盤都可將機組維持在安全狀態(tài)或帶入并維持到安全狀態(tài)［4-6］。

位于主控制室的緊急操作臺(ECP)用于緊急情況下由操作員手動停堆和手動啟動專設(shè)安全設(shè)施，采用硬接線方式從主控室直接連到驅(qū)動機構(gòu)(緊急停堆)或DCS 1層的控制機柜上。ECP位于2個操作員站之間。當系統(tǒng)切換到RSS，ECP的操作功能將被禁止(除了緊急停堆功能)。

當主控制室不可用時(如發(fā)生火災(zāi))，RSS操作員可以使反應(yīng)堆停堆并快速進入安全熱停堆狀態(tài)，具有熱停堆期間使反應(yīng)堆保持在安全狀態(tài)必需的監(jiān)測和控制手段，且在就地操作的配合下，可完成冷停堆的操作。

2 控制權(quán)限切換

核電站通過控制權(quán)限的切換來實現(xiàn)不同的監(jiān)控方式?？刂茩?quán)限切換系統(tǒng)包括BUP切換系統(tǒng)和RSS切換系統(tǒng)2部分。其中，BUP切換系統(tǒng)用于BUP/MCM控制權(quán)限的選擇;RSS切換系統(tǒng)用于RSS/MCR控制權(quán)限的選擇。核電站具有3種切換組合，如圖2所示。

圖2 控制權(quán)限切換示意圖

2.1 標準模式

主控制模式MCM是正常電站運行的標準運行配置，僅MCR的OWP用于過程操作。沒有來自RSS和BUP的控制，ECP功能可用。在此種模式下，控制權(quán)限切換系統(tǒng)的狀態(tài)如表1所示。

表1 標準模式下控制權(quán)限切換系統(tǒng)狀態(tài)

2.2 一級退防模式

一級退化模式下 BUP處于控制模式。當MCM不可用時，權(quán)限切換系統(tǒng)將電站切換到BUP控制模式。沒有來自RSS和MCM的控制命令，ECP功能可用。

表2 一級退防模式下控制權(quán)切換系統(tǒng)狀態(tài)

2.3 二級退防模式

RSS是二級退化控制模式。當MCR不可用時，權(quán)限切換系統(tǒng)將電站切換到RSS控制模式。此配置下僅RSS的OWPs用于操作控制，不考慮來自MCR的所有控制操作，即沒有來自MCM和BUP的命令，反應(yīng)堆緊急停堆外的ECP功能不可用。

表3 二級退防模式下控制權(quán)切換系統(tǒng)狀態(tài)

3 控制權(quán)限切換設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 RSS切換系統(tǒng)

RSS切換系統(tǒng)由A、B列選擇器組成。為避免同時失去兩列選擇器，A、B列必須位于不同位置，以滿足實體隔離要求。A、B列分別有3個安全級的切換開關(guān)，每個切換開關(guān)可以在RSS和MCR位置之間切換。

A列RSS切換系統(tǒng)的每個切換開關(guān)(KPR001CC、KPR003CC和KPR005CC)有8對觸點，其中2對觸點硬接線分別連接到A列安全級子系 統(tǒng) A1和 A2機 柜(KCS105AR 和KCS115AR);1對觸點硬接線都先經(jīng)過同一個隔離機柜KCS129AR，然后分別連接到NC+機柜(1KCP401AR、1KCP403AR和1KCP405AR)。3個切換開關(guān)的3×4對觸點，先通過硬接線方式實現(xiàn)3個切換開關(guān)的3取2邏輯運算，再將運算結(jié)果(RSS模式和MCR模式)送到A列的5個PLM機柜 (KCS117AR、 KCS119AR、 KCS121AR、KCS123AR和KCS125AR)，用于閉鎖或使能機柜內(nèi)除緊急停堆外的ECP信號。剩余觸點備用。圖3為A列切換開關(guān)KPR001CC的接線示意圖。

圖3 RSS切換開關(guān)接線原理

同樣，B列RSS切換系統(tǒng)的每個切換開關(guān)(KPR002CC、KPR004CC和KPR006CC)有8對觸點，其中2對觸點的硬接線分別連接到B列安全級子系統(tǒng)B1和B2(KCS102AR和KCS116AR);1對觸點的硬接線先經(jīng)過同一個隔離機柜KCS130AR，然后分別連接到NC+機柜(1KCP402AR、1KCP404AR和1KCP406AR);3個切換開關(guān)的3×4對觸點，通過硬接線方式實現(xiàn)3個切換開關(guān)的3取2邏輯運算，并將運算結(jié)果(RSS模式和MCR模式)送到B列的5個PLM機柜(KCS118AR、KCS120AR、KCS122AR、KCS124AR和KCS126AR)，用于閉鎖或使能機柜內(nèi)除緊急停堆外的ECP信號。剩余觸點備用。

3.1.2 BUP切換系統(tǒng)

同樣，BUP切換系統(tǒng)由A、B列選擇器組成。A、B列位于BUP的相鄰盤臺上。A、B列分別有3個安全級的切換開關(guān)，每個切換開關(guān)可以在BUP和KIC位置之間切換。

A列BUP切換系統(tǒng)的每個切換開關(guān)(KSC901CC、KSC903CC和KSC905CC)有4對觸點，其中2對觸點端接到A列安全級子系統(tǒng)A1和A2的機柜KCS133AR;1對觸點硬接線繼電器隔離后，分別接到 NC+機柜 (1KCP401AR、1KCP403AR和1KCP405AR)。剩余觸點備用。圖4是A列切換開關(guān)KSC901CC的接線示意圖。

圖4 BUP切換開關(guān)接線原理

B列BUP切換系統(tǒng)的每個切換開關(guān)(KSC902CC、KSC904CC和KSC906CC)有4對觸點，其中2對觸點端接到B列安全級子系統(tǒng)B1和B2的機柜KCS134AR;1對觸點硬接線繼電器隔離后，分別連接到 NC+機柜(1KCP402AR、1KCP404AR和1KCP406AR)。剩余觸點備用。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 軟件設(shè)計原理

從3.1節(jié)可知:RSS和BUP切換系統(tǒng)的A列和B列切換開關(guān)狀態(tài)被電站DCS系統(tǒng)的L1層控制系統(tǒng)采集。非安全級控制機柜由2對冗余的控制器，比如KCP401AR具有1401UC和C401UC控制器;安全級控制機柜是三重冗余結(jié)構(gòu)。

每個控制機柜的控制器根據(jù)控制權(quán)限切換程序各自計算切換邏輯，決定該控制器的切換模式，并且每個控制器的計算結(jié)果會被監(jiān)視和確認。經(jīng)過控制系統(tǒng)的確認性檢查，進行切換模式的有效性判斷，并且同一列所有控制器的切換模式狀態(tài)都一致時，該切換模式才會被確認為該列的主切換模式。每列切換開關(guān)中只有一個非安全級控制器會將主切換模式信息通過L1與L2之間的通信接口傳送到KIC系統(tǒng)。KIC系統(tǒng)根據(jù)A列和B列的RSS和BUP主切換模式分析確定電站的監(jiān)視方式，并進行控制權(quán)限的切換。

控制權(quán)限切換程序的確認性檢查主要包括以下功能:

①確認I/O有效性;

②每個安全級機柜的切換模式狀態(tài)只取決于通過硬接線連接到相關(guān)安全級控制器的切換開關(guān)位置;

③如主切換模式還未產(chǎn)生，各個控制器自行執(zhí)行切換模式功能;

④每個安全級系統(tǒng)的切換模式狀態(tài)通過硬接線送到非安全級控制器，非安全級控制器確認來自安全級和非安全級控制器的切換模式狀態(tài);

⑤組織分析每列的切換模式、產(chǎn)生每列的主切換模式，并作為KIC系統(tǒng)控制權(quán)切換選擇的真值表;

⑥產(chǎn)生KIC和BUP切換模式變更的報警。

3.2.2 非安全級軟件設(shè)計

1)RSS切換模式

為了便于描述，以A列RSS切換系統(tǒng)的切換開關(guān)KPR001CC為例來說明RSS切換系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

圖5中，被控制器(1401UC)采集的切換開關(guān)KPR001CC信號與來自其他2個控制器的另2個切換開關(guān)信號(C403UC采集的 KPR003CC和1405UC采集的KPR005CC)一起進行2/3邏輯運算，產(chǎn)生RSS/MCR模式信號。以同樣的方式，對3個切換開關(guān)的有效性信號進行2/3邏輯運算，用于判定RSS/MCR模式信號是否有效。當有效時，將產(chǎn)生一個報警信號(KPR001KS)送到KIC系統(tǒng)。

圖5中，對于非采集A列切換開關(guān)的其他控制器(如 C401UC)全部讀取 1401UC、C403和1405UC的信號，進行2/3邏輯運算，產(chǎn)生RSS/ MCR模式信號，用于本控制器(C401UC)的其他程序使用(RSS或MCR使能信號)。

除了不能產(chǎn)生主切換模式報警信號并傳送給KIC系統(tǒng)外，A列RSS切換系統(tǒng)的其余2個切換開關(guān)的軟件功能與KPR001CC相同。B列與A列相似。

圖5 RSS切換開關(guān)邏輯

2)BUP切換模式

同樣為了便于描述，以A列BUP切換系統(tǒng)的切換開關(guān)KSC901CC為例來說明BUP切換系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

如3.2節(jié)一級退防模式所示，只有在RSS處于MCR模式情況下，電站監(jiān)控方式才可能是BUP模式。圖6中BUP切換開關(guān)KSC901CC的軟件功能除了增加判斷A列是否處于MCR模式的運算步驟外，其余的邏輯與圖5中A列RSS切換開關(guān)KPR001CC一致，產(chǎn)生主切換模式報警信號(KPR005KS)送到KIC系統(tǒng)。

除了不能產(chǎn)生主切換模式報警信號并傳送給KIC系統(tǒng)外，A列BUP切換系統(tǒng)的其余2個切換開關(guān)的軟件功能與KSC901CC一樣。B列與A列相似。

圖6 BUP切換開關(guān)邏輯

由3.1.1節(jié)可知:A列RSS切換系統(tǒng)的3個切換開關(guān)先經(jīng)過硬接線實現(xiàn)2/3邏輯運算，計算A列的工作模式(RSS模式或MCR模式)，并送入A列的PLM機柜，用于閉鎖或使能機柜內(nèi)除緊急停堆外的ECP信號。B列同樣如此。

如3.2.1節(jié)所述，安全級控制系統(tǒng)不會產(chǎn)生主切換模式報警信號并傳送給KIC系統(tǒng)。

同樣為了便于描述，以A列BUP切換開關(guān)為例來說明BUP切換系統(tǒng)的安全級軟件設(shè)計。由3.1節(jié)硬件設(shè)計可知:安全級A1和A2子系統(tǒng)都采集了A列RSS和BUP切換系統(tǒng)的3個切換開關(guān)信號。圖7中BUP切換開關(guān)的A1邏輯除了不產(chǎn)生送KIC系統(tǒng)的主切換模式報警信號外，與圖6中A列BUP切換開關(guān)KSC901CC的邏輯是一致的。A1和A2子系統(tǒng)中產(chǎn)生的BUP/KIC工作模式分別作為A1和A2子系統(tǒng)中其他工藝系統(tǒng)邏輯所需的BUP/KIC使能信號。

圖7 BUP切換開關(guān)A1邏輯

BUP切換開關(guān)A2的邏輯除了增加在BUP上顯示的BUP模式指示燈外，與A1的邏輯一樣。BUP切換開關(guān)B2和B1的邏輯分別與A2與A1的子系統(tǒng)相似。

4 電站監(jiān)控方式切換

由3.2.2節(jié)中RSS的切換開關(guān)邏輯可知:KIC系統(tǒng)將接受A、B列的RSS主切換模式報警信號。KIC系統(tǒng)會根據(jù)表4的邏輯判斷遠程停堆站RSS的工作模式。

同樣，由3.2.2節(jié)中BUP的切換開關(guān)邏輯可知:KIC系統(tǒng)會接受A、B列的BUP主切換模式報警信號。KIC系統(tǒng)將根據(jù)表5邏輯判斷后背盤BUP的工作模式。

KIC系統(tǒng)最終根據(jù)BUP切換模式和RSS切換模式，按照表6邏輯判定電站的監(jiān)控方式，進行KIC系統(tǒng)控制權(quán)限的切換，以實現(xiàn)電站在不同工況下監(jiān)控方式的切換。

表4 RSS切換模式邏輯

表5 BUP切換模式邏輯

表6 KIC控制權(quán)限切換邏輯

5 結(jié)束語

國內(nèi)在建的核電站主要是基于M310堆型的二代加機組。盡管各大核電集團采用不同的DCS控制平臺，但核電站都采用KIC、BUP和RSS等監(jiān)控方式，通過標準模式、一級退防模式和二級退防模式之間的任意切換，實現(xiàn)不同事故工況下控制權(quán)限的切換，以保證核電站安全、可靠地運行。另外，未來具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)三代堆型“華龍一號”是在二代加機組基礎(chǔ)上引入AP1000設(shè)計理念研發(fā)而成。因此，本文對核電站控制權(quán)限切換功能的研究有利于國內(nèi)在建核電站和未來三代堆型的調(diào)試和運行維護，從而促進核電事業(yè)的發(fā)展。

［1］范新舉.DCS系統(tǒng)在核電站中的應(yīng)用［J］.機電信息，2010(24):191-192.

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［3］王翠芳，任永忠.DCS在核電站通風系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動化儀表，2010(1):26-29.

［4］周海翔.田灣核電廠數(shù)字化反應(yīng)堆保護系統(tǒng)故障模式與后果分析［J］.原子能科學技術(shù)，2007(6):14.

［5］杜德君，何慶鐳.核電廠嚴重事故監(jiān)測和控制系統(tǒng)的設(shè)計研究［J］.自動化博覽，2015(7):37.

［6］希年，申世飛.核電廠系統(tǒng)及設(shè)備［M］.北京:清華大學出版社，2003.

(責任編輯陳 艷)

Study on Interlock Function of Nuclear Power Plant

SUN Xiao-ling，ZHU Yong-gang
(China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100000，China)

To solve the environment problem in China，it’s necessary to build more and more nuclear power plants(NPP).The paper analyzed the supervison control way for NPP based on DCS system and studied the three types of interlock models.The hardware connection and software logic of interlock system were mainly analyzed and designed.At the end，the paper analyzed the way that KIC system check and interlock supervison control mode of NPP.About the study on NPP’s interlock function，it’s useful for the commissioning and maintenance of Chinese NPP，as well as for Generation III-plus nuclear plant.

nuclear power plant;supervision control;interlock

TL8

A

1674-8425(2015)11-0083-06

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.11.014

2015-07-25

孫小凌(1983—)，男，重慶長壽人，碩士研究生，主要從事核電、核化工儀表與控制系統(tǒng)的調(diào)試研究。

孫小凌，祝永剛.核電站控制權(quán)限切換功能研究［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2015(11):83-88.

format:SUN Xiao-ling，ZHU Yong-gang.Study on Interlock Function of Nuclear Power Plant［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(11):83-88.