核電廠DCS配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李俊卿，譚　文

（華北電力大學(xué)，北京　102206）

核電廠DCS配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李俊卿，譚文

（華北電力大學(xué)，北京102206）

核電廠DCS系統(tǒng)是核電廠重要的系統(tǒng)，其可靠性對核電廠機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性非常關(guān)鍵，DCS系統(tǒng)的配電系統(tǒng)作為DCS系統(tǒng)的能源供應(yīng)系統(tǒng)，其重要性不言自明。文章以中國壓水堆二代改進(jìn)型機(jī)組DCS配電系統(tǒng)為實(shí)例，對核電廠DCS配電系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)的方法和仿真分析的方法來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，從而使DCS配電系統(tǒng)滿足DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)要求。文章詳細(xì)描述了核電廠DCS配電系統(tǒng)從設(shè)計(jì)原則出發(fā)，詳細(xì)分析需求，結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、應(yīng)用等過程。

核電廠；DCS；配電系統(tǒng)

核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）主要完成核電廠的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備控制和調(diào)節(jié)、故障診斷、系統(tǒng)通訊及信息管理，在核電廠設(shè)計(jì)工況、超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故疊加時(shí)仍能正常運(yùn)行，因此核電廠對于DCS系統(tǒng)要求非常高。DCS配電系統(tǒng)作為DCS系統(tǒng)的電源供應(yīng)系統(tǒng)，配電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到DCS系統(tǒng)的可靠性，直接關(guān)系到核電廠的運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1　核電廠DCS配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

核電廠DCS配電系統(tǒng)的基本要求是能夠?yàn)楹穗姀SDCS提供穩(wěn)定的、滿足DCS系統(tǒng)電源質(zhì)量要求的電源。這就要求DCS配電系統(tǒng)要具備較強(qiáng)的抗外部干擾能力，以盡量減小配電系統(tǒng)自身的內(nèi)部干擾，以及可靠的電源輸送能力。由于核電廠對于安全性的特殊要求，核電廠DCS配電系統(tǒng)除了對于電源系統(tǒng)的以上基本要求外，還在滿足核電廠在事故工況下的嚴(yán)苛工況的要求，如核電廠廠房通風(fēng)系統(tǒng)喪失后能夠正常工作48 h，在DCS電源單路電源喪失時(shí)還能允許部分電源失電。

1.2配電系統(tǒng)需求分析

對于核電廠DCS配電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先要了解核電廠為DCS提供什么樣的電源？DCS配電系統(tǒng)都需要為哪些設(shè)備進(jìn)行供電？這些設(shè)備需要什么樣的電源？

核電廠為DCS系統(tǒng)提供冗余的220 VAC不間斷電源，核電廠按不同序列提供了不同的電源母線，DCS配電系統(tǒng)的任務(wù)就是將核電廠提供的220 VAC電源轉(zhuǎn)換分配給DCS系統(tǒng)的設(shè)備。

表1　DCS系統(tǒng)設(shè)備供電分析表Table 1　DCS system equipment power supply analysis table

核電廠DCS系統(tǒng)按控制層級分為LEVEL1（控制層）層和LEVEL2（監(jiān)視層）層，LEVEL1層主要是由LEVEL1層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、現(xiàn)場控制站、第三方通訊站等設(shè)備構(gòu)成；LEVEL2層主要是由LEVEL2層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、操作員站、服務(wù)器等設(shè)備構(gòu)成。DCS配電系統(tǒng)就是要為這些設(shè)備進(jìn)行供電。

核電廠DCS系統(tǒng)從設(shè)備構(gòu)成來看主要是由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)以及控制器、IO模件等構(gòu)成。這些設(shè)備工作需要的電源種類主要是220 VAC、48 VDC、24 VDC三種，因此DCS配電系統(tǒng)就是要將核電廠提供的220VAC電源轉(zhuǎn)換為220 VAC、48 VDC、24 VDC后提供給不同設(shè)備。

通過對DCS系統(tǒng)的各種設(shè)備分析總結(jié)如下（見表1）：DCS系統(tǒng)需要的電源分為交流電源、直流電源。對于采用交流供電的設(shè)備又分為支持交流雙路（冗余）供電的設(shè)備和交流單路供電的設(shè)備，對于采用直流供電的設(shè)備分為驅(qū)動電源和系統(tǒng)電源；根據(jù)設(shè)備在DCS系統(tǒng)中的運(yùn)行要求可以將設(shè)備分為實(shí)時(shí)運(yùn)行設(shè)備和非實(shí)時(shí)運(yùn)行設(shè)備；根據(jù)設(shè)備在DCS系統(tǒng)中的重要性可以將設(shè)備分為重要設(shè)備和一般設(shè)備。

1.3配電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過對DCS系統(tǒng)設(shè)備的需求分析，DCS配電系統(tǒng)分為交流配電部分和直流配電部分。由于核電廠為DCS系統(tǒng)提供了冗余的交流電源，因此交流配電部分只需將交流電源進(jìn)行分配，本文僅做簡單闡述。對于DCS系統(tǒng)的直流供電需要將核電廠為DCS系統(tǒng)提供的交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源后分配給DCS系統(tǒng)的各設(shè)備，本文將重點(diǎn)描述直流配電部分。

根據(jù)DCS系統(tǒng)對于電源的要求不同，設(shè)計(jì)方案如下：對于220 VAC雙路供電的設(shè)備采用直接將核電廠提供的兩路220 VAC電源直接分配；對于220 VAC單路供電的設(shè)備采用將核電廠提供的220 VAC電源進(jìn)行切換的方案，但對于重要設(shè)備為了避免電源切換過程造成下游設(shè)備失電，設(shè)計(jì)增加了UPS電源來保證切換順利完成。

對于直流配電系統(tǒng)根據(jù)電源集中與分散兩種形式，一般可以分為分散式配電和集中式配電兩種方案。分散式配電方案配電柜僅實(shí)現(xiàn)交流電源分配功能，交直流轉(zhuǎn)換功能在設(shè)備側(cè)進(jìn)行；集中式配電方案配電柜即完成交直流轉(zhuǎn)換功能，又完成直流電源的分配功能。

分散式配電方案和集中式配電方案在工程項(xiàng)目中都有應(yīng)用，這兩種配電方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。分散式配電方案優(yōu)點(diǎn)在于配電柜設(shè)計(jì)簡單，直接將220 VAC電源進(jìn)行分配即可，且其分配電壓等級較高，對于電源輸送熱損耗相對較?。环稚⑹脚潆姺桨溉秉c(diǎn)在于在用戶側(cè)進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換后的電源不能提供足夠的短路電路，難以保證電氣保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，增大了控制系統(tǒng)由于外部短路造成的風(fēng)險(xiǎn)，另外不同用戶對于電源負(fù)荷要求不一致，難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)或者實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)需要付出較高的成本。集中式配電方案可以解決分散供電的大多數(shù)缺點(diǎn)，比如在配電柜中進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換可以為用戶提供較足夠的短路電流，以保證控制系統(tǒng)的回路保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)；由于采用集中供電可以采取標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，且最大程度的提高電源的使用效率。集中式配電方案在解決分散式配電方案的缺點(diǎn)的同時(shí)也帶來一些缺點(diǎn)，比如集中布置電源模塊可能帶來的配電柜散熱問題。

由于分散式配電方案對于控制系統(tǒng)回路保護(hù)的功能的弱項(xiàng)，大多數(shù)控制系統(tǒng)提供商已經(jīng)不再采用分散式供電方案，因此在配電方案的選擇上選擇集中式配電方案，但采用集中式供電方案要解決其散熱問題。

2　核電廠DCS配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1設(shè)備選型

根據(jù)中國二代改進(jìn)型壓水堆核電廠DCS系統(tǒng)總體需求，將DCS配電系統(tǒng)分為直流配電系統(tǒng)和交流配電系統(tǒng)。交流配電系統(tǒng)以上節(jié)設(shè)計(jì)方案中的交流配電方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文不再描述。直流配電系統(tǒng)以某一序列最大房間為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)，其實(shí)際情況如下：控制站數(shù)量為16臺，每臺控制站需要24 VDC系統(tǒng)電源12 A、24 VDC驅(qū)動電源2 A、48 VDC驅(qū)動電源1.5 A，這些電源均需要冗余配置。

（1）電源設(shè)備選型

基于DCS配電系統(tǒng)某一序列最大房間對于直流配電柜的需求，直流配電柜最大的24 VDC電源容量為192 A，最大的48 VDC電源容量為16 A。據(jù)此在電源選型時(shí)盡量選擇容量較大的電源以減少電源并聯(lián)可能產(chǎn)生的負(fù)荷不均衡的問題。

在直流電源選型時(shí)重點(diǎn)考慮電源的以下特性：電源的轉(zhuǎn)換效率、電源的控制偏差、電源的上浮時(shí)間、電源是否支持并聯(lián)、電源的工作溫度、電源的抗震特性、電源的過載能力等因素。綜合評定選擇了某兩個(gè)品牌的開關(guān)電源，目前可采購的單體24 VDC電源最大容量為40 A，48 VDC電源最大容量為20 A。

因此對于24 VDC系統(tǒng)電源需至少5塊進(jìn)行并聯(lián)以提供大于192 A的總電流容量，這就出現(xiàn)如何保證24 VDC電源模塊出力相同或相近，以保證不出現(xiàn)單個(gè)電源過載而導(dǎo)致電源系統(tǒng)故障。因此需要設(shè)計(jì)均流電路或采取其他手段來保證電源系統(tǒng)的可靠性。

（2）電源均流實(shí)驗(yàn)

對于多塊電源并聯(lián)，如果各電源模塊輸出電壓存在偏差時(shí)必然會導(dǎo)致各電源模塊所帶負(fù)荷的偏差。為了讓各電源模塊在同時(shí)工作時(shí)所帶負(fù)荷相同，保證各電源模塊的輸出電壓相同，但現(xiàn)有電源模塊沒有在線自動調(diào)整電壓功能，因此如果要解決電源模塊輸出電壓的一致的問題必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，來維持電源輸出一致性。對于常用的一種電路是采用串聯(lián)電阻的方法。

串聯(lián)電阻法的原理：在電源輸出回路中增加一個(gè)熱敏電阻，當(dāng)電阻通過電流較大時(shí)其溫度升高，電阻增大，回路分壓增大，從而降低該回路的輸出電流，從而使電源的負(fù)荷處于動態(tài)均衡的狀態(tài)。

通過計(jì)算得出以下結(jié)論：電源中的1塊電源電壓發(fā)生變化（假設(shè)電源電壓升高），則該電源的輸出電流會增大，電阻發(fā)熱增加，導(dǎo)致電阻的電阻率升高，從而導(dǎo)致電阻增大，電阻增大導(dǎo)致該回路電流降低，該過程為動態(tài)平衡過程。

依據(jù)結(jié)論搭建測試環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證，對于電阻要選擇其在環(huán)境溫度下阻值特性敏感，通流量大又不能阻值過大，通過查找相關(guān)資料，我們選擇了電解銅導(dǎo)線。搭建好實(shí)驗(yàn)電路后，進(jìn)行了一周的測試，但發(fā)現(xiàn)均流效果并不明顯。經(jīng)分析，由于工程設(shè)計(jì)過程中無法提供足夠的環(huán)境避免電解銅導(dǎo)線的熱耦合，因此電解銅導(dǎo)線溫度是同時(shí)變化，因此不能達(dá)到預(yù)期效果。

串聯(lián)電阻法均流法對于實(shí)現(xiàn)電源均流效果不明顯，因此需要設(shè)計(jì)其他的方法。根據(jù)廠家提供該產(chǎn)品在其他用戶的使用報(bào)告來看，該電源的長期穩(wěn)定性很好，電壓漂移很小，且電源本身在電源并聯(lián)時(shí)偏差小于50 mV時(shí)電源可以自身做到負(fù)荷均衡。因此我們?yōu)榇穗娫垂裨黾恿?塊電源以提高電源的冗余度（即允許單塊電源故障），同時(shí)增加了電流監(jiān)視功能，當(dāng)電源超負(fù)荷或電源間負(fù)荷偏差較大時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，從而使直流配電問題得到了解決。

2.2配電柜設(shè)計(jì)

（1）配電柜設(shè)計(jì)

盡管在電源選型時(shí)考慮盡量選用低功耗的電源，但一個(gè)配電柜還是需要配置10塊電源，10塊電源發(fā)熱量也是相當(dāng)大的，核電廠要求設(shè)備在40 ℃時(shí)能夠工作24 h，電源最高工作溫度為70 ℃，但60 ℃時(shí)開始降荷，因此配電柜的溫升必須控制在10 ℃以內(nèi)。

根據(jù)電源選型以及電路設(shè)計(jì)，在電源柜頂部、中部、中下部分別設(shè)計(jì)了風(fēng)扇組，以提高空氣在機(jī)柜中流過的速度，從而降低直流配電柜的溫升。

（2）配電柜熱分析

根據(jù)配電柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真建模，分別模擬三組風(fēng)扇不同運(yùn)行狀態(tài)電的空氣流動圖，可以看到三組風(fēng)扇確實(shí)提高了機(jī)柜中空氣的流動速度達(dá)到的預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

在模擬風(fēng)道仿真同時(shí)我們又建立了熱仿真模型，直流配電柜運(yùn)行進(jìn)行熱仿真，通過熱仿真得到熱點(diǎn)分圖，可知該直流配電柜在40 ℃環(huán)境下，電源附近溫升最大溫升為5 ℃，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3配電柜應(yīng)用

該直流配電柜成功應(yīng)用在某核電廠DCS系統(tǒng)中，應(yīng)用時(shí)間已經(jīng)近兩年時(shí)間，兩年期間運(yùn)行非常穩(wěn)定。在DCS系統(tǒng)中對電源運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)視其150天內(nèi)的電流曲線，可知電源運(yùn)行穩(wěn)定。某核電廠在電廠大修期間電氣廠房通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)下對直流電源柜進(jìn)行了熱成像測試電源柜溫升小于440 ℃，完全符合設(shè)計(jì)要求。

3　總結(jié)

任何設(shè)計(jì)都要根據(jù)工程的實(shí)際出發(fā)，根據(jù)實(shí)際工程環(huán)境以及工程的可實(shí)現(xiàn)性來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本文描述提到的直流電源系統(tǒng)“串聯(lián)電阻法”均流方案是業(yè)內(nèi)成熟的技術(shù)方案，但鑒于核電廠配電柜結(jié)構(gòu)的限制，該方案在工程上較難實(shí)現(xiàn)，因此說工程設(shè)計(jì)方案不應(yīng)該是一成不變的，也不是好的技術(shù)方案都是通用的，工程設(shè)計(jì)一定要有創(chuàng)新求是的精神，找到適合的技術(shù)方案。

Design and application of Power Supply System for Nuclear Power Plant DCS

LI Jun-qing，TAN Wen
（North China Electric Power University，Beijing102206，China）

Nuclear power plant DCS system is an important system for the nuclear power plant. The reliability of DCS is critical for nuclear power plant safety and economy， Power distribution system is the vital energy supply system DCS. Power distribution system is very important. This file will take CPR1000 Nuclear power plant as an example to the discussion of nuclear power plant DCS distribution system. Designed by experiment and simulation methods， the design meets the expected requirement of nuclear power plant. In this file， a detailed description of the DCS power distribution system in nuclear power plant from the point of view of the design principles， combined with analysis of demand， design， verification and the application process of the actual project.

nuclear power plant；DCS；power supply system

TL32Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0121-04

TL32

A

1674-1617（2015）02-0121-04

2015-01-02

李俊卿（1982—），男，河北保定人，工程師，學(xué)士，從事核電數(shù)字化儀控設(shè)計(jì)和工程實(shí)施工作。