福清核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)T2試驗(yàn)方案的優(yōu)化

尤　兵，宮成軍，李遜存

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

福清核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)T2試驗(yàn)方案的優(yōu)化

尤兵，宮成軍，李遜存

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

福清核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)T2試驗(yàn)在前期設(shè)計(jì)中存在著自動(dòng)化程度低、試驗(yàn)操作復(fù)雜、人因風(fēng)險(xiǎn)高等諸多問(wèn)題，在對(duì)T2試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案分析后，作者提出了T2試驗(yàn)優(yōu)化方案。經(jīng)設(shè)計(jì)院、廠家、業(yè)主等各方進(jìn)行多輪溝通和評(píng)估，借鑒文章提出的優(yōu)化方案確定了T2試驗(yàn)的最終方案。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)；定期試驗(yàn)；T2試驗(yàn)；方案優(yōu)化

福清核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱RPS）采用了安全級(jí)數(shù)字化儀控平臺(tái)——Tricon V10，該平臺(tái)由美國(guó)Invensys Operations Management（IOM）公司開(kāi)發(fā)。作為RPS的一部分，保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)也由其設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。根據(jù)核電相關(guān)法規(guī)和導(dǎo)則要求，為保證RPS的可靠性，需要對(duì)其進(jìn)行定期試驗(yàn)。反應(yīng)堆保護(hù)邏輯功能試驗(yàn)（稱為T(mén)2試驗(yàn)）是整個(gè)RPS定期試驗(yàn)的一部分，T2試驗(yàn)周期主要取決于可靠性分析。當(dāng)前，在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)采用數(shù)字化平臺(tái)替代模擬式技術(shù)后，由于數(shù)字化平臺(tái)對(duì)關(guān)鍵器件具有較好的自診斷能力，因此T2試驗(yàn)周期不再需要2個(gè)月實(shí)施一次，可以在機(jī)組停堆換料大修期間執(zhí)行T2試驗(yàn)。因受限于大修期間的時(shí)間窗口和人力，T2試驗(yàn)的實(shí)施必須具有快速、便捷、高效等特點(diǎn)。

1　福清核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)介紹

1.1反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的主要功能是在異常工況或事故工況下，通過(guò)停堆和（或）啟動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施，以防止或減輕堆芯和冷卻劑系統(tǒng)部件的損壞，保護(hù)三大核安全屏障的完整性，避免引起放射性物質(zhì)大量逸出，保護(hù)人員的安全以及核電廠周?chē)h(huán)境不受污染。

福清核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)由兩個(gè)功能子系統(tǒng)構(gòu)成：反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)（RTS）和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（ESFAS）。其中，RTS由4個(gè)獨(dú)立的保護(hù)通道（IP、IIP、IIIP、IVP）組成，ESFAS由A、B兩個(gè)保護(hù)列構(gòu)成，每個(gè)通道和列包含兩個(gè)子系統(tǒng)Sub1和Sub2，以實(shí)現(xiàn)功能多樣性。通道與通道之間、通道與列之間的數(shù)據(jù)交換采用遠(yuǎn)程擴(kuò)展I/O及數(shù)字量輸出（DO）模件與數(shù)字量輸入（DI）模件之間硬接線連接方式。此外，兩個(gè)保護(hù)列中還分別設(shè)置了一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器子系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)安全級(jí)顯示模塊（Safety Video Display Unit，SVDU）與保護(hù)通道和列之間的數(shù)據(jù)交換。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)關(guān)與全廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)通訊，該通訊為單向傳輸，以實(shí)現(xiàn)不同安全級(jí)間的隔離。

1.2反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)

為了探測(cè)故障和檢查保護(hù)系統(tǒng)可運(yùn)行性，需要對(duì)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行定期試驗(yàn)?！逗穗姀S安全系統(tǒng)定期試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)》（GB 5204-1994）指出，“最好采用從探測(cè)器到被驅(qū)動(dòng)設(shè)備同時(shí)驗(yàn)證的方法，在不能實(shí)現(xiàn)上述方法處，可以采用分段交疊試驗(yàn)的方法”。依據(jù)該原則，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)一般分3段交疊進(jìn)行，分別稱為T(mén)1試驗(yàn)、T2試驗(yàn)和T3試驗(yàn)，如圖1所示。

圖1　保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)圖Fig.1　The periodic test for the reactor protection system

T1試驗(yàn)即儀表通道試驗(yàn)，試驗(yàn)范圍從傳感器到模擬輸入卡件以及信號(hào)傳輸過(guò)程中的相關(guān)設(shè)備；T2試驗(yàn)即保護(hù)邏輯功能試驗(yàn)，試驗(yàn)范圍是數(shù)字化平臺(tái)計(jì)算機(jī)處理部分，主要是反應(yīng)堆緊急停堆系統(tǒng)和專設(shè)安全系統(tǒng)的保護(hù)邏輯；T3試驗(yàn)即輸出連接試驗(yàn)，主要驗(yàn)證保護(hù)邏輯的輸出信號(hào)通道和相關(guān)設(shè)備的連接。

福清核電站RPS定期試驗(yàn)即采用3段交疊方式，由于RPS結(jié)構(gòu)特殊，即RPS內(nèi)部各控制處理器間的數(shù)據(jù)交換采用硬接線方式，整個(gè)RPS結(jié)構(gòu)中包含了大量的內(nèi)部硬接線連接，因此，T2試驗(yàn)也包含了對(duì)這些硬接線連接的檢查。

2　福清核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)T2試驗(yàn)方案

2.1T2試驗(yàn)方案介紹

T2試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證Tricon控制器內(nèi)反應(yīng)堆保護(hù)邏輯的正確性，試驗(yàn)范圍包括反應(yīng)堆停堆邏輯、安全專設(shè)驅(qū)動(dòng)邏輯以及Tricon控制器間用于數(shù)據(jù)交換的硬接線連接。

T2試驗(yàn)按子通道或子列實(shí)施，分別驗(yàn)證其中的保護(hù)邏輯，試驗(yàn)方案如下：

1）切除保護(hù)功能，連接非安全級(jí)試驗(yàn)工作站——Tristation，使用本子通道或子列本地連接的Tristation工作站向控制器內(nèi)強(qiáng)制置入（模擬或數(shù)字）信號(hào)，從其他通道或列置入相應(yīng)信號(hào)，使得表決邏輯觸發(fā)表決輸出，從待試驗(yàn)的子通道或子列所連接的工作站上監(jiān)視相關(guān)變量值，確認(rèn)本子通道或子列邏輯功能的正確性。

2）對(duì)于通過(guò)硬接線送入到其他通道或列中的信號(hào)，使用相應(yīng)通道或列中本地連接的Tristation工作站，監(jiān)視輸入到該控制器內(nèi)的信號(hào)，檢查并確認(rèn)硬接線連接是否正常。

2.2T2試驗(yàn)方案分析

在對(duì)廠家提出的T2試驗(yàn)方案及試驗(yàn)用例進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該試驗(yàn)方案不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，不具有可行性，主要有以下兩方面原因：

1）本試驗(yàn)方案基于Tristation工作站，Tristation工作站功能單一，操作不便。試驗(yàn)用例中提到的變量強(qiáng)制和試驗(yàn)結(jié)果檢查需試驗(yàn)人員手動(dòng)一步一步地執(zhí)行，并逐一進(jìn)行確認(rèn)，而試驗(yàn)用例量非常大，完成一次T2試驗(yàn)需要大量人力和時(shí)間。實(shí)施T2試驗(yàn)時(shí)，需要RPS完全退出運(yùn)行，并與電廠其他工藝系統(tǒng)隔離。根據(jù)其他核電廠的換料大修經(jīng)驗(yàn)，大修期間反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)T2試驗(yàn)實(shí)施窗口時(shí)間一般只有一周左右，按照目前的試驗(yàn)方案，則無(wú)法在試驗(yàn)窗口內(nèi)完成T2試驗(yàn)。

2）Tristation工作站一次僅能與一臺(tái)Tricon控制器連接，因此，至少需要同時(shí)配置6臺(tái)Tristation工作站才能執(zhí)行保護(hù)邏輯驗(yàn)證和硬接線連接檢查。實(shí)施表決邏輯等功能試驗(yàn)時(shí)信號(hào)注入和試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)需要分別在各個(gè)工作站上執(zhí)行，因此，一個(gè)試驗(yàn)用例需要多人協(xié)同才能完成，試驗(yàn)效率低。

3　T2試驗(yàn)方案優(yōu)化

由于目前DCS廠家給出的T2試驗(yàn)方案不具有可行性，為確保T2試驗(yàn)后續(xù)設(shè)計(jì)貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，需要對(duì)T2試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化主要從試驗(yàn)方法和試驗(yàn)裝置兩方面考慮，優(yōu)化的目標(biāo)是T2試驗(yàn)?zāi)軌蜃詣?dòng)、便捷、高效地執(zhí)行，以減少試驗(yàn)耗時(shí)和人力。

為達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，至少需要實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)：

（1）試驗(yàn)信號(hào)注入和試驗(yàn)結(jié)果監(jiān)視應(yīng)集中在一臺(tái)試驗(yàn)工作站上；

（2）試驗(yàn)裝置應(yīng)能夠批量注入信號(hào)，能夠自動(dòng)比較試驗(yàn)結(jié)果。

3.1試驗(yàn)方法優(yōu)化

按照T2試驗(yàn)范圍，可將試驗(yàn)內(nèi)容劃分為3部分：模擬量輸入信號(hào)閾值模塊和質(zhì)量位檢查、邏輯功能驗(yàn)證、通道與通道及通道與列間硬接線連接檢查，每個(gè)部分獨(dú)立執(zhí)行并有重疊，可簡(jiǎn)化試驗(yàn)程序、提高試驗(yàn)效率。

（1）模擬量輸入信號(hào)閾值模塊和質(zhì)量位檢查

將模擬量輸入信號(hào)的閾值模塊和質(zhì)量位檢查與T1試驗(yàn)一并執(zhí)行，從機(jī)柜內(nèi)模擬量信號(hào)輸入端子排處注入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)模擬量信號(hào)輸入通道精度和電氣連續(xù)性、控制程序中的閾值模塊和質(zhì)量位進(jìn)行檢查。

（2）邏輯功能驗(yàn)證

以子通道和子列為單位，分別對(duì)各個(gè)子通道和子列中的邏輯功能進(jìn)行測(cè)試。由于（1）中已經(jīng)檢查了模擬量輸入信號(hào)的閾值模塊和質(zhì)量位，因此，邏輯功能試驗(yàn)時(shí)只需在軟件中對(duì)模擬量輸入信號(hào)點(diǎn)強(qiáng)制，使其產(chǎn)生“部分停堆”信號(hào)，然后檢查并確認(rèn)程序中相關(guān)變量值的變化，以驗(yàn)證邏輯功能是否正確。

（3）硬接線連接檢查

保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的硬接線連接形式為數(shù)字量輸出到數(shù)字量輸入，即“DO-DI”。一個(gè)“DO-DI”連接中的DO和DI分屬不同通道或列，試驗(yàn)以一組“DO-DI”連接為單位，在程序中對(duì)該組內(nèi)DO進(jìn)行強(qiáng)制，然后檢查組內(nèi)DI，以確認(rèn)該組“DO-DI”硬接線連接是否正常。

3.2試驗(yàn)裝置優(yōu)化

為了達(dá)到試驗(yàn)的自動(dòng)化和高效執(zhí)行，必須實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)信號(hào)的自動(dòng)注入和試驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)比較，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)在于需要將試驗(yàn)信號(hào)的注入和試驗(yàn)結(jié)果的采集集中在一臺(tái)工作站上?；谏鲜鲆螅囼?yàn)裝置應(yīng)具有以下特征：

1）能夠同時(shí)與多個(gè)Tricon控制器通信。

2）能夠?qū)ricon控制器內(nèi)程序變量讀/寫(xiě)訪問(wèn)。

通過(guò)對(duì)Tricon平臺(tái)特性分析后發(fā)現(xiàn)，Tricon平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

1）TSAA或Modbus等標(biāo)準(zhǔn)第三方通訊協(xié)議支持一臺(tái)工作站同時(shí)與多個(gè)Tricon控制器通信，能夠?qū)λ蓄?lèi)型全局變量進(jìn)行讀訪問(wèn)，但僅能對(duì)Memory和輸出型全局變量寫(xiě)訪問(wèn)。

2）Tristation協(xié)議不支持一臺(tái)Tristation工作站同時(shí)與多個(gè)Tricon控制器通訊，但支持對(duì)輸入型、輸出型、寄存器（Memory）型全局變量讀/寫(xiě)訪問(wèn)。

基于上述分析，由于TSAA或Modbus協(xié)議對(duì)全局變量沒(méi)有寫(xiě)訪問(wèn)權(quán)限的局限性，試驗(yàn)裝置如選用這兩種協(xié)議，需要解決試驗(yàn)信號(hào)注入問(wèn)題。

3.2.1試驗(yàn)信號(hào)注入方式

以通道I子系統(tǒng)1（稱為IP Sub1）中“穩(wěn)壓器水位高3&P7”停堆邏輯為例，說(shuō)明試驗(yàn)信號(hào)的注入方式。

穩(wěn)壓器水位測(cè)量RCP011MN、008MN、007MN信號(hào)被采集后分別進(jìn)入IP、ⅡP、ⅢP的子系統(tǒng)1中，在各自控制器中的一回路冷卻劑系統(tǒng)（RCP）程序塊中進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換及閾值比較等運(yùn)算。RCP011MN在IP Sub1中與保護(hù)閾值比較后產(chǎn)生“部分停堆”信號(hào)，以Memory類(lèi)型變量送入IP Sub1中“穩(wěn)壓器高3&P7”程序塊，而RCP008MN和RCP007MN在各自子系統(tǒng)1中與保護(hù)閾值比較后產(chǎn)生“部分停堆”信號(hào)，以“DO-DI”硬接線形式送往IP Sub1“穩(wěn)壓器高3&P7”程序塊，P7信號(hào)由IP Sub1產(chǎn)生，以Memory類(lèi)型變量送入IP Sub1“穩(wěn)壓器高3&P7”程序塊。IP Sub1中“穩(wěn)壓器高3&P7”停堆邏輯，如圖2所示。

圖2　“穩(wěn)壓器水位高3&P7”停堆邏輯Fig.2　The reactor trip logic of “PZR water level high 3&P7”

根據(jù)參與“穩(wěn)壓器高3&P7”停堆邏輯的輸入變量類(lèi)型，試驗(yàn)信號(hào)注入有3種方案：

方案A：試驗(yàn)裝置通過(guò)TSAA或Modbus協(xié)議強(qiáng)制程序塊中的Memory變量，而程序塊中來(lái)自其他通道子系統(tǒng)的數(shù)字量輸入變量可由試驗(yàn)裝置強(qiáng)制其上游數(shù)字量輸出變量，該DO變量位于其他子系統(tǒng)的程序內(nèi)。需要特別注意的是，對(duì)于參與反應(yīng)堆保護(hù)邏輯的來(lái)自核功率測(cè)量系統(tǒng)（RPN）、汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（GSE）、汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)（GCT）等系統(tǒng)的DI信號(hào)，試驗(yàn)裝置無(wú)法在程序塊中對(duì)其變量進(jìn)行強(qiáng)制，這部分信號(hào)需要通過(guò)硬件從外部注入試驗(yàn)信號(hào)。

方案B：對(duì)現(xiàn)有程序塊進(jìn)行修改，所有來(lái)自RPN、GSE、GCT等系統(tǒng)的DI信號(hào)在程序塊中首先轉(zhuǎn)換為Memory變量，而后再執(zhí)行閾值比較等運(yùn)算。這種情況下，試驗(yàn)裝置對(duì)Memory變量進(jìn)行強(qiáng)制，以實(shí)現(xiàn)這些DI信號(hào)的注入。

方案C：開(kāi)放TSAA或Modbus等標(biāo)準(zhǔn)第三方協(xié)議對(duì)輸入點(diǎn)的寫(xiě)入功能，定期試驗(yàn)程序通過(guò)通訊協(xié)議對(duì)程序塊中的模擬和開(kāi)關(guān)量輸入變量進(jìn)行強(qiáng)制，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)信號(hào)的注入。

3.2.2試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)試驗(yàn)信號(hào)注入方式的不同，有兩種試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)：

1） 方案B和方案C的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)基本一樣，主要由一臺(tái)試驗(yàn)工作站和交換機(jī)以及若干光纖組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　第一種試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.3　The structure of the first test tool

2） 方案A的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，除一臺(tái)試驗(yàn)工作站和交換機(jī)外，需配置一個(gè)試驗(yàn)機(jī)柜，試驗(yàn)機(jī)柜內(nèi)裝配有控制處理器、通訊卡件、數(shù)字量輸出卡件等部件，試驗(yàn)信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和硬接線方式注入反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)中。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.3優(yōu)化方案分析

3.2.1節(jié)中提出的3種試驗(yàn)信號(hào)注入方式在實(shí)現(xiàn)上各有優(yōu)劣，其中，方案C最優(yōu)，其試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要開(kāi)放第三方通訊協(xié)議對(duì)輸入點(diǎn)的寫(xiě)入權(quán)限，需要得到廠家產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部門(mén)的支持。方案A采用通訊和硬接線相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)信號(hào)的注入，其試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要增加相關(guān)硬件，將增加工程成本。此外，方案A在試驗(yàn)前后需要拆、接信號(hào)線，試驗(yàn)實(shí)施較繁瑣。方案B與方案A類(lèi)似，其試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要修改現(xiàn)有控制組態(tài)程序，這將對(duì)整個(gè)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)控制組態(tài)工作造成影響，需要評(píng)估因增加變量而對(duì)控制處理器周期的影響以及對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度的影響。

4　結(jié)束語(yǔ)

在提出T2試驗(yàn)優(yōu)化建議方案后，第一時(shí)間將該方案提交給了設(shè)計(jì)方和廠家進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)各方反復(fù)討論，確定了福清核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)T2試驗(yàn)最終方案。T2試驗(yàn)最終方案為本文提出的第一種試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)，通過(guò)與廠家開(kāi)發(fā)部門(mén)的溝通，修改了試驗(yàn)信號(hào)注入方式，采用廠家開(kāi)發(fā)部門(mén)開(kāi)放的Tricon編程協(xié)議（Tristation）注入信號(hào)，并采用目前得到大量應(yīng)用的虛擬機(jī)技術(shù)解決一個(gè)物理工作站與多個(gè)Tricon控制器通訊的問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)上還是類(lèi)似于本文提出的方案C。目前T2定期試驗(yàn)已完成初步開(kāi)發(fā)，并在電廠得到了初步應(yīng)用，下一步，將繼續(xù)協(xié)助廠家對(duì)T2定期試驗(yàn)方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖4　第二種試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.4　The structure of the second test tool

［1］ Tricon系統(tǒng)手冊(cè). 福建福清核電有限公司.（Tricon User Manual， Fuqing Nuclear Power Co.， Ltd. ）

［2］ 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述. 福建福清核電有限公司.（The Design of Reactor Protection System. Fuqing Nuclear Power Co.， Ltd. ）

［3］ 楊汝貞，王五妹. 福清核電廠數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)方案及可行性分析［J］. 自動(dòng)化博覽，2012，08：54-57.（YANG Ru-zhen， WANG Wu-mei. The Scheme and Feasibility Analysis for the Periodic Test for the Digital Reactor Protection System of Fuqing NPP［J］. Automation Panorama， 2012，08：54-57. ）

The Optimization of T2 Periodic Test for the Reactor Protection System of Fuqing NPP

YOU Bing， GONG Cheng-jun， LI Xun-cun
（Fujian Fuqing Nuclear Power Co.， Ltd.， Fuqing， Fujian Prov. 350318， China）

In the initial design phase， the T2 periodic test for the reactor protection system has a low automation level， and needs high-risk and complex operation. By analysing the design，an optimized solution is given in this paper. The design institute， supplier，and enduser estimate the solution， and based on this solution， the supplier make a final design for the T2 periodic test for the reactor protection system.

reactor protection system； periodic test； T2 test； optimization

TL36 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0261-06

TL36

A

1674-1617（2016）03-0261-06

2016-04-18

尤 兵（1983—），男，福建福清人，碩士，工程師，從事核電廠儀控維修工作。