AP1000數字棒位指示系統數據傳輸及精度分析

摘要：文章介紹了第三代非能動先進壓水堆AP1000技術中采用的數字棒位指示系統的功能、系統組成，并詳細分析了AP1000數字棒位指示系統的探測器原理及數據傳輸和探測精度問題，從而來說明其指示的可靠性。

關鍵詞：AP1000；棒位探測器；數據傳輸；探測器/編碼器卡；數據輸入/輸出卡

中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）16-0066-04

AP1000核電廠中，反應堆功率控制由控制棒的提升和下插來實現。控制棒在堆芯中的軸向位置跟反應堆的運行工況及運行狀態有直接關系，準確并可靠的控制棒位置探測和指示是電廠安全運行的重要保證。AP1000數字棒位顯示系統（Digital Rod Position Indication，以下簡稱DRPI）實現了準確可靠的棒位顯示功能。

1 系統功能

AP1000核電廠中，控制棒控制反應堆的輸出功率，共69束。DRPI系統監測全部69束控制棒在堆芯內的軸向

位置。

DRPI系統的具體功能如下：（1）探測所有控制棒行程范圍內的位置，并把探測數據轉化為連續的數字信息；（2）更新棒位信息。當棒位改變時，更新電廠實時數據網上的棒位信息；（3）監測每束控制棒的狀態報警信息；（4）觸發主控室內停堆棒未完全提出報警。監測所有停堆棒的位置并與設定的棒未完全提出偏差限值比較，如果停堆棒位置降低超過了設定的偏差限值，棒位系統會產生停堆棒未完全提出報警；（5）觸發主控室內的棒位觸底報警，并向Ovation系統提供棒位低于插入限值的信息（完全插入）；（6）棒位偏差報警，監測每束棒的位置并與同一棒組內的其他棒束位置比較——如果同一棒組內最高和最低棒位偏差超過設定的限值，將觸發一個棒位偏差報警。

2 系統組成

AP1000 DRPI的系統結構見圖1，DRPI系統主要包括以下設備：棒位探測器組件；數據機柜A、B；邏輯機柜；落棒測試機柜。

2.1 棒位探測器組件

棒位探測器組件共69套，每套探測器組件通過48個探測線圈探測一束控制棒的位置，分為A、B兩組，每組都是24個探測線圈，交替安置在探測器套管上。相鄰的A、B線圈之間間距為3.75英寸（約9.525cm，6步）。AP1000的控制棒移動范圍是0～267步，其中最底部線圈A1和B1一直被驅動桿穿過，最上部線圈A24和B24一直未被穿過。

當驅動桿縱向移動通過線圈時，每個線圈的電感發生變化，具體為若線圈有驅動桿通過，則線圈阻抗變大，即RII變大，使得在終端電阻R上的分壓變小。AP1000的探測器設置為終端電阻R阻值為5Ω，當線圈有驅動桿通過時，與此線圈相連的終端電阻上的分壓為1.15V；當線圈未有驅動桿通過時，則與此線圈相連的終端電阻上的分壓為1.6V。當相鄰的兩個線圈1個有驅動桿通過，1個沒有驅動桿通過時，則分別與這兩個線圈相連的終端電阻R上的分壓就產生了0.45V的電壓差，此電壓差經過一個差動放大器放大，產生一個反應驅動桿相對位置的信號。

圖3中，終端電阻R1上的分壓為1.15V，終端電阻R2上的分壓為1.6V，差動放大器D將接收到的R1、R2上的分壓差值放大，產生一個反映驅動桿相對位置的信號輸出。

2.2 數據機柜

數據機柜位于安全殼內，由相同的A、B兩列組成，它能連續監測所有69束控制棒的棒位信息，發送要求的棒位數據信息到邏輯柜，然后再送到主控室去顯示。數據柜還能提供測試和故障探測的功能。

2.3 邏輯機柜

邏輯機柜是基于Ovation的冗余控制器機柜，位于安全殼外。冗余控制器機柜配置有冗余Ovation控制器、冗余輸入/輸出模塊、冗余電源、雙冗余網絡接口和一個交流過濾面板。交流過濾面板提供對交流浪涌和噪聲的保護。

2.4 落棒測試系統（Rod Drop Test System，以下簡稱RDTS）

RDTS系統用來測量正常溫度、壓力、流量情況下控制棒的下落時間。

RDTS硬件包括位于DRPI數據機柜內部的數據獲取（Data Acquisition）設備和位于安全殼外的RDTS機柜。

3 系統數據傳輸

根據棒位探測原理，結合系統組成，可以得出DRPI探測和顯示棒位信息的過程以及這一過程中的數據流：（1）邏輯機柜中的DRPI控制器向數據機柜發送需要探測的控制棒組件的地址；（2）數據機柜的輸入/輸出卡分析地址數據，尋址到對應棒束組件的探測器/編碼器卡件；（3）對應的探測器/編碼器卡件處理對應探測線圈的信號，并產生對應棒束組件的5位棒位格雷碼數據到輸入/輸出卡；（4）數據輸入/輸出卡發送棒位格雷碼數據、奇偶校驗位、錯誤位到邏輯機柜中的DRPI控制器；（5）邏輯機柜中的DRPI控制器通過實時數據網絡把棒位數據和報警信息提供給位于主控的顯示單元、電廠計算機和信息系統等。

3.1 探測器/編碼器卡數據傳輸

探測器/編碼器卡連續監測來自棒位探測器的輸出信號，將其轉化為5位格雷碼。當它唯一的7位二進制地址碼都為邏輯1時，將5位格雷碼棒位數據輸入到母板數據線上，發送到數據輸入/輸出卡。每個探測器/編碼器卡經過134ms被讀取一次，持續1.05ms。當探測器/編碼器卡未被讀取時，產生一個11111的輸出碼。探測器/編碼器卡同時監測故障，如果線圈斷開或者短路，或者探測器失去6VAC電源，則當該探測器/編碼卡被讀取時，將產生11111的錯誤碼到母板數據線上。

位置跟蹤探測器包含5Ω的終端電阻和差動放大器，目的是探測驅動桿頂端位置，即在哪兩個線圈之間，產生一個代表控制棒位置的信號，輸入給格雷碼編碼器。

格雷碼編碼器由二極管/晶體管邏輯電路組成。它能產生一個5位的格雷碼信號輸出，反映從位置跟蹤探測器來的驅動桿頂端位置信號。同時，將提供一個反饋電壓到故障探測器。

當此探測器/編碼器卡的地址被讀取時，輸出數據門將探測器/解碼器產生的5位格雷碼放置到母板數據線上，從故障探測器來的輸出啟動信號允許輸出數據門輸出信號。在如下兩種情況下輸出5位格雷碼為11111：（1）存在故障；（2）該地址未被讀取。

地址探測器監測連接到母板的7位地址線，當特定的探測器/編碼器卡地址被讀取時，這7位地址線都是邏輯1（見圖6）。當探測到這種狀況時，地址探測器通過故障探測器輸出一個輸出啟動信號給輸出數據門，輸出啟動信號能夠允許輸出數據門將位置信息放置到母板數據線上。

故障探測器比較兩種電壓：一個是由6VAC探測器采樣線產生的參考電壓；一個是由編碼邏輯產生的反饋電壓。前者用來為故障探測器產生一個大約4.25VDC的浮動參考電壓來說明電源供應的任何變化。當由編碼邏輯產生的反饋電壓超過參考電壓時，就顯示故障狀態。

當故障探測器探測到故障發生時，首先故障指示燈會亮起幫助操作人員定位故障的位置，另外，當該探測器地址被讀取時，故障探測器會阻止輸出啟動信號到達輸出數據門，輸出數據門會將輸出11111的錯誤碼到母板數據線上，DRPI系統會將此受影響的控制棒轉換為半精度棒位探測模式。

3.2 數據輸入/輸出卡數據傳輸

數據輸入/輸出卡有兩個基本功能：接收地址信息，傳輸棒位數據。

數據輸入/輸出卡接收和隔離來自邏輯機柜的7位地址碼，同時傳遞5位棒位信息格雷碼和1位奇偶校驗位到邏輯柜。另外，數據輸入/輸出卡還具備故障探測能力。

數據輸入/輸出卡接收和隔離來自邏輯機柜的7位地址碼，在數據輸入/輸出卡中，地址被隔離為A0-A6以及相應的補碼A0-A6。地址碼以及它們的補碼被放置在母板地址線上，同時被送到卡件奇偶校驗發生器中。數據輸入/輸出卡為每個地址從母板數據線獲得棒位的5位格雷碼數據，經過卡件奇偶校驗發生器/驅動器電路傳遞數據到邏輯機柜。

在數據輸入/輸出卡上的故障探測電路用來探測數據機柜的電源供應故障，測試開關和相應的電路為系統測試提供方便，測試點和相應的指示燈用來監測數據和地址位信息，奇偶校驗發生器幫助探測數據傳輸的錯誤。見圖7數據輸入/輸出卡數據傳輸示意圖。

地址接收器/緩沖器接收從邏輯柜來的7位地址碼，信號從+7.5VDC和-7.5VDC搖擺。接收器電路包括提供數據柜和邏輯柜電氣隔離的光學隔離裝置。緩沖器將地址位的邏輯電平轉換為+15VDC和0VDC分別對應邏輯1和0；還包括轉換器將接收到的地址位轉化為14位的地址信息，A0-A6以及相應的補碼A0-A6，并將此地址信息通過數據輸入/輸出卡反面的連接器提供給母板。這些地址位同時提供給奇偶校驗發生器。

奇偶校驗發生器從母板數據線接收5位格雷碼數據，從地址接收器/緩沖器接收7位地址數據，這些數據的邏輯為1或者0，將這12位邏輯相加就生成奇偶校驗位。奇偶校驗位邏輯1表示12位數據中1的數據是奇數個，0則表示1的數據為偶數個。驅動器將此奇偶校驗位數據傳送到邏輯機柜。產生的奇偶校驗將被送到邏輯柜。

電源供應故障探測器監測數據柜的+15VDC和-15VDC電源供應和6VAC探測器電壓。如果這些電壓中的任意一個故障，則將產生一個阻止信號到數據驅動器和奇偶校驗驅動器。阻止信號將強制驅動器的輸出值為高，使得每個地址獲得的數據均為11111的錯誤碼，DRPI系統就轉換為半精度棒位探測模式。如果奇偶校驗發生器產生的奇偶校驗位與邏輯柜收到的奇偶校驗位不一樣，也將轉換為半精度探測模式。

測試開關面板（見圖8）能在測試時模擬選擇的特定地址位的棒位信息。如果將測試開關S7置于T位置（右邊），那將產生一個地址阻止信號SA給地址接收器/緩沖器，將地址強制為1111111狀態，同時阻止所有的探測器/編碼卡數據輸出門輸出數據，所有數據都來自于測試面板開關的輸入。若將測試開關置于N位置（左邊），將產生一個阻止信號Sd給測試數據門，阻止測試數據到達數據線中，此時通過測試面板來輸入特定的地址，如果地址探測器探測到的測試面板輸入地址與從邏輯柜接收到的地址一致，將產生顯示驅動信號Sa和Sb到數據獲得和顯示電路，從而控制數據獲得指示燈來顯示5位格雷碼棒位信息和1位奇偶校驗位信息，如果指示燈亮，表示邏輯為1；指示燈暗，表示邏輯為0。

4 系統精度分析

4.1 AP1000 DRPI系統精度分析

4.2 探測器組件分辨率比較分析

AP1000棒位探測器組件的分辨率與秦山一期、秦山二期的棒位探測器分辨率對比情況如表2所示。

AP1000 DRPI棒位探測器組件可分辨的步數與總行程步數之比最小，由此可見，AP1000的棒位探測精度比較高。

5 結語

在AP1000核電廠中，DRPI系統是電廠控制系統（Plant Control System，PLS）的一個重要組成部分。DRPI系統探測控制棒的實際位置以監視棒控系統的運行，對整個反應堆的穩定運行具有十分重要的作用。如果DRPI系統發生故障，將直接導致棒控系統的運行狀況無法監控，導致反應堆停堆。本文介紹了第三代非能動先進壓水堆AP1000技術中采用的數字棒位指示系統的功能、系統組成，并詳細分析了AP1000數字棒位指示系統的探測器原理及數據傳輸和探測精度問題，可為AP1000核電廠的調試順利進行和日后機組的穩定運行提供參考。

參考文獻

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作者簡介：陳峰（1986—），男，浙江寧波人，中核集團三門核電有限公司助理工程師，研究方向：數字棒控系統及數字棒位指示系統的調試。