核電廠儀控系統ACDC類電源自動測試系統

（中科華核電技術研究院 北京分院，北京 100086）

核電廠儀控系統ACDC類電源自動測試系統

曾澤嶸，王健，陶長興

（中科華核電技術研究院 北京分院，北京 100086）

核電廠儀控系統是核電站的神經中樞，要求能在惡劣環境下完成數據采集與處理、控制與調節、診斷、通訊等功能，因此對其供電電源有很高要求[1]。核電廠大修及日常維護中，需要測試診斷及老化試驗的儀控電源備件種類繁多、數量巨大。通過分析核電廠對儀控電源備件測試診斷及老化試驗的要求，針對核電廠儀控系統中數量最多ACDC類電源設計該測試系統，具有自動化程度高、可靠性、安全性等特點。

電源測試；Labview；核電站

0 引言

核電廠運行中儀控系統負責了整個運行過程中的數據采集與處理、控制與調節、診斷、通訊等功能，是核電廠的神經中樞；當出現設計基準事故或超設計基準事故時仍要求其能正常可靠運行，因此其供電電源就尤為重要。核電廠儀控電源備件種類繁多、數量巨大，在電廠大修以及日常維護中需對所有電源備件進行檢測、診斷以及老化試驗，其投入人力大，記錄耗時繁瑣，由人為因素導致不可靠性增大。

通過分析核電廠在電源備件管理中的實際需求，針對大亞灣核電站數量最多的儀控AC/DC電源設計該自動測試系統。該系統基于CPCI平臺搭建，Labview環境下開發，一次側電源與負載通過GPIB實現程控，具有高自動化程度、可靠性安全性高等特點。該系統可用作核電站儀控電源備件的日常檢測診斷與管理的工具，對核電廠通用電源檢測與老化試驗平臺的搭建有借鑒意義；同時對國內核電廠電源檢測專業標準及指導性文件缺失[2]的現狀是以補充。

1 核電廠AC/DC儀控電源特性分析

壓水堆核電站包括大小20余類系統[3]，以大亞灣核電站為例，其中AC/DC類儀控電源大概有32種，分布于RGL、GRE、RPN等10余種系統中。這些儀控電源輸入/輸出特性與數量以及接口形式各異，輸入主要以220V、110V及20V交流供電為主，輸出電壓主要以5V、12V、24V設備電源為主但輸出電流差異較大，有幾十毫安到幾十安不等；其接口形式分為邊緣連接（金手指）、旋擰及壓接3種形式。因此，在系統設計中應充分考慮到配置的靈活性與安全性以及接口形式匹配的通用性。

2 核電廠AC/DC儀控電源測試參數分析

根據針對核電廠儀控電源日常維護中測試診斷實際需求的分析調研，并參閱《GB/T14714-2008微小型計算機系統設備用開關電源通用規范》和《SJ20825-2002軍用裝備直流供電電源總規范》相關內容[4,5]，確定核電廠AC/DC儀控電源測試參數表1所示。

表1 核電廠AC/DC儀控電源測試參數Table1 Nuclear power plant AC/DC instrument control power supply test parameters

圖1 系統結構示意圖Fig.1 System structure diagram

圖2 測量原理示意Fig.2 Measuring principle

圖3 電壓/電流采集卡原理示意圖Fig.3 Voltage/current acquisition card principle diagram

3 系統結構

本系統基于CPCI總線平臺搭建完成，其系統結構如圖1所示。系統以被測對象為中心劃分為一次側與二次側，一次側為直流程控電源，為被測電源供電；二次側為電子負載，可工作于恒流/恒壓/橫阻模式下以實現不同測試目標下的拉載動作。程控電源與電子負載均通過GPIB級聯方式與PXI主機進行通訊；電子負載的負載變化速率須滿足SR≥0.2A/us，并且提供相應的觸發信號以實現瞬態動作下的參數測試。根據核電廠AC/DC儀控電源輸出數量多、參數差異較大的特點，負載單通道參數以及通道數量需涵蓋50%以上的被測對象并且具有方便的可拓展性。示波器通過拾波器連接于被測對象輸出端根部以進行紋波測量與瞬態變化波形的抓取。為保證核電廠備件的安全，其一次側與二次側兩端都需要進行必要的限值保護并且有報警功能。

4 測量原理

本測試系統的基本電氣設計遵循工業測量的四線制方式，功率線與信號線分開以實現電流電壓的單獨測量，保證測量結果的準確性與可靠性，如圖2中所示實線為功率線，虛線為信號線。核電廠儀控電源絕大多數都有較為良好的輸入特性，但為了保證測量結果的有效性同時也為了保護儀控電源備件及系統設備，要求一次側供電電源精確補償輸出電壓至被測電源根部。在電壓/電流測量單元中電壓信號與電流信號通過獨立端口接入，而輸出端仍然保持四線的方式連接電子負載以保證其就地顯示值準確。

5 硬件設計

本測試系統硬件部分主要包括控制主機、直流程控電源、電子負載以及電壓/電流測量卡、示波器以及測試轉接臺。

5.1控制主機

主機機箱選用PXI總線機箱，配有標準14槽PXI底板，1個系統槽和13個外設槽；控制器支持32bit/33MHzPXI總線，配有2.2GHz主頻CPU，2GB/DDRII內存以及320G系統硬盤。主機另配有1塊GPIB通信卡以及2個USB2.0，設備以級聯方式通過GPIB實現通訊。

5.2電壓/電流采集卡

電壓與電流的采集在采集卡原理示意圖如圖3所示，其內部分別由0.1%，10ppm精密電阻網絡以及霍爾傳感器實現，其中霍爾傳感器精度優于0.5%，線性度優于0.1%。采集的電壓/電流信號經過調理電路后經由12bit/1MHz的ADC與隔離模塊后進入FPGA處理。電壓/電流采集卡通過本地總線橋接芯片與CPCI總線匹配，板卡直接在控制主機機箱可插拔。電壓與電流信號通過高速開關切換使用ADC，其最終的采樣速率為200KHz，電壓測量精度為0.1%，電流測量精度為0.5%。

5.3程控電源與電子負載

本測試系統中程控電源選用的交流程控電源為220VAC常規供電，輸出單相交流電壓150/300V自動量程切換，精度0.2%F.S.，功率1500VA，頻率范圍15～1KHz；支持輸出電壓狀態變化觸發，VSR可到10V/ms，帶有超值超限保護功能，支持GPIB及RS232控制。電子負載為模塊化可擴展組件，單通道參數為20A/80V/100W與80A/80V/400W兩種，可在恒流/恒壓/恒功率/恒阻抗模式下工作，可編程電流斜率、負載周期及拉載電壓，電流斜率可到2A/us；帶有過電

流/功率、超溫報警以及反向極性報警功能。

圖4 測試系統軟件設計Fig.4 Test system software design

圖5 開機時間測試流程Fig.5 Boot time testing process

5.4示波器與測試轉接臺

本測試系統中示波器選用200M帶寬，4通道隔離輸入，1M存儲深度，1.25G采樣率泰克示波器，配有7英寸液晶顯示器并能進行29種自動參數測試；其在系統中的功能是進行紋波測量以及抓取瞬態階躍響應以及開關機特性的波形。

測試轉接臺由臺架、適配器背板、功率端接口、信號端接口以及觸發端接口組成，其功能是為適應核電廠AC/ DC儀控電源形式多樣的接口，將被測對象快速便捷并準確可靠接入本測試系統。測試轉接臺架適用邊緣連接方式以及壓接旋擰方式的被測對象；通過航插方式與系統資源實現快速準確對接。觸發端口用以轉接設備提供的觸發信號供給示波器使用。

6 軟件設計

考慮到核電廠AC/DC類儀控電源種類繁多、各項參數差異化大并且待測項較多，參數配置繁復，因此采用流程化、模塊化的思路設計本測試系統軟件。本測試系統軟件基于Labview環境開發，其對虛擬儀器概念支持的特點[6]切合前述設計思路。

6.1功能設計

面向用戶的功能性設計方面需考慮到核電廠日常維護對儀控電源備件管理特點，數量巨大的各類儀控電源隸屬于不同專業科管理，負責日常測試診斷的工程師面向的是全廠各類備件，因此用戶不一定對每一塊被測電源熟悉；并且備件數量巨大，記錄與數據整理繁瑣，因此本測試系統軟件功能方面需實現定制化、流程化的一鍵測試并提供詳細的被測電源信息[7]。

從圖4可看到本系統軟件面向用戶分為用戶管理模塊、測試項配置模塊、測試監督模塊、報表模塊以及自檢模塊。

1）用戶管理模塊：實現用戶登錄控制、報表以及被測電源信息管理。

2）測試項配置模塊：針對具體測試需求用戶自由組合待測的測試項目，然后可進行一鍵測試。

3）測試監督模塊：用戶可實時觀察并監督測試過程，可隨時暫停或者停止，也可根據測試系統提示進行一些輔助操作。

4）報表模塊：自動生成測試報表，用戶可方便進行備注與管理。

5）自檢模塊：實現系統設備自檢。

6.2底層模塊及流程設計

該部分設計由5部分組成，其中程控電源控制模塊、電子負載控制模塊與示波器控制模塊屬于設備控制模塊，其給出了系統設備在測試過程中使用到的所有功能接口。參數配置模塊包含針對設備控制模塊所有參數配置接口對接的資源，并針對核電廠每一種AC/DC儀控電源都建立一份配置文件，以.xml形式保存在系統文件夾中，高階用戶可在參數配置模塊中對配置文件進行修改。測試流程模塊定義了執行某一項測試項目中設備控制模塊需要進行的每一步動作，高階用戶也可在該模塊中根據具體測試需求調整某具體測試項目的測試流程。

以開機時間測試為例，如圖5中所示測試流程模塊定義了每一步測試動作，每一步測試動作通過設備控制模塊執行設備動作，在該過程中參數配置模塊給每一步動作賦值。

7 結束語

通過對核電廠AC/DC類儀控電源的數量、種類、電氣參數、結構、接口形式等特性進行分析，結合對核電廠大修及日常維護中對儀控電源測試診斷的具體需求，設計了本電源自動測試系統。本系統具有高自動化程度、可靠性安全性高等特點；目前已在現場投入使用，是核電站儀控電源備件日常檢測診斷與管理的工具，同時對核電廠通用電源檢測與老化試驗平臺的搭建有借鑒意義。

[1]張東宏．核電廠DCS系統供電電源的方案的應用分析[J]．西北水電,2013．

[2]董寧．工業電源通用型測試平臺研究[D]．北京：北京交通大學,2012．

[3]廣東核電培訓中心．900MW壓水堆核電站系統與設備[M]．北京：原子能出版社,2005．

[4]GB/T 14714-2008微小型計算機系統設備用開關電源通用規范[S]．

[5]SJ 20825-2002軍用裝備直流供電電源總規范[S]．

[6]杜紅霞．基于LabVIEW的DC/DC性能測試系統的研究與設計[D]．西安：陜西科技大學,2013．

[7]鞠文耀．電源自動測試技術研究[G]．第十八屆全國電源技術年會論文集．

Auto-Testing System for AC/DC Power Supplies of I &C System of Nuclear Power Plants

Zeng Zerong，Wang Jian，Tao Changxing
（Beijing Division, China Nuclear Power Research Technology Institute, Beijing 100086,China）

I&C Systems are the nerve center of the nuclear power plants, which is required to function good of data-acquisition and processing, control and regulation, diagnostic, communication etc. in hash environments, thus it's extremely strict for its power supply. In the overhaul and regular maintenances of nuclear power plant, the I&C system power supplies under testing or diagnostic and aging test are in various sorts and in large number. By analyzing the requirements of nuclear power plants, here presence a design of auto-testing system for AC/DC power supplies, which have features of highly automatic, reliability, safety etc.

power supplies testing; Labview; nuclear power plant

TK

A

1671-1041(2014)06-00039-03

2014-09-15

曾澤嶸（1988-），男，碩士，從事電氣儀控設備、板件、電子元器件故障診斷、老化與可靠性分析以及相關診斷系統設計。