數字化儀控通道響應時間定期試驗設計

梁 玲 周葉翔 田亞杰 李公杰 劉光明

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

核電廠保護系統定期試驗主要是為了驗證從儀表采集至執行結構各環節的功能有效性，設計方法取決于安全級DCS 的技術平臺類型及結構特征。工程上總體將定期試驗劃分為針對模擬繼電器式儀控平臺建立的定期試驗和針對數字化儀控平臺建立的定期試驗。目前新建核電廠已普遍應用數字化儀控平臺，針對數字化儀控平臺的定期試驗設計法律法規也逐步完善。

在各大標準體系中，對核電廠安全級系統平臺的監視及功能驗證，通過定期試驗與系統的自診斷功能共同實現，而安全系統定期試驗的范圍可包括功能試驗和檢查、正確校準的驗證和響應時間試驗。

1 標準要求

標準GB/T 5204 -2008《核電廠安全系統定期試驗與監測》［1］中要求，“安全系統的定期試驗與監測是為了實現預期的系統可用性，應注意探測設備的運行狀態是否處在規定的限制之內。規定的限制是最低的性能要求，例如響應時間、整定值準確度，以及設計基準規定的其他性能要求。”

標準IEC -60671 -2007 (Nuclear power plants -Instrumentation and control systems important to safety -Surveillance testing)［2］中也明確響應時間試驗是安全系統定期試驗中重要的組成部分。

針對定期試驗的設計要求，在役核電廠總體上設計了相互重疊的T1、T2、T3試驗。范圍上，T1、T2、T3試驗總體上能夠覆蓋完整的安全系統數字化平臺的通道;功能上，T1、T2、T3試驗能夠驗證數據采集(如參數采集的正確性)、儀控系統功能(如定值比較、邏輯退化等)、系統之間的連接及執行機構的動作(如閥門開關、動作計時等)，但不能直接驗證這個試驗體系對響應時間的性能。響應時間作為安全系統數字化儀控平臺的一項關鍵性能參數，性能的測試與保證的要求是明確的，但是針對該項性能是否需要做定期試驗，針對不同的數字化平臺及相關自診斷功能的具體設計的區別也出現差異。特別是早期基于數字化儀控平臺定期試驗中，并未包含數字化儀控通道的響應時間定期試驗。

2 通道響應時間定期試驗

2.1 試驗必要性

當前常見的安全級數字化儀控平臺的自診斷功能，并不能直接驗證響應時間的性能指標是否保持不變，但某些安全級DCS 平臺數字化儀控通道構成簡單，主要的響應時間構成來自明確的幾個環節，如CPU等。通過對這些環節的定量分析標準能夠高可信度地判斷整個數字化通道的響應時間滿足安全系統設計的要求。基于這樣的定量分析，最終在設備調試驗證響應時間性能與定量分析結果保持一致，且具有較大的性能冗余，最終確定針對這樣的數字化平臺可不要求定期開展響應時間定期試驗。但是，一方面定量分析本身存在一定的不確定因素，比如環境溫度對響應時間性能的影響測定;另一方面并非所有數字化儀控平臺都能夠完整可信地證明響應時間性能可靠性。因此，在后續二代加及三代核電廠的安全級DCS 平臺設計中，更傾向于增加響應時間定期試驗的設計。

2.2 試驗要求

核電廠完整的響應時間測量包括從敏感元件到被驅動設備整個通道的試驗。本文重點探討數字化儀控系統平臺的響應時間定期試驗，圖1 示意該響應時間定期試驗的范圍，并給出T1、T2、T3的試驗范圍作為比對參考。

圖1 響應時間定期試驗檢測范圍Fig.1 The detection scope of response time periodic test

響應時間測量若一次不能實現整個通道的試驗，可以對通道進行合理分隔，分別測量分離部分的響應時間。分離部分之間保持重疊，或者分離之間有自診斷功能覆蓋，且自診斷部分的響應時間對于整個通道的響應時間貢獻較小。在確定一個系統的總響應時間時，可適當地忽略相比分離部分響應時間低于一個或以上數量級的部分。在具體執行數字化儀控通道響應時間定期試驗時，需滿足如下具體的要求。

(1)如功能試驗，校準檢查或其他試驗已經驗證了安全系統的通道響應時間性能，那么相關設備可不做響應時間定期試驗。

(2)為了確定整個響應時間，必須同時記錄輸入和輸出狀態。試驗輸入應能可靠觸發定值比較，以觸發完全脫扣指令。

(3)如果保護脫扣功能由兩個或兩個以上變量觸發動作，通道的響應時間必須用每個變量產生的脫扣動作來檢驗。試驗時，其余變量的試驗信號必須設置在它們的預期運行范圍內，使試驗產生保守的試驗結果。

(4)如電站運行期間不能開展響應時間定期試驗，可在停堆換料期間開展。

3 通道響應時間定期試驗方案分析

3.1 試驗路徑說明

根據數字化儀控系統響應時間定期試驗的監測范圍，結合MELTAC -N Plus R3 DCS 平臺特性，信號通過信號采集接口機柜RPC 的輸入卡件AI 卡注入，經過專設安全設施驅動機柜ESFAC、安全邏輯處理機柜SLC，最終由SLC 機柜的輸出卡件PIF 卡輸出到專設驅動機構。響應時間試驗計時路徑如下。

停堆功能:RPC AI 卡件—RPC CPU—DO 卡件;

專設功能:RPC AI 卡件—RPC CPU—ESFAC CPU—SLC CPU—PIF 卡件。

3.2 傳統響應時間測試方法

①停堆功能響應時間試驗方法。通過試驗路徑可以看出，停堆功能響應時間試驗所需信號都在RPC機柜所在房間。試驗時，只需將AI 卡件輸入端子和DO 卡件輸出端子連接到試驗端子上，然后再分別連接到信號仿真器和示波器，即可進行響應時間試驗。本文重點分析專設功能響應時間試驗方法。

②專設功能響應時間試驗方法。試驗時，將RPC機柜的AI 卡輸入端子和SLC 機柜的PIF 卡輸出端子分別連接到試驗端子上，信號仿真器放在RPC 機柜所在房間，示波器放在SLC 機柜所在房間。仿真信號注入到AI 卡時，通過隔離分配將仿真信號同時送到示波器作為計時開始信號，仿真信號經RPC、ESFAC、SLC邏輯處理后經PIF 卡輸出，該輸出信號送示波器作為計時結束信號。傳統響應時間試驗接線如圖2 所示。

在DCS 出廠前及現場調試期間，該測試方法可行。但是電站投運后，根據DCS 機柜廠房布置，RPC機柜與SLC 機柜布置在不同的樓層，需敷設跨樓層的試驗電纜。在電纜敷設接近超容的情況下，增加試驗電纜存在一定的難度。因該項試驗在停堆換料期間開展，大修時間窗口緊張，按傳統響應時間測試方法開展定期試驗將嚴重影響大修進度。

圖2 傳統響應時間試驗接線示意圖Fig.2 Wirings of the traditional response time test

3.3 響應時間定期試驗方案

為更好地解決傳統響應時間測試方法中存在的上述問題，下面以MELTAC-N Plus R3 DCS 平臺為例詳細闡述響應時間定期試驗方案。

響應時間試驗接線示意圖如圖3 所示。

圖3 響應時間試驗接線示意圖Fig.3 Wirings of response time test

RPC 機柜與BUP 盤臺間存在備用電纜①，BUP 盤臺至SLC 機柜間存在備用電纜②。

BUP 房間放置一臺脈沖信號發生器，RPC 機柜房間放置一臺信號仿真器和示波器X，SLC 機柜房間放置一臺示波器Y。試驗時，將RPC 機柜的AI 卡輸入端子和SLC 機柜的PIF 卡輸出端子分別連接到試驗端子上。

(1)信號發生器產生的脈沖信號通過試驗電纜d，備用電纜①、②和試驗電纜c、e 分別送到示波器X 和示波器Y，并通過試驗電纜c 觸發信號仿真器發出仿真信號。

(2)仿真信號通過試驗電纜a 送到AI 卡件。

(3)仿真信號通過隔離分配經試驗電纜b 送到示波器X，作為計時開啟時間。

(4)仿真信號經過RPC、ESFAC、SLC 邏輯處理后，由PIF 卡件輸出經試驗電纜e 送示波器Y，作為計時結束時間。

響應時間計算如圖4 所示。

圖4 響應時間計算方法示意圖Fig.4 Calculation method of the response time

通過靈活的試驗信號注入及試驗結果記錄方式，優化利用RPC 機柜與BUP 盤臺之間、BUP 盤臺至SLC機柜之間存在的備用電纜，可以很好地解決傳統方案中存在試驗電纜敷設難及時間窗口緊張的問題。通過信號發生器和兩臺示波器，將仿真信號送到AI 卡件的時間作為響應時間計時的啟動時間，使計算得出的響應時間精度更高。

3.4 響應時間定期試驗改進方案研究

上述兩種定期試驗方案中，試驗信號直接與數字化保護系統連接。為保證機組正常運行，確保試驗信號不影響電站的可用性，試驗信號接入的輸入、輸出卡件必須保證絕對隔離，以防止試驗信號造成現場設備誤動。為從根本上解決試驗信號可能造成現場設備誤動的問題，可以通過在RPC、ESFAC、SLC 機柜中額外增加試驗專用卡件、驗證邏輯的方法，使試驗邏輯獨立于保護功能邏輯。該方案可更大程度地縮短試驗時間，并降低上述兩種方案中試驗信號接入時人因失誤的風險。但該響應時間方案對CUP 負荷和機柜配置有較大影響，可作為后續數字化儀控平臺開發的研究對象。

4 結束語

本文根據標準法規要求，結合MELTAC - N Plus R3 DCS 平臺特征，針對工程應用情況論述響應時間定期試驗的設計原則，以及MELTAC-N Plus R3 DCS 平臺及電站運行條件，提出響應時間的定期試驗方案，供在役電站及后續新型數字化儀控平臺開發參考。

［1］ GB/T 5204 -2008 核電廠安全系統定期試驗與監測［S］.2008.

［2］ IEC 60671 -2007 Nuclear power plants-Instrumentation and control systems important to safety-surveillance testing［S］.2007.