核電站數字化儀控系統改造分析

夏 朋

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳518026）

0 前言

核電站由于核安全保守政策的考慮和對數字化技術的疑慮，全數字化儀控技術一直未得到全面應用。隨著江蘇田灣核電站數字化儀控系統成功投入使用，全數字化儀控技術才開始受到真正關注[1]，在此后的新建擴建項目中，包括臺山核電站、三門核電站等均使用數字化儀控系統。

1 數字化儀控系統的主要特點

基于對國外成熟的數字化儀控系統的研究，可以總結出這些特點，通過了解其性能和特點，有助于在核電站數字化儀控系統選擇方案中對目前眾多的數字化控制系統更好地進行比較和選擇[2]。

1.1 多樣性

所謂多樣性就是用兩種或兩種以上的完全不同的方法實現同樣的一個功能，包括功能多樣性、硬件多樣性和軟件多樣性。多樣性只對安全級系統有要求，而對非安全級沒有要求。對于傳感器的多樣性，只對模擬量有要求，對數字量沒有要求。保護系統之間是孤立系統，互相沒有任何硬件設備的連接。保護系統內部實現同樣的停堆和專設安全設施驅動的功能，但使用了不同的傳感器，采用不同的保護參數，采用兩套獨立的機柜，兩個機柜內安裝不同的組態軟件，采用不同的時序和計算方法，從而實現了保護系統內部的多樣性。

1.2 冗余性

所謂冗余性，是指并行的重復配置設備，包括軟件或硬件，以保證設備出現故障時，能繼續保持系統運行，冗余性配置的主要目的是解決單一故障，提高系統的可利用率。所謂單一故障，另外，冗余性配置使得不停運系統時，可進行在線的維修和試驗工作，冗余性主要體現在以下幾個方面：

（1）操作員站和工程師站的冗余。一套儀控系統配置有多臺操作員站，工程師站除自有的特殊功能外，兼具操作員站的所有功能。

（2）網絡的冗余。當一個網絡故障，另外一個網絡自動投入使用。

（3）服務器的冗余。防止服務器損毀，數據丟失。

1.3 獨立性

保證獨立性要求的方式是隔離，隔離可阻止故障的傳播，包括實體隔離、功能隔離、電氣隔離等。實體隔離使用障礙物或距離，防止設備的故障從一個區域傳播到另一個區域。使用功能隔離，降低出現復雜瞬態的概率。使用電氣隔離，防止故障通過供電線路或信號線路傳播，光電耦合設備是常用的電氣隔離的方式。

2 EPR與AP1000數字儀控系統對比

EPR是引進法國的一種四環路1750MW級三代壓水堆核電站，AP1000是引進美國的一種兩環路1000MW級三代壓水堆核電站，兩者作為國內主流的核電機組，其數字儀控系統的對比對未來國內核電的發展具有深遠意義。

2.1 儀控系統功能層次對比

2.1.1 EPR儀控系統功能層次分為4層，包括：

（1）現場接口層，包括傳感器、變送器、開關和執行器等。

（2）系統自動化層，包括數據獲取、過程自動化、監視和執行的功能。

（3）機組監督控制層，包括與人機界面和過程控制接口相關的數據處理功能。

（4）廠級管理層，用于實現更高級的信息管理功能。

2.1.2 AP1000儀控系統功能層次同樣分為4層：

（1）過程接口層：儀控系統的最底層，直接與現場的傳感器以及執行機構相連。

（2）控制與數據處理層：主要有兩個功能，一是接受過程接口層的數據，進行處理后上傳至主控室，二是接受主控室操縱員的命令或自動控制系統的命令經過程接口層下達到核電廠的各種執行機構。

（3）數據通訊層：執行儀控系統中各子系統之間的數據通訊。

（4）操縱員控制與監督層：包括核電廠主控室、應急控制室、技術支持中心等重要控制與監督中心。

AP1000把數據通訊功能單獨劃分為1層，用于實現數據傳輸網絡，而EPR采用的是TXS+TXP平臺，采用三層數據傳輸網絡。

2.2 安全分級對比

EPR依照“歐洲用戶對輕水堆核電廠的要求文件（EUR）”的規定進行安全分級。電廠的安全功能按其重要性被分為F1A、F1B、F2、NC級，如下：

（1）F1A：在發生事故的情況下，使核電廠達到“受控狀態”所需要的所有安全系統。

（2）F1B：在實現“受控狀態”以外，達到“安全停堆狀態”所需要的安全功能以及事故之后為維持安全停堆所需要的安全系統。

（3）F2：達到并維持“最終狀態”所需的安全系統。

（4）NC：為非安全功能。

AP1000分為安全級與非安全級：

（1）安全級：執行安全功能以及事故工況后參與公眾保護功能的儀表和控制系統。

（2）非安全級：安全級之外的其他數字儀控系統。

AP1000所采用的分級方法對儀控系統的設計而言比較簡單，每個系統只對應了一種安全分級；而EPR由于分級較多，導致了儀控結構中的一些系統可能包含了幾種安全級別功能。在EPR中的一些劃分為安全級的功能，在AP1000中被降級成了非安全級功能，由此降低了系統的整體造價。

3 核電站儀控系統數字化改造

大亞灣、嶺澳、秦山等在役核電站的主要儀控系統采用的是常規儀表系統,其特點是模擬量系統采用以小規模集成電路運算放大器為基礎的元件來控制,邏輯量儀表采用繼電器等硬邏輯電路來控制。此類系統所需的元器件數量大,運行操作管理和維護工作任務繁重;控制系統的性能落后,隨著儀控設備的老化和淘汰、備件減少和故障率的升高,安全性和經濟性明顯降低,因此,核電站儀控系統進行數字化改造是十分必要的[3]。

3.1 改造工作的主要內容

核安全是核電廠的首要目標，在核電廠設計、建造、安裝、調試、運行維護和改造整個生命周期內，對核電廠系統、設備有著更高、更嚴格的核安全限制和要求。為了保證核安全以及改造順利進行，核電廠儀控數字化改造至少應開展以下幾個方面的研究工作：

（1）改造的可行性分析和研究，包含行業改造經驗研究、改造必要性分析、技術可行性分析、風險分析、預期效益分析。

（2）收集和分析用戶需求。

（3）核電廠系統功能研究。

（4）數字化儀控方案研究。

（5）設備選型和采購策略研究。

（6）改造工作的質量保證體系研究。

（7）改造工作的進度計劃研究。

3.2 改造工作的組織管理

核電廠儀控數字化改造工作涉及多部門協作，相互之間的接口關系錯綜復雜，因此工作界限清晰、責任分工明確是改造工作首先必須面對和解決的問題，這將直接決定改造工作能否順利進行。對核電廠儀控數字化改造工作的組織管理，可以考慮將整個改造工作根據工作主體和工作內容進行階段劃分，確定不同階段的主體責任方，其他參與部門服務于主體責任方。

4 結語

隨著三代核電技術成為國內核電發展的主流以及核電廠數字化程度的加深，數字化儀控系統取代基于模擬技術儀控系統已成為必然選擇。本文描述了數字化儀控系統的主要特點，對比了EPR與AP1000數字化儀控系統，介紹了當前二代核電機組進行數字化儀控改造的內容和組織管理，給核電廠儀控從業人員提供了參考。

［1］王家勝，洪振旻，胡平.核電廠數字化儀控系統改造中的幾種控制系統綜合應用分析[J].核科學與工程，2005，25（3）.

［2］李臻.AP1000和EPR儀控系統簡介與對比[J].電力科學與工程，2009，25：41-44.

［3］李卓佳，張堅.EPR核電儀控總體結構適應新擴展規范的技術改進研究[J].核科學與工程，2011，31（111-117）.