核電廠DCS配電系統的設計與應用

李俊卿，譚　文

（華北電力大學，北京　102206）

核電廠DCS配電系統的設計與應用

李俊卿，譚文

（華北電力大學，北京102206）

核電廠DCS系統是核電廠重要的系統，其可靠性對核電廠機組的安全性和經濟性非常關鍵，DCS系統的配電系統作為DCS系統的能源供應系統，其重要性不言自明。文章以中國壓水堆二代改進型機組DCS配電系統為實例，對核電廠DCS配電系統進行研究，通過實驗的方法和仿真分析的方法來驗證設計方案，從而使DCS配電系統滿足DCS系統的設計原則、設計要求。文章詳細描述了核電廠DCS配電系統從設計原則出發，詳細分析需求，結合工程實際進行設計、驗證、應用等過程。

核電廠；DCS；配電系統

核電廠數字化儀控系統（DCS）主要完成核電廠的數據采集、數據處理、設備控制和調節、故障診斷、系統通訊及信息管理，在核電廠設計工況、超設計基準事故工況或設計基準事故疊加時仍能正常運行，因此核電廠對于DCS系統要求非常高。DCS配電系統作為DCS系統的電源供應系統，配電系統的可靠性和穩定性直接關系到DCS系統的可靠性，直接關系到核電廠的運行安全性和經濟性。

1　核電廠DCS配電系統設計

1.1配電系統設計要求

核電廠DCS配電系統的基本要求是能夠為核電廠DCS提供穩定的、滿足DCS系統電源質量要求的電源。這就要求DCS配電系統要具備較強的抗外部干擾能力，以盡量減小配電系統自身的內部干擾，以及可靠的電源輸送能力。由于核電廠對于安全性的特殊要求，核電廠DCS配電系統除了對于電源系統的以上基本要求外，還在滿足核電廠在事故工況下的嚴苛工況的要求，如核電廠廠房通風系統喪失后能夠正常工作48 h，在DCS電源單路電源喪失時還能允許部分電源失電。

1.2配電系統需求分析

對于核電廠DCS配電系統進行設計，首先要了解核電廠為DCS提供什么樣的電源？DCS配電系統都需要為哪些設備進行供電？這些設備需要什么樣的電源？

核電廠為DCS系統提供冗余的220 VAC不間斷電源，核電廠按不同序列提供了不同的電源母線，DCS配電系統的任務就是將核電廠提供的220 VAC電源轉換分配給DCS系統的設備。

表1　DCS系統設備供電分析表Table 1　DCS system equipment power supply analysis table

核電廠DCS系統按控制層級分為LEVEL1（控制層）層和LEVEL2（監視層）層，LEVEL1層主要是由LEVEL1層的網絡系統、現場控制站、第三方通訊站等設備構成；LEVEL2層主要是由LEVEL2層的網絡系統、操作員站、服務器等設備構成。DCS配電系統就是要為這些設備進行供電。

核電廠DCS系統從設備構成來看主要是由工業控制計算機、服務器、交換機以及控制器、IO模件等構成。這些設備工作需要的電源種類主要是220 VAC、48 VDC、24 VDC三種，因此DCS配電系統就是要將核電廠提供的220VAC電源轉換為220 VAC、48 VDC、24 VDC后提供給不同設備。

通過對DCS系統的各種設備分析總結如下（見表1）：DCS系統需要的電源分為交流電源、直流電源。對于采用交流供電的設備又分為支持交流雙路（冗余）供電的設備和交流單路供電的設備，對于采用直流供電的設備分為驅動電源和系統電源；根據設備在DCS系統中的運行要求可以將設備分為實時運行設備和非實時運行設備；根據設備在DCS系統中的重要性可以將設備分為重要設備和一般設備。

1.3配電系統方案設計

通過對DCS系統設備的需求分析，DCS配電系統分為交流配電部分和直流配電部分。由于核電廠為DCS系統提供了冗余的交流電源，因此交流配電部分只需將交流電源進行分配，本文僅做簡單闡述。對于DCS系統的直流供電需要將核電廠為DCS系統提供的交流電源轉換為直流電源后分配給DCS系統的各設備，本文將重點描述直流配電部分。

根據DCS系統對于電源的要求不同，設計方案如下：對于220 VAC雙路供電的設備采用直接將核電廠提供的兩路220 VAC電源直接分配；對于220 VAC單路供電的設備采用將核電廠提供的220 VAC電源進行切換的方案，但對于重要設備為了避免電源切換過程造成下游設備失電，設計增加了UPS電源來保證切換順利完成。

對于直流配電系統根據電源集中與分散兩種形式，一般可以分為分散式配電和集中式配電兩種方案。分散式配電方案配電柜僅實現交流電源分配功能，交直流轉換功能在設備側進行；集中式配電方案配電柜即完成交直流轉換功能，又完成直流電源的分配功能。

分散式配電方案和集中式配電方案在工程項目中都有應用，這兩種配電方案各有優缺點。分散式配電方案優點在于配電柜設計簡單，直接將220 VAC電源進行分配即可，且其分配電壓等級較高，對于電源輸送熱損耗相對較小；分散式配電方案缺點在于在用戶側進行交直流轉換后的電源不能提供足夠的短路電路，難以保證電氣保護功能的實現，增大了控制系統由于外部短路造成的風險，另外不同用戶對于電源負荷要求不一致，難以實現標準化設計或者實現標準化設計需要付出較高的成本。集中式配電方案可以解決分散供電的大多數缺點，比如在配電柜中進行電源轉換可以為用戶提供較足夠的短路電流，以保證控制系統的回路保護功能的實現；由于采用集中供電可以采取標準化的設計，且最大程度的提高電源的使用效率。集中式配電方案在解決分散式配電方案的缺點的同時也帶來一些缺點，比如集中布置電源模塊可能帶來的配電柜散熱問題。

由于分散式配電方案對于控制系統回路保護的功能的弱項，大多數控制系統提供商已經不再采用分散式供電方案，因此在配電方案的選擇上選擇集中式配電方案，但采用集中式供電方案要解決其散熱問題。

2　核電廠DCS配電系統實現

2.1設備選型

根據中國二代改進型壓水堆核電廠DCS系統總體需求，將DCS配電系統分為直流配電系統和交流配電系統。交流配電系統以上節設計方案中的交流配電方案進行設計，本文不再描述。直流配電系統以某一序列最大房間為基礎進行實際設計，其實際情況如下：控制站數量為16臺，每臺控制站需要24 VDC系統電源12 A、24 VDC驅動電源2 A、48 VDC驅動電源1.5 A，這些電源均需要冗余配置。

（1）電源設備選型

基于DCS配電系統某一序列最大房間對于直流配電柜的需求，直流配電柜最大的24 VDC電源容量為192 A，最大的48 VDC電源容量為16 A。據此在電源選型時盡量選擇容量較大的電源以減少電源并聯可能產生的負荷不均衡的問題。

在直流電源選型時重點考慮電源的以下特性：電源的轉換效率、電源的控制偏差、電源的上浮時間、電源是否支持并聯、電源的工作溫度、電源的抗震特性、電源的過載能力等因素。綜合評定選擇了某兩個品牌的開關電源，目前可采購的單體24 VDC電源最大容量為40 A，48 VDC電源最大容量為20 A。

因此對于24 VDC系統電源需至少5塊進行并聯以提供大于192 A的總電流容量，這就出現如何保證24 VDC電源模塊出力相同或相近，以保證不出現單個電源過載而導致電源系統故障。因此需要設計均流電路或采取其他手段來保證電源系統的可靠性。

（2）電源均流實驗

對于多塊電源并聯，如果各電源模塊輸出電壓存在偏差時必然會導致各電源模塊所帶負荷的偏差。為了讓各電源模塊在同時工作時所帶負荷相同，保證各電源模塊的輸出電壓相同，但現有電源模塊沒有在線自動調整電壓功能，因此如果要解決電源模塊輸出電壓的一致的問題必須設計相應的電路，來維持電源輸出一致性。對于常用的一種電路是采用串聯電阻的方法。

串聯電阻法的原理：在電源輸出回路中增加一個熱敏電阻，當電阻通過電流較大時其溫度升高，電阻增大，回路分壓增大，從而降低該回路的輸出電流，從而使電源的負荷處于動態均衡的狀態。

通過計算得出以下結論：電源中的1塊電源電壓發生變化（假設電源電壓升高），則該電源的輸出電流會增大，電阻發熱增加，導致電阻的電阻率升高，從而導致電阻增大，電阻增大導致該回路電流降低，該過程為動態平衡過程。

依據結論搭建測試環境進行驗證，對于電阻要選擇其在環境溫度下阻值特性敏感，通流量大又不能阻值過大，通過查找相關資料，我們選擇了電解銅導線。搭建好實驗電路后，進行了一周的測試，但發現均流效果并不明顯。經分析，由于工程設計過程中無法提供足夠的環境避免電解銅導線的熱耦合，因此電解銅導線溫度是同時變化，因此不能達到預期效果。

串聯電阻法均流法對于實現電源均流效果不明顯，因此需要設計其他的方法。根據廠家提供該產品在其他用戶的使用報告來看，該電源的長期穩定性很好，電壓漂移很小，且電源本身在電源并聯時偏差小于50 mV時電源可以自身做到負荷均衡。因此我們為此電源柜增加了1塊電源以提高電源的冗余度（即允許單塊電源故障），同時增加了電流監視功能，當電源超負荷或電源間負荷偏差較大時系統報警，從而使直流配電問題得到了解決。

2.2配電柜設計

（1）配電柜設計

盡管在電源選型時考慮盡量選用低功耗的電源，但一個配電柜還是需要配置10塊電源，10塊電源發熱量也是相當大的，核電廠要求設備在40 ℃時能夠工作24 h，電源最高工作溫度為70 ℃，但60 ℃時開始降荷，因此配電柜的溫升必須控制在10 ℃以內。

根據電源選型以及電路設計，在電源柜頂部、中部、中下部分別設計了風扇組，以提高空氣在機柜中流過的速度，從而降低直流配電柜的溫升。

（2）配電柜熱分析

根據配電柜的結構設計進行仿真建模，分別模擬三組風扇不同運行狀態電的空氣流動圖，可以看到三組風扇確實提高了機柜中空氣的流動速度達到的預期設計目的。

在模擬風道仿真同時我們又建立了熱仿真模型，直流配電柜運行進行熱仿真，通過熱仿真得到熱點分圖，可知該直流配電柜在40 ℃環境下，電源附近溫升最大溫升為5 ℃，完全滿足設計要求。

2.3配電柜應用

該直流配電柜成功應用在某核電廠DCS系統中，應用時間已經近兩年時間，兩年期間運行非常穩定。在DCS系統中對電源運行狀態進行了監視其150天內的電流曲線，可知電源運行穩定。某核電廠在電廠大修期間電氣廠房通風系統關閉狀態下對直流電源柜進行了熱成像測試電源柜溫升小于440 ℃，完全符合設計要求。

3　總結

任何設計都要根據工程的實際出發，根據實際工程環境以及工程的可實現性來進行設計。在本文描述提到的直流電源系統“串聯電阻法”均流方案是業內成熟的技術方案，但鑒于核電廠配電柜結構的限制，該方案在工程上較難實現，因此說工程設計方案不應該是一成不變的，也不是好的技術方案都是通用的，工程設計一定要有創新求是的精神，找到適合的技術方案。

Design and application of Power Supply System for Nuclear Power Plant DCS

LI Jun-qing，TAN Wen
（North China Electric Power University，Beijing102206，China）

Nuclear power plant DCS system is an important system for the nuclear power plant. The reliability of DCS is critical for nuclear power plant safety and economy， Power distribution system is the vital energy supply system DCS. Power distribution system is very important. This file will take CPR1000 Nuclear power plant as an example to the discussion of nuclear power plant DCS distribution system. Designed by experiment and simulation methods， the design meets the expected requirement of nuclear power plant. In this file， a detailed description of the DCS power distribution system in nuclear power plant from the point of view of the design principles， combined with analysis of demand， design， verification and the application process of the actual project.

nuclear power plant；DCS；power supply system

TL32Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0121-04

TL32

A

1674-1617（2015）02-0121-04

2015-01-02

李俊卿（1982—），男，河北保定人，工程師，學士，從事核電數字化儀控設計和工程實施工作。