福清核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)T2試驗方案的優(yōu)化

尤　兵，宮成軍，李遜存

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

福清核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)T2試驗方案的優(yōu)化

尤兵，宮成軍，李遜存

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

福清核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)T2試驗在前期設(shè)計中存在著自動化程度低、試驗操作復(fù)雜、人因風(fēng)險高等諸多問題，在對T2試驗設(shè)計方案分析后，作者提出了T2試驗優(yōu)化方案。經(jīng)設(shè)計院、廠家、業(yè)主等各方進(jìn)行多輪溝通和評估，借鑒文章提出的優(yōu)化方案確定了T2試驗的最終方案。

反應(yīng)堆保護系統(tǒng)；定期試驗；T2試驗；方案優(yōu)化

福清核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)（簡稱RPS）采用了安全級數(shù)字化儀控平臺——Tricon V10，該平臺由美國Invensys Operations Management（IOM）公司開發(fā)。作為RPS的一部分，保護系統(tǒng)定期試驗也由其設(shè)計和開發(fā)。根據(jù)核電相關(guān)法規(guī)和導(dǎo)則要求，為保證RPS的可靠性，需要對其進(jìn)行定期試驗。反應(yīng)堆保護邏輯功能試驗（稱為T2試驗）是整個RPS定期試驗的一部分，T2試驗周期主要取決于可靠性分析。當(dāng)前，在反應(yīng)堆保護系統(tǒng)采用數(shù)字化平臺替代模擬式技術(shù)后，由于數(shù)字化平臺對關(guān)鍵器件具有較好的自診斷能力，因此T2試驗周期不再需要2個月實施一次，可以在機組停堆換料大修期間執(zhí)行T2試驗。因受限于大修期間的時間窗口和人力，T2試驗的實施必須具有快速、便捷、高效等特點。

1　福清核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)介紹

1.1反應(yīng)堆保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點

反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的主要功能是在異常工況或事故工況下，通過停堆和（或）啟動專設(shè)安全設(shè)施，以防止或減輕堆芯和冷卻劑系統(tǒng)部件的損壞，保護三大核安全屏障的完整性，避免引起放射性物質(zhì)大量逸出，保護人員的安全以及核電廠周圍環(huán)境不受污染。

福清核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)由兩個功能子系統(tǒng)構(gòu)成：反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)（RTS）和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動系統(tǒng)（ESFAS）。其中，RTS由4個獨立的保護通道（IP、IIP、IIIP、IVP）組成，ESFAS由A、B兩個保護列構(gòu)成，每個通道和列包含兩個子系統(tǒng)Sub1和Sub2，以實現(xiàn)功能多樣性。通道與通道之間、通道與列之間的數(shù)據(jù)交換采用遠(yuǎn)程擴展I/O及數(shù)字量輸出（DO）模件與數(shù)字量輸入（DI）模件之間硬接線連接方式。此外，兩個保護列中還分別設(shè)置了一個數(shù)據(jù)服務(wù)器子系統(tǒng)，用于實現(xiàn)安全級顯示模塊（Safety Video Display Unit，SVDU）與保護通道和列之間的數(shù)據(jù)交換。

反應(yīng)堆保護系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)與全廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)通訊，該通訊為單向傳輸，以實現(xiàn)不同安全級間的隔離。

1.2反應(yīng)堆保護系統(tǒng)定期試驗

為了探測故障和檢查保護系統(tǒng)可運行性，需要對保護系統(tǒng)進(jìn)行定期試驗。《核電廠安全系統(tǒng)定期試驗與監(jiān)測》（GB 5204-1994）指出，“最好采用從探測器到被驅(qū)動設(shè)備同時驗證的方法，在不能實現(xiàn)上述方法處，可以采用分段交疊試驗的方法”。依據(jù)該原則，反應(yīng)堆保護系統(tǒng)定期試驗一般分3段交疊進(jìn)行，分別稱為T1試驗、T2試驗和T3試驗，如圖1所示。

圖1　保護系統(tǒng)定期試驗圖Fig.1　The periodic test for the reactor protection system

T1試驗即儀表通道試驗，試驗范圍從傳感器到模擬輸入卡件以及信號傳輸過程中的相關(guān)設(shè)備；T2試驗即保護邏輯功能試驗，試驗范圍是數(shù)字化平臺計算機處理部分，主要是反應(yīng)堆緊急停堆系統(tǒng)和專設(shè)安全系統(tǒng)的保護邏輯；T3試驗即輸出連接試驗，主要驗證保護邏輯的輸出信號通道和相關(guān)設(shè)備的連接。

福清核電站RPS定期試驗即采用3段交疊方式，由于RPS結(jié)構(gòu)特殊，即RPS內(nèi)部各控制處理器間的數(shù)據(jù)交換采用硬接線方式，整個RPS結(jié)構(gòu)中包含了大量的內(nèi)部硬接線連接，因此，T2試驗也包含了對這些硬接線連接的檢查。

2　福清核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)T2試驗方案

2.1T2試驗方案介紹

T2試驗?zāi)康氖球炞CTricon控制器內(nèi)反應(yīng)堆保護邏輯的正確性，試驗范圍包括反應(yīng)堆停堆邏輯、安全專設(shè)驅(qū)動邏輯以及Tricon控制器間用于數(shù)據(jù)交換的硬接線連接。

T2試驗按子通道或子列實施，分別驗證其中的保護邏輯，試驗方案如下：

1）切除保護功能，連接非安全級試驗工作站——Tristation，使用本子通道或子列本地連接的Tristation工作站向控制器內(nèi)強制置入（模擬或數(shù)字）信號，從其他通道或列置入相應(yīng)信號，使得表決邏輯觸發(fā)表決輸出，從待試驗的子通道或子列所連接的工作站上監(jiān)視相關(guān)變量值，確認(rèn)本子通道或子列邏輯功能的正確性。

2）對于通過硬接線送入到其他通道或列中的信號，使用相應(yīng)通道或列中本地連接的Tristation工作站，監(jiān)視輸入到該控制器內(nèi)的信號，檢查并確認(rèn)硬接線連接是否正常。

2.2T2試驗方案分析

在對廠家提出的T2試驗方案及試驗用例進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該試驗方案不符合現(xiàn)場實際需求，不具有可行性，主要有以下兩方面原因：

1）本試驗方案基于Tristation工作站，Tristation工作站功能單一，操作不便。試驗用例中提到的變量強制和試驗結(jié)果檢查需試驗人員手動一步一步地執(zhí)行，并逐一進(jìn)行確認(rèn)，而試驗用例量非常大，完成一次T2試驗需要大量人力和時間。實施T2試驗時，需要RPS完全退出運行，并與電廠其他工藝系統(tǒng)隔離。根據(jù)其他核電廠的換料大修經(jīng)驗，大修期間反應(yīng)堆保護系統(tǒng)T2試驗實施窗口時間一般只有一周左右，按照目前的試驗方案，則無法在試驗窗口內(nèi)完成T2試驗。

2）Tristation工作站一次僅能與一臺Tricon控制器連接，因此，至少需要同時配置6臺Tristation工作站才能執(zhí)行保護邏輯驗證和硬接線連接檢查。實施表決邏輯等功能試驗時信號注入和試驗結(jié)果確認(rèn)需要分別在各個工作站上執(zhí)行，因此，一個試驗用例需要多人協(xié)同才能完成，試驗效率低。

3　T2試驗方案優(yōu)化

由于目前DCS廠家給出的T2試驗方案不具有可行性，為確保T2試驗后續(xù)設(shè)計貼合現(xiàn)場實際需求，需要對T2試驗方案進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化主要從試驗方法和試驗裝置兩方面考慮，優(yōu)化的目標(biāo)是T2試驗?zāi)軌蜃詣印⒈憬荨⒏咝У貓?zhí)行，以減少試驗耗時和人力。

為達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，至少需要實現(xiàn)兩點：

（1）試驗信號注入和試驗結(jié)果監(jiān)視應(yīng)集中在一臺試驗工作站上；

（2）試驗裝置應(yīng)能夠批量注入信號，能夠自動比較試驗結(jié)果。

3.1試驗方法優(yōu)化

按照T2試驗范圍，可將試驗內(nèi)容劃分為3部分：模擬量輸入信號閾值模塊和質(zhì)量位檢查、邏輯功能驗證、通道與通道及通道與列間硬接線連接檢查，每個部分獨立執(zhí)行并有重疊，可簡化試驗程序、提高試驗效率。

（1）模擬量輸入信號閾值模塊和質(zhì)量位檢查

將模擬量輸入信號的閾值模塊和質(zhì)量位檢查與T1試驗一并執(zhí)行，從機柜內(nèi)模擬量信號輸入端子排處注入標(biāo)準(zhǔn)信號，對模擬量信號輸入通道精度和電氣連續(xù)性、控制程序中的閾值模塊和質(zhì)量位進(jìn)行檢查。

（2）邏輯功能驗證

以子通道和子列為單位，分別對各個子通道和子列中的邏輯功能進(jìn)行測試。由于（1）中已經(jīng)檢查了模擬量輸入信號的閾值模塊和質(zhì)量位，因此，邏輯功能試驗時只需在軟件中對模擬量輸入信號點強制，使其產(chǎn)生“部分停堆”信號，然后檢查并確認(rèn)程序中相關(guān)變量值的變化，以驗證邏輯功能是否正確。

（3）硬接線連接檢查

保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的硬接線連接形式為數(shù)字量輸出到數(shù)字量輸入，即“DO-DI”。一個“DO-DI”連接中的DO和DI分屬不同通道或列，試驗以一組“DO-DI”連接為單位，在程序中對該組內(nèi)DO進(jìn)行強制，然后檢查組內(nèi)DI，以確認(rèn)該組“DO-DI”硬接線連接是否正常。

3.2試驗裝置優(yōu)化

為了達(dá)到試驗的自動化和高效執(zhí)行，必須實現(xiàn)試驗信號的自動注入和試驗結(jié)果的自動比較，實現(xiàn)試驗自動化的基礎(chǔ)在于需要將試驗信號的注入和試驗結(jié)果的采集集中在一臺工作站上。基于上述要求，試驗裝置應(yīng)具有以下特征：

1）能夠同時與多個Tricon控制器通信。

2）能夠?qū)ricon控制器內(nèi)程序變量讀/寫訪問。

通過對Tricon平臺特性分析后發(fā)現(xiàn)，Tricon平臺具有以下特點：

1）TSAA或Modbus等標(biāo)準(zhǔn)第三方通訊協(xié)議支持一臺工作站同時與多個Tricon控制器通信，能夠?qū)λ蓄愋腿肿兞窟M(jìn)行讀訪問，但僅能對Memory和輸出型全局變量寫訪問。

2）Tristation協(xié)議不支持一臺Tristation工作站同時與多個Tricon控制器通訊，但支持對輸入型、輸出型、寄存器（Memory）型全局變量讀/寫訪問。

基于上述分析，由于TSAA或Modbus協(xié)議對全局變量沒有寫訪問權(quán)限的局限性，試驗裝置如選用這兩種協(xié)議，需要解決試驗信號注入問題。

3.2.1試驗信號注入方式

以通道I子系統(tǒng)1（稱為IP Sub1）中“穩(wěn)壓器水位高3&P7”停堆邏輯為例，說明試驗信號的注入方式。

穩(wěn)壓器水位測量RCP011MN、008MN、007MN信號被采集后分別進(jìn)入IP、ⅡP、ⅢP的子系統(tǒng)1中，在各自控制器中的一回路冷卻劑系統(tǒng)（RCP）程序塊中進(jìn)行信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換及閾值比較等運算。RCP011MN在IP Sub1中與保護閾值比較后產(chǎn)生“部分停堆”信號，以Memory類型變量送入IP Sub1中“穩(wěn)壓器高3&P7”程序塊，而RCP008MN和RCP007MN在各自子系統(tǒng)1中與保護閾值比較后產(chǎn)生“部分停堆”信號，以“DO-DI”硬接線形式送往IP Sub1“穩(wěn)壓器高3&P7”程序塊，P7信號由IP Sub1產(chǎn)生，以Memory類型變量送入IP Sub1“穩(wěn)壓器高3&P7”程序塊。IP Sub1中“穩(wěn)壓器高3&P7”停堆邏輯，如圖2所示。

圖2　“穩(wěn)壓器水位高3&P7”停堆邏輯Fig.2　The reactor trip logic of “PZR water level high 3&P7”

根據(jù)參與“穩(wěn)壓器高3&P7”停堆邏輯的輸入變量類型，試驗信號注入有3種方案：

方案A：試驗裝置通過TSAA或Modbus協(xié)議強制程序塊中的Memory變量，而程序塊中來自其他通道子系統(tǒng)的數(shù)字量輸入變量可由試驗裝置強制其上游數(shù)字量輸出變量，該DO變量位于其他子系統(tǒng)的程序內(nèi)。需要特別注意的是，對于參與反應(yīng)堆保護邏輯的來自核功率測量系統(tǒng)（RPN）、汽輪機保護系統(tǒng)（GSE）、汽輪機旁路系統(tǒng)（GCT）等系統(tǒng)的DI信號，試驗裝置無法在程序塊中對其變量進(jìn)行強制，這部分信號需要通過硬件從外部注入試驗信號。

方案B：對現(xiàn)有程序塊進(jìn)行修改，所有來自RPN、GSE、GCT等系統(tǒng)的DI信號在程序塊中首先轉(zhuǎn)換為Memory變量，而后再執(zhí)行閾值比較等運算。這種情況下，試驗裝置對Memory變量進(jìn)行強制，以實現(xiàn)這些DI信號的注入。

方案C：開放TSAA或Modbus等標(biāo)準(zhǔn)第三方協(xié)議對輸入點的寫入功能，定期試驗程序通過通訊協(xié)議對程序塊中的模擬和開關(guān)量輸入變量進(jìn)行強制，以實現(xiàn)試驗信號的注入。

3.2.2試驗裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)試驗信號注入方式的不同，有兩種試驗裝置結(jié)構(gòu)：

1） 方案B和方案C的試驗裝置結(jié)構(gòu)基本一樣，主要由一臺試驗工作站和交換機以及若干光纖組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　第一種試驗裝置結(jié)構(gòu)Fig.3　The structure of the first test tool

2） 方案A的試驗裝置結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，除一臺試驗工作站和交換機外，需配置一個試驗機柜，試驗機柜內(nèi)裝配有控制處理器、通訊卡件、數(shù)字量輸出卡件等部件，試驗信號通過網(wǎng)絡(luò)和硬接線方式注入反應(yīng)堆保護系統(tǒng)中。試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.3優(yōu)化方案分析

3.2.1節(jié)中提出的3種試驗信號注入方式在實現(xiàn)上各有優(yōu)劣，其中，方案C最優(yōu)，其試驗裝置結(jié)構(gòu)簡單，但需要開放第三方通訊協(xié)議對輸入點的寫入權(quán)限，需要得到廠家產(chǎn)品開發(fā)部門的支持。方案A采用通訊和硬接線相結(jié)合的方式實現(xiàn)試驗信號的注入，其試驗裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要增加相關(guān)硬件，將增加工程成本。此外，方案A在試驗前后需要拆、接信號線，試驗實施較繁瑣。方案B與方案A類似，其試驗裝置結(jié)構(gòu)簡單，但需要修改現(xiàn)有控制組態(tài)程序，這將對整個反應(yīng)堆保護系統(tǒng)控制組態(tài)工作造成影響，需要評估因增加變量而對控制處理器周期的影響以及對項目進(jìn)度的影響。

4　結(jié)束語

在提出T2試驗優(yōu)化建議方案后，第一時間將該方案提交給了設(shè)計方和廠家進(jìn)行評估，通過各方反復(fù)討論，確定了福清核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)T2試驗最終方案。T2試驗最終方案為本文提出的第一種試驗裝置結(jié)構(gòu)，通過與廠家開發(fā)部門的溝通，修改了試驗信號注入方式，采用廠家開發(fā)部門開放的Tricon編程協(xié)議（Tristation）注入信號，并采用目前得到大量應(yīng)用的虛擬機技術(shù)解決一個物理工作站與多個Tricon控制器通訊的問題，其實質(zhì)上還是類似于本文提出的方案C。目前T2定期試驗已完成初步開發(fā)，并在電廠得到了初步應(yīng)用，下一步，將繼續(xù)協(xié)助廠家對T2定期試驗方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖4　第二種試驗裝置結(jié)構(gòu)Fig.4　The structure of the second test tool

［1］ Tricon系統(tǒng)手冊. 福建福清核電有限公司.（Tricon User Manual， Fuqing Nuclear Power Co.， Ltd. ）

［2］ 反應(yīng)堆保護系統(tǒng)設(shè)計概述. 福建福清核電有限公司.（The Design of Reactor Protection System. Fuqing Nuclear Power Co.， Ltd. ）

［3］ 楊汝貞，王五妹. 福清核電廠數(shù)字化保護系統(tǒng)定期試驗方案及可行性分析［J］. 自動化博覽，2012，08：54-57.（YANG Ru-zhen， WANG Wu-mei. The Scheme and Feasibility Analysis for the Periodic Test for the Digital Reactor Protection System of Fuqing NPP［J］. Automation Panorama， 2012，08：54-57. ）

The Optimization of T2 Periodic Test for the Reactor Protection System of Fuqing NPP

YOU Bing， GONG Cheng-jun， LI Xun-cun
（Fujian Fuqing Nuclear Power Co.， Ltd.， Fuqing， Fujian Prov. 350318， China）

In the initial design phase， the T2 periodic test for the reactor protection system has a low automation level， and needs high-risk and complex operation. By analysing the design，an optimized solution is given in this paper. The design institute， supplier，and enduser estimate the solution， and based on this solution， the supplier make a final design for the T2 periodic test for the reactor protection system.

reactor protection system； periodic test； T2 test； optimization

TL36 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0261-06

TL36

A

1674-1617（2016）03-0261-06

2016-04-18

尤 兵（1983—），男，福建福清人，碩士，工程師，從事核電廠儀控維修工作。