自主知識產權的核電站數字化儀控系統平臺研制

江國進　劉春明　白　濤　孫永濱

(北京廣利核系統工程有限公司,北京　100094)

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自主知識產權的核電站數字化儀控系統平臺研制

江國進劉春明白濤孫永濱

(北京廣利核系統工程有限公司,北京100094)

全數字化儀控系統是先進核電站的重要組成部分，對保護核電站安全運行具有至關重要的作用。通過對安全級數字化儀控系統平臺、專用儀控系統、管理工具軟件、設備鑒定、V&V技術、多樣性及縱深防御技術的研究，掌握了核電站數字化儀控系統技術，實現了核級DCS平臺“和睦系統”的產品化及其工程應用。目前，該平臺已通過專家鑒定，并開始在陽江核電站5#、6#機組進行工程實施，進一步提高了我國核電站的自主化率。

核電站數字化儀控系統自主知識產權國產化自主化安全級V&V

0　引言

儀控系統是整個核電站(nuclearpowerplant,NPP)的“中樞神經”系統，它對控制核電站安全運行、顯示當前運行狀態起著至關重要的作用，它是核電站運行的關鍵裝備之一。目前，全數字化儀控系統被少數幾家國外企業所壟斷。為擺脫對外技術依賴，實現大型先進壓水堆核電站數字化儀控系統的全面自主化和國產化，我國“十二五”國家科技重大專項——“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站專項”設置了“自主知識產權的核電站數字化儀控系統平臺研制”課題，由北京廣利核系統工程有限公司牽頭完成核電站數字化儀控系統平臺的研制，按照二代改進型和三代先進壓水堆的具體應用要求，對平臺進行工程應用設計和系統集成。該課題的順利完成，使我國具備了自主研發、制造核電站全數字化儀控系統的能力，特別是實現了通用核安全級數字化平臺“和睦系統”的產品化及其工程應用。

1　核電站數字化儀控系統發展概況

核電站儀控系統的發展經歷了三個階段。第一階段是以CMOS、TTL組件搭建模擬電路，實現數據采集、處理、輸出、顯示等控制功能的控制系統，一般稱之為模擬控制系統。第二階段是在第一階段的基礎上，增加部分數字化控制(如PLC控制)，將模擬控制和數字控制混合運用的控制系統。為保證核電站的安全運行，在核島主要采用模擬系統，而常規島和輔助系統則采用了先進的可編程序控制器等基于計算機處理的控制系統。同時，第二階段針對全廠的狀態監視，配置了數據采集和監督控制系統(supervisorycontrolanddataacquisition，SCADA)。第三階段為全數字化儀表控制系統，如分布式控制系統(distributedcontrolsystem,DCS)，以CPU、FPGA為典型器件，構成核電站全新的成套數字化控制系統，完成了數據計算和邏輯控制，并實現了數字顯示。目前，該系統已全面應用于核島、常規島、輔助廠房部分。當前，核電站全數字化控制技術當前被少數幾家外國企業所壟斷。我國的田灣核電站1～4號機組、嶺澳二期核電站和EPR、AP1000等堆型均采用國外DCS系統。核電站數字化儀控系統實現了全廠各個部分的一體化控制，徹底打破了分島控制的局限性。該系統中，簡單而高效的主控制室設計最大限度地降低了人因故障的風險；數字系統具有強大的網絡通信能力，實現了全廠的協調控制與監視；更加完善的自診斷功能和冗余功能，使系統的可靠性大大提高；數字化控制系統的高度集成，減少了控制設備的數量和體積，極大地節省了核電站廠房空間。

2　核電站數字化儀控系統平臺研制

為了使我國在核電儀控領域全面掌握數字化控制技術，并實現大型先進壓水堆核電站數字化儀控系統的全面自主化，首先要完成數字化儀控系統平臺的研制，然后按照二代改進型和三代先進壓水堆的具體應用要求，對平臺進行工程應用設計和系統集成，完成目標系統。按國際和國內的經驗，研制分成三個階段。

(1)技術預研和原理樣機研制。

在國家863課題的支持下，廣利核公司已經于2010 年10 月完成核安全級數字化控制系統原理樣機的研發，實現了基本的反應堆保護功能，性能指標滿足設計要求，為自主知識產權的核電站數字化儀控系統平臺的研制奠定了技術基礎。

(2)數字化儀控系統平臺產品和工程樣機研發。

自主知識產權的核電站數字化儀控系統平臺研制處于此階段，主要工作集中在核安全級數字化儀控系統平臺的產品化和應用技術的研究。該階段研究工作實現了完整的反應堆保護和安全監測功能，并從原理、技術兩方面研究了其產品化、產業化延伸。

(3)目標系統工程項目實現。

本階段計劃將第二階段的成果應用于實際工程項目，即石島灣高溫氣冷堆、陽江核電站5#、6#機組。

自主知識產權的核電站數字化儀控系統平臺研制的研究內容是按照二代改進型和三代先進壓水堆的具體應用要求，對平臺進行工程應用設計和系統集成，完成目標系統。該階段包括以下三個方面的研究內容。

①國產核安全級系統的產品化及應用：完成具有自主知識產權的核安全級數字化儀控系統平臺的產品化和應用技術研究，并直接應用于二代改進型和三代先進壓水堆核電站。

②國產非安全級系統的數字化和一體化：完善國內已有的數字化儀控系統平臺，實現核電專用儀控系統與數字化儀控平臺的一體化和核電站汽輪機保護控制系統的國產化。

③研究核安全級系統的鑒定標準和實施方法：研究核安全級數字化儀控系統的軟件驗證與確認，以及設備鑒定的技術標準體系架構和實施方法。

為了更好地完成研制，由廣利核公司牽頭，中廣核工程設計有限公司、環境保護部核與輻射安全中心、北京和利時系統工程有限公司聯合參與，將研制內容分解為以下六個子課題。

①滿足二代改進型和三代先進壓水堆的核電站數字化儀控系統平臺需求研究。

②自主知識產權的核安全級數字化儀控系統平臺產品化和應用技術研究。

③非安全級數字化儀控系統平臺升級、專用儀控數字化集成技術研究和汽輪機保護控制系統研制。

④數字化儀控系統平臺設計管理工具軟件研制。

⑤核安全級數字化儀控系統設備鑒定、軟件驗證和確認技術體系架構和實施方法研究。

⑥核電站儀控系統多樣性及縱深防御技術研究和設備研制。

課題間的相互關系圖如圖1所示。

圖1　課題間的相互關系圖Fig.1　The interrelationships among projects

2.1數字化儀控平臺需求

子課題1“滿足二代改進型和三代先進壓水堆的核電站數字化儀控系統平臺需求研究”的主要研究內容包括以下六部分。

①通過對國內外相關法規、標準、規范、導則以及技術文檔的研究，完成適用于二代改進型和三代先進壓水堆數字化儀控系統平臺的標準研究報告[1]。

②掌握核電站系統安全分級的原則：通過對核島、常規島、BOP功能需求分析，并根據其執行的核電站不同的安全功能，掌握數字化控制和保護系統的安全分級方法，滿足單一故障、冗余性、多樣性、獨立性等原則，形成二代改進型和三代先進壓水堆數字化儀控系統安全分級研究報告。

③通過對核島、常規島、BOP功能的分析，對數字化控制和保護系統的功能結構進行劃分，完成數字化儀控系統功能設計和分配方案。

④完成數字化控制和保護系統的內部和外部接口設計規范的制定。

⑤完成核電站數字化控制和保護系統功能需求文件的編制，主要內容包括核電廠控制系統和反應堆保護系統的設計原則、功能和技術參數。

⑥完成控制室設計(包括主控室布局原則及布局方案)、人因工程分析報告、計算機化操作規程、人機界面設計(包括工藝流程圖、圖符單元、報警處理系統的需求分析及設計等)。

2.2平臺產品化及應用技術

子課題2“自主知識產權的核安全級數字化儀控系統平臺產品化和應用技術的研究”的主要研究內容包括以下五部分。

①通過對二代改進型和三代先進壓水堆的反應堆保護和安全監測系統需求的研究，完成核安全級數字化儀控系統平臺的總體設計。

②在已完成的自主化核安全級數字化控制系統原理樣機的基礎上，開展產品化設計和應用技術的研究[2]。

③開展核安全級數字化儀控系統平臺軟件驗證與確認。

④研制滿足二代改進型和三代先進壓水堆設計要求的核安全級數字化儀控系統平臺工程樣機。該工程樣機能實現反應堆緊急停堆、專設安全設施、事故后監視、支持系統、定期試驗等功能；采用實體樣機加信號模擬的方式，實現核安全級保護系統的全部功能。實體樣機至少覆蓋1～2 個冗余通道。

⑤開展核安全級數字化儀控系統平臺定期試驗技術的研究。

2.3專用儀控系統

子課題3“非安全級數字化儀控系統平臺升級、專用儀控數字化集成技術研究和汽輪機保護控制系統研制”的主要研究內容包括以下四部分。

①通過對三代先進壓水堆核電站核島、常規島、BOP工藝系統控制和監測功能的研究，開展平臺產品的適應性升級，以滿足三代先進壓水堆對非安全級儀控系統平臺的設計要求[3]。

②開展堆芯測量系統和棒控系統等專用儀控系統與數字化儀控平臺一體化集成技術的研究。

③開展百萬千瓦級以上級汽輪機保護系統(emergencytripsystem,ETS)和控制系統(digitalelectrichydrauliccontrolsystem,DEH)的研制。

④研制滿足二代改進型和三代先進壓水堆設計要求的非安全級數字化儀控系統平臺工程樣機。該工程樣機主要包括滿足系統測試的HMI畫面，滿足非安全級儀控系統運行的LEVEL1 層現場控制站及相關的服務設備、配電設備等。

2.4管理工具軟件

子課題4“數字化儀控系統平臺設計管理工具軟件研制”的主要研究內容包括以下六部分。

①分析數字化儀控系統設計管理工具體系[4]。

②研制數字化儀控系統配置管理工具軟件。

③研制數字化儀控系統需求管理工具軟件。

④研制數字化儀控系統安全管理工具軟件。

⑤研制數字化儀控系統產品可追溯性管理工具軟件。

⑥研制數字化儀控系統產品缺陷管理工具軟件。

2.5設備鑒定及V&V技術

子課題5“核安全級數字化儀控系統設備鑒定和軟件驗證和確認技術體系架構和實施方法研究”的主要研究內容包括以下五部分。

①主要通過借鑒IAEA導則、IEC標準、美國核管會(NRC)的安全審查大綱(SRP：NUREG-0800)及針對核電站數字化儀控系統的過渡性審查導則(ISG)，參考德國TüV對ArevaTXS系統審查和美國核管會(USNRC)對CommonQ審查的過程，并結合我國國情，編寫我國核安全級數字化儀控系統安全審查研究報告。

②開展核安全級數字化儀控系統集成測試和設備鑒定試驗技術的研究。

③開展核安全級數字化儀控系統軟件V&V技術的研究[5]。

④研制核安全級數字化儀控系統軟件V&V工具軟件。

⑤研制核安全級數字化儀控系統危險和風險管理工具軟件。

2.6多樣性及縱深防御技術

子課題6“核電站儀控系統多樣性及縱深防御技術研究和設備研制”的主要研究內容包括以下五部分。

①設計法規和標準的研究：確定多樣性儀控系統(DAS)設計擬采用的設計法規和標準。

②多樣性儀控系統(diverseactuationsystem,DAS)的需求分析：確定多樣性自動控制要求、多樣性手動控制要求、多樣性監視要求、響應時間要求以及精度要求[6]。

③搭建和試驗DAS多樣性系統工程仿真樣機。

④研制DAS設備研制，完成DAS設備設計報告。

⑤開展DAS測試，完成DAS設備測試報告。

3　關鍵技術識別

為全面掌握數字化儀控系統平臺自主設計、制造、鑒定等核心技術，根據研究內容的分解，分析出核心共性關鍵技術的難點，采用逐個分析、專項研制攻關的原則，完成數字化儀控平臺的研制工作。核心共性關鍵技術主要有以下六部分。

①提煉出二代、三代核電站儀控系統通用平臺需求，作為其他子課題的輸入。

②通過基于概率預測的可靠性定量分析技術、在線自診斷和定期試驗技術、圖形化的安全級控制保護算法描述語言和形式化驗證方法、確定性嵌入式軟件設計等關鍵技術，在國內首次實現了自主核級DCS平臺的產品化。

③實現了非安系統平臺升級，工程樣機研制(包括堆芯測量系統和棒控系統一體化集成)及百萬千瓦級核電站汽輪機保護控制系統的自主化技術[7]。

④實現了覆蓋安全重要數字化儀控系統的需求、設計、實現、測試、安裝和運行全生命周期過程的平臺設計管理工具軟件的自主化。

⑤形成了核級數字化系統設備鑒定、軟件驗證和確認的體系架構和實施方法[8]。

⑥采用單元化模塊設計及FPGA技術，完成了核電站儀控系統多樣性及縱深防御DAS設備研制。

4　平臺產品與應用

廣利核公司與三家聯合單位通過4年的艱苦研制，開發出3個平臺產品：核安全級數字化儀控系統平臺(FirmSys)、非安全級數字化儀控系統平臺(含汽輪機保護)[9]、核電站儀控系統多樣性及縱深防御系統平臺(基于FPGA技術的FitRel平臺)。

擁有自主知識產權的核電站數字化儀控系統平臺

可直接應用于二代改進型和三代先進壓水堆核電站，并已確定應用于石島灣高溫氣冷堆、陽江核電站5#、6#機組、紅沿河核電站5#、6#機組、防城港核電站3#、4#機組(華龍一號)，打破了國外壟斷，實現了國內自主化核安全級產品的首次應用。陽江5#、6#工程樣機在2014年8月通過專家鑒定，為陽江5#、6#工程項目供貨奠定了基礎。到2016年底，具有自主知識產權的核電站全站DCS將交付使用。

5　結束語

擁有自主知識產權的核電站數字化儀控系統平臺的成功研制，標志著我國全面掌握了核電站數字儀控技術，特別是實現了通用核級數字化儀控系統平臺“和睦系統”的產品化及其工程應用。核電站數字化儀控系統的自主化將大幅降低核電站的工程建設和運行維護成本。相比國外系統，僅單臺機組的DCS合同便可為國家節約數億元人民幣。

隨著我國自主核電項目的開工建設和工程出口，核電DCS裝備的自主化必將為國家核電項目的批量化建設和“走出去”貢獻一份力量！

[1] 吳彬，張原，趙勇.面向核電數字化儀控平臺研發的需求收集方法研究[J].自動化博覽，2013(3)：80-82.

[2] 馬光強，杜喬瑞，石桂連，等.先進核安全級儀控系統通信協議技術研究[J].儀表儀器用戶，2013(5)：28-30.

[3] 孟慶軍，劉元，馬吉強.核電站非安全級數字化儀控系統國產化及自主化工作實踐[J].自動化博覽，2013(4)：78-82.

[4] 王麗君，張春雷，冀建偉，等.核電項目技術變更管理系統的設計[J].自動化博覽，2013(1)：82-84.

[5] 申高軍，張磊，張冬偉，等.三維需求矩陣在核電安全級DCS軟件V&V中的研究與應用[J].儀器儀表用戶，2013(5)：31-35.

[6] 國家能源局.NB/T20300-2014 核電廠安全重要儀表和控制系統執行A類功能系統的HDL編程的集成電路開發[S].核工業標準化研究所，2014.

[7] 謝志勇，李寧，白濤，等.一種反應堆冷卻劑失水事故監督系統：ZL201120157137.X[P].2011.

[8] 國家能源局.NB/T20272-2014 核電廠軟件評審和審核[S].核工業標準化研究所，2014.

[9] 鄭偉智，朱毅明，李相建，等.一種多功能驅動模塊：ZL201110221777.7[P].2013.

ResearchontheNPPDigitizedI&CSystemOwnsIndependentIntellectualPropertyRights

Fullydigitizedinstrumentandcontrolsystemisanimportantpartofadvancednuclearpowerplant(NPP),anditisacriticalroletoprotectthesafeoperationofnuclearpowerplant.Throughstudyingvarioustechnologies,includingthesafetyleveldigitizedI&Cplatform,dedicatedI&Csystem,managementtoolssoftware,equipmentverification,V&V,diversityanddefenseindepth,etc.,thetechnologyofNPPdigitizedI&Csystemismastered,andtheproductizationandengineeringapplicationofnuclearleveldigitizedI&Cplatform“FirmSys”areachieved.Atpresent,thisplatformhasbeenevaluatedbyexperts,andappliedinNo.5#& 6#unitsofYangjiangnuclearpowerplant,whichfurtherenhancestheindependentrateofnuclearpowerplantinourcountry.

NuclearpowerplantDigitizationI&CsystemIndependentintellectualpropertyrightsLocalizationAutonomizationSecuritylevelV&V

江國進(1964—)，男，1983年畢業于福州大學電子計算機技術專業，獲學士學位，研究員級高級工程師；長期從事核電站自動化控制技術的研究。

TH-3;TP273

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610018

國家科技重大專項基金資助項目(編號：2011ZX06004-030)。

修改稿收到日期：2016-07-04。