RPS響應時間測試數據自動處理方法研究

★北京廣利核系統工程有限公司 張旭

RPS響應時間測試數據自動處理方法研究

★北京廣利核系統工程有限公司 張旭

反應堆保護系統（RPS）的響應速度，直接影響到反應堆的安全。為了能夠得到統計意義上的響應時間，需要進行數千次測試并形成大量測試數據。為了能夠準確、快速地完成大量測試數據的計算、分析，研發人員研究了測試數據的特征，確定了數據分析的算法，開發了相關數據分析軟件。該成果實現了響應時間測試數據的自動化分析，提高了測試數據分析的質量和效率。該分析方法已經在CPR1000、ACPR1000、HTR等多種堆型的反應堆保護系統測試中得到應用。

響應時間測試；數據處理；反應堆保護系統

1 引言

在CPR1000堆型核電機組中，核電站反應堆保護系統承擔反應堆狀態參數的采集以及保護功能。當系統監測到反應堆的參數超過閾值后，會通過表決邏輯輸出一系列反應堆保護動作（主要包括跳堆動作和安全專設動作）。

反應堆保護系統在執行反應堆保護功能的過程中，需要對反應堆工況進行監測、閾值超限判斷、邏輯運算，最后輸出保護動作指令，這個過程所需要的時間為反應堆保護系統的響應時間。響應時間是反應堆保護的一個非常重要的技術指標，在事故工況下，反應堆保護能否快速響應將直接關系到反應堆的運行安全。對于數字化的反應堆保護系統來說，響應時間具有一定的隨機性。因此為了得到具有統計意義的響應時間結果，需要進行數千次重復試驗，而在數千次重復試驗后，則需要進行大量的、復雜的數據處理、統計工作。[1]

傳統的人工讀取和處理數據，為了確保數據處理的準確性，不僅需要耗費大量的人力資源進行計算，還要進行人工校對。為了提高數據處理的質量與效率，研發人員系統地研究了3臺CPR1000機組測試過程中生成的上萬條試驗數據，通過分析測試過程中波形記錄儀存儲的波形數據，研究了反應堆保護系統響應時間測試數據自動處理的方法，并開發了相應的計算機軟件。

2 反應堆保護系統響應時間測試

反應堆保護系統響應時間測試原理如圖1所示。該測試方法需要將一組模擬的反應堆工況異常的模擬量信號作為觸發信號注入到反應堆保護系統。在模擬量電流信號輸出端與保護系統的采集端之間使用波形記錄儀采集觸發信號的波形。同時在反應堆保護系統的輸出端，采用示波器采集反應堆保護系統輸出的保護動作指令信號的波形。[2]即可得到從反應堆工況模擬信號注入到反應堆保護系統，再到反應堆保護系統輸出保護動作指令之間的波形圖，如圖2所示。為了得到統計意義上的結果，以CPR1000堆型為例，需要針對反應堆的20余種緊急停堆工況及50余種專設安全動作工況，對反應堆保護系統進行測試。針對每一種工況、每一種組合觸發邏輯，分別重復上百次測試。一臺CPR1000機組的反應堆保護系統需要進行數千次測試，并得到數千張波形圖。

圖1 反應堆保護系統響應時間測試原理

圖2 反應堆保護系統響應時間測試的波形分析

3 人工方法分析響應時間測試數據

根據上述測試過程中波形記錄儀記錄到的波形圖，經過數據分析，可以得到反應堆保護系統的響應時間：

首先要在波形圖上識別觸發信號、保護動作指令的時間點，并在波形圖上進行標記；然后將保護動作指令的時間點，減去輸入觸發信號的時間點，即可得到保護系統的響應時間；重復上面兩個步驟的過程，對測試過程中的每一張波形圖進行逐一分析，統計每一次測試的結果，分別得到每一種工況，每一種邏輯組合的響應時間。[3]

為了減少人因失誤造成數據分析錯誤，在分析完成后需要進行驗算、檢查。

對于一臺CPR1000機組的反應堆保護系統，完成上述測試數據的分析過程，需要耗費約300人工時。上述數據重復、機械的數據分析過程，容易由于人因失誤造成數據分析錯誤帶來測試質量上的風險。同時，打印測試人工分析數據，耗費大量的人力、物力。

為了提高數據分析的質量，解決人工分析數據耗費大量人力物力的問題，提高測試效率。測試團隊對反應堆保護系統響應時間測試數據自動化處理方法開展了研究，并開發了相應的自動分析軟件。

4 響應時間測試數據自動處理方法研究

4.1 數據特征研究

波形記錄儀記錄的反應堆保護系統響應時間測試的波形如圖2所示。波形圖具有以下特征：

（1）波形記錄儀以從左到右為時間軸線，分別記錄了2路停堆觸發信號和4路停堆輸出信號共6個信號回路在一段時間內信號變化情況。

（2）為了便于識別停堆觸發信號的時間，停堆觸發信號為階躍信號。停堆輸出動作指令為開關量信號，通過波形記錄儀采集到的同樣為階躍信號。

（3）在波形中存在少量的隨機的雜波干擾，而且這些干擾主要以脈沖毛刺的形態出現。

（4）波形記錄儀在打印波形圖的同時，可將測試過程中記錄的按照設定的采樣周期將波形保存成＊.CSV的電子檔數據文件，并將文件保存在波形記錄儀的硬盤中。將其數據結構截取一個片段如圖3所示。

圖3 波形記錄儀測試數據存儲結構

其中最左側一列為以s為單位的時間軸。在這里根據測試需要，將波形記錄儀的采樣周期設定為100s，波形記錄儀每100s將6個信號回路測得的數據記錄在了第2～7列，數值單位為V。同時，根據波形記錄儀的配置，第1、2個回路做為停堆觸發信號，第3～6個通道為4個停堆斷路器的動作信號。觀察數據可看出，在0～200s處，第1個回路的數值從3.08V左右跳變為3.83V左右，而第2個回路在隨后的第300～500s處也變為3.08V左右跳變為3.83V左右。前后2個信號回路發生跳變的時間有細微的時間差。根據反應堆保護系統的要求，當2個信號回路的信號同時大于閾值時，即觸發緊急停堆指令。因此，取2個信號較晚的一個時間點做為停堆觸發的時間點。通過編寫計算機程序，對這些以時間為軸線記錄的數據進行分析，即可得到響應時間結果。

為了實現對這些數據的分析需要完成如下幾個任務：

（1）對信號進行濾波，排除脈沖毛刺信號對信號識別的干擾。

（2）分析波形，抓取階躍時間點，識別停堆觸發信號和停堆輸出信號出現的時間點。

（3）計算停堆觸發信號與停堆輸出信號的時間差，并將計算結果輸出到報表。

4.2 階躍時間點識別算法研究

根據微分的原理可知，信號經過微分處理后的結果與波形的變化率有關，當波形的變化率越快，其微分值越大。對于理想的階躍信號，其微分的結果為無窮大，因此可以利用這一微分思想建立數學模型。[4]當波形中信號出現階躍時，此處的微分后的信號為一個脈沖信號。

對響應時間測試結果的波形進行微分處理后，在階躍信號的時間點，將出現一個正向的脈沖。對波形記錄儀實際采集到的停堆觸發信號波形進行微分處理后的結果。得到如圖4所示的圖形。微分處理后的信號中，階躍信號轉換成了脈沖信號，其時間點與階躍信號重合。因此，綜合上述分析，利用微分方法計算采集到的信號中波形變化率的最大值，找到對應的階躍信號時間點。可以通過抓取脈沖信號的方式抓取階躍信號發生的時間，即得到輸入信號的觸發時間。[5]

在圖2中可以看到，在波形中存在少量的隨機的以脈沖形態存在的干擾信號。對于波形信號中的脈沖干擾，進行微分處理后，會出現如圖5所示的現象。由圖分析，波形中存在脈沖干擾信號，進行微分處理后的波形中，會出現一個正負雙向脈沖信號。如果此時，仍然采用上面的方法尋找階躍信號時間點，會將此點誤認為是階躍信號時間點，將得到錯誤的結果。因此，必須對信號進行預處理，過濾掉脈沖信號。

圖4 對階躍信號的微分處理

圖5 對脈沖信號的微分處理

4.3 濾波算法研究

在展開對響應時間測試數據分析研究的過程中，研究人員針對偶發的干擾進行了大量的研究。通過對以往工程應用中記錄的近3萬條波形數據進行的分析，確定工程應用中存在的干擾主要為開關量變化的瞬間引起的脈沖干擾。因此，濾波算法的主要任務是過濾脈沖信號進行過濾。

為了針對脈沖信號進行過濾，研究人員針對濾波對象的特點，研究了十余種常見的數字濾波經典算法，進行了優缺點總結和適用性分析，最終篩選出兩種適用于本研究課題的濾波算法。[6]

（1）中位值濾波法

連續采樣N次（N取奇數），把N次采樣值按大小排列 ，取中間值為本次有效值。

（2）算術平均濾波法

連續取N個采樣值進行算術平均運算。

N值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高。

為了比較上述兩種濾波算法的濾波效果，將分別使用中位值濾波法和算術平均濾波法算法對實際測試過程中采集到的脈沖干擾進行處理，處理后的波形比較如圖6所示。從圖6中可以看出，算術平均濾波對脈沖干擾有非常明顯的抑制作用，但是濾波后脈沖效果仍然存在。而中位值濾波后的波形則非常好的過濾掉了脈沖干擾。因此，最終選用中位值濾波法進行濾波處理。[7]

圖6 算術平均濾波與中位值濾波效果比較

5 結語

響應時間測試數據自動處理方法的研究從解決工程應用中的實際問題出發，始終圍繞著提高產品測試質量和技術水平。本研究確定了響應時間測試數據自動處理的方法，即通過中位置濾波算法對波形進行濾波處理，通過微分算法識別階躍信號，最終計算出反應堆保護系統的響應時間結果。

該方法在投入使用前，進行了大量的驗證工作。測試團隊調取了以往項目使用人工方法處理過的數據，使用自動處理工具進行重新計算后，將自動處理后的結果與人工處理的結果進行比較。結果證明，自動處理方法數據處理精度由人工處理方法的毫秒級提高到了微秒級。

本研究成果已經應用在了遼寧紅沿河、福建寧德、廣東陽江、廣西防城港等14臺CPR1000反應堆保護系統測試中。研究成果投入使用后，完成相關工作所耗人力資源將300人工時縮減為約10人工時，同時消除了人因失誤，提高了測試數據處理的效率與質量，實現了質量與效率上的雙贏。此外，本研究中所采用的階躍信號識別算法和濾波算法，還應用在了CPU周期測試數據分析等其他測試數據自動化分析研究成果中，并取得了良好的實踐。在應用的過程中，測試團隊進行長期持續的改進，將應用于ACPR1000、AP1000、高溫氣冷堆等多種堆型的反應堆保護系統測試中。

[1] 汪績寧, 周愛平, 郄永學, 支源. 核電廠反應堆保護系統緊急停堆響應時間分析及測試[J]. 核動力工程, 2012, 02 : 5 - 10.

[2] 馬剛, 康禮鴻. 核電廠數字化反應堆保護系統T2響應時間分析及測試[J]. 自動化博覽, 2015, 32 ( 1 ): 72 - 76.

[3] 王丁, 吳雷, 郄永學. 一種DCS響應時間測試裝置及方法[P]. 中國專利: CN102937810A, 2013 - 02 - 20.

[4] 楊敬波, 孫海龍. 零初值條件下系統的階躍響應, 脈沖響應及其傳遞函數的關系[J]. 曲阜師范大學學報(自然科學版), 2004, 30( 2 ): 37 - 40.

[5] 張旭, 核電站安全級控制系統自動化測試研究[D]. 北京:華北電力大學, 2015.

[6] 王慶河, 王慶山. 數據處理中的幾種常用數字濾波算法[J]. 計量技術, 2003, (4) : 53 - 54.

[7] 張旭, 郄永學, 支源, 高連國. 核電站安全級DCS響應時間測試數據自動處理的方法[P]. 中國專利: CN103019223A, 2013 - 04 - 03.

Research on Automatic Analysis Methods of RPS Response Time Test Data

The response speed of reactor protection system (RPS) directly affects the safety of the reactor. In order to be able to obtain a statistical response time, thousands of tests are required and a large number of test data are formed. In order to accurately and quickly complete the calculation and analysis of a large number of test data, the R & D personnel studied the characteristics of the test data, determined the data analysis algorithm and developed the related data analysis software. The results, to achieve automated analysis of response time test data, improve the quality and efficiency of the test data analysis. The analytical method has been applied to CPR1000, ACPR1000, HTR and other reactor type reactor protection system test.

Response time test；Data processing；Reactor protection system

張旭(1984-)，男，山東日照人，工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電廠安全級DCS測試工作。