數(shù)字化反應(yīng)堆保護系統(tǒng)響應(yīng)時間的評價方法研究

劉 洋,廖良記,張向科

(1.臺山核電合營有限公司，廣東 臺山 529200;2.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000)

核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)響應(yīng)時間是指某一信號觸發(fā)直至對應(yīng)的反應(yīng)堆保護功能動作所消耗的時間。在核電站設(shè)計中，設(shè)計者會基于電站的安全分析對一些重要的系統(tǒng)功能提出響應(yīng)時間的要求，以確保某些異常情況下機組的應(yīng)對功能能夠及時、正確的動作，從而確保電站的安全性、可用性。在工程實現(xiàn)過程中，需要對反應(yīng)堆保護系統(tǒng)實際響應(yīng)時間進行評估，確保系統(tǒng)、設(shè)備的真實響應(yīng)時間小于設(shè)計限值，能夠滿足設(shè)計要求。

本文主要對基于數(shù)字化控制平臺的反應(yīng)堆保護系統(tǒng)(不包括執(zhí)行機構(gòu)及信號測量環(huán)節(jié))響應(yīng)時間評估方法進行探討，提出在數(shù)字化控制系統(tǒng)應(yīng)用情況下評估響應(yīng)時間的方法建議。

一個典型反應(yīng)堆保護功能的響應(yīng)過程包括：異常感知(信號采集)、反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的信號處理及計算、執(zhí)行機構(gòu)動作，如圖1。

圖1 典型反應(yīng)堆保護系統(tǒng)響應(yīng)過程Fig.1 Response process of typicalreactor protection system

典型的響應(yīng)時間：

T=T1+T2+T3

式中：T1——信號采集/測量時間；

T2——控制系統(tǒng)處理時間；

T3——執(zhí)行機構(gòu)動作時間；

根據(jù)電站安全分析，設(shè)計者會提出對各反應(yīng)堆保護功能的響應(yīng)/執(zhí)行的時間要求，通常要求：響應(yīng)時間T小于某一設(shè)計值。設(shè)計過程中，會將此時間要求進行分解(即不同處理環(huán)節(jié)的響應(yīng)時間要求)，具體到反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的響應(yīng)時間(T2)的要求通常為T2<設(shè)計要求時間。

1 國內(nèi)反應(yīng)堆保護系統(tǒng)響應(yīng)時間的評測方法

在核電站使用數(shù)字化控制系統(tǒng)前，反應(yīng)堆保護系統(tǒng)由邏輯處理元件(如繼電器等硬邏輯電路)搭建，在保護系統(tǒng)現(xiàn)場安裝完成后，需要搭建專用的測試平臺測量各保護通道的響應(yīng)時間，測量的目的如下：

1)獲得各保護通道的響應(yīng)時間，評判相關(guān)保護功能的響應(yīng)時間是否滿足設(shè)計要求；

2)檢查組成保護通道的各組件及其的連接、運行是否正常。

進入21世紀后，數(shù)字化控制系統(tǒng)開始陸續(xù)應(yīng)用于國內(nèi)核電站，反應(yīng)堆保護系統(tǒng)也使用了安全級的數(shù)字化控制平臺(如法瑪通公司的TXS，三菱公司的MELTAC，廣利核公司的FirmSys等)，反應(yīng)堆保護系統(tǒng)響應(yīng)時間的評測方法仍然沿襲了原來的測試方法：搭建專門的仿真測試平臺對每個保護通道的響應(yīng)時間進行實測，測量原理見圖2。

圖2 反應(yīng)堆保護系統(tǒng)響應(yīng)時間實測原理Fig.2 Principle of response time measurement of reactor protection system

此響應(yīng)時間的測量方法有如下缺點：

1)未充分利用數(shù)字化平臺的特點：CPU計算機理、周期，通訊速率，信號采集特征等；

2)實際響應(yīng)時間測量結(jié)果隨機、不唯一；

3)反應(yīng)堆保護系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場布置分散，現(xiàn)場實施難度大；

4)測試過程需要將反應(yīng)堆保護系統(tǒng)單獨隔離，對電站現(xiàn)場調(diào)試影響大。

另外,數(shù)字化控制平臺中通道各組件及其連接、運行處理是否正常可通過系統(tǒng)安裝上電后的通道檢查、系統(tǒng)檢查、配置檢查等進行檢驗，確定系統(tǒng)是否運行正常，系統(tǒng)/控制平臺參數(shù)/配置是否與設(shè)計文件一致，無需通過響應(yīng)時間測試進行檢查。

結(jié)合上述因素，隨著數(shù)字化控制系統(tǒng)在反應(yīng)堆保護系統(tǒng)上的日益廣泛、深入的應(yīng)用，需要研究、探索更適于數(shù)字化平臺的響應(yīng)時間評估方法。

2 數(shù)字化控制系統(tǒng)的特征及響應(yīng)時間的理論計算方法

數(shù)字化控制系統(tǒng)具有如下特征：

1)確定性：控制器運算周期/過程確定、網(wǎng)絡(luò)通信速率確定、I/O模件特性確定；在設(shè)計固化后數(shù)字化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定；

2)類型化：可通過分類輸入、輸出信號以及邏輯處理過程將反應(yīng)堆保護系統(tǒng)響應(yīng)通道進行分類分析；

3)平臺的響應(yīng)時間與地理位置變化無關(guān)，不會由于場地的變化而發(fā)生變化；

4)系統(tǒng)狀態(tài)自診斷、可監(jiān)控。

基于上述特征，可以對基于數(shù)字化控制平臺的反應(yīng)堆保護系統(tǒng)響應(yīng)時間開發(fā)理論計算的方法： 通過分析信號傳輸路徑，結(jié)合傳輸路徑中各模件計算/掃描周期、通信周期等參數(shù)，計算各種類型通道或運算環(huán)節(jié)響應(yīng)時間的包絡(luò)值，從而計算出各反應(yīng)堆保護功能的響應(yīng)時間。

圖3是一個典型數(shù)字化控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)分布(測量型號、邏輯運算以及指令輸出都由單個控制器結(jié)構(gòu)內(nèi)完成)，此時控制系統(tǒng)響應(yīng)時間為：

T2=Tin+TFDG+TFDG+Tout

式中：Tin——控制系統(tǒng)的信號采集時間；

TFDG——控制器邏輯運算周期；

Tout——控制系統(tǒng)指令輸出時間。

注：1)控制系統(tǒng)的信號采集時間以及指令輸出時間使用廠家給出的I/O模件的性能參數(shù)；

2)假定輸入信號未在控制器的首個運算周期內(nèi)被讀入，延后一個運算周期被控制器讀入進行計算。

對于復(fù)雜的、采用遠程I/O的系統(tǒng)，計算模型需要考慮遠程I/O(或另外一個數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié))以及信號網(wǎng)絡(luò)傳輸耗時Tnet，Tnet取決于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、通信介質(zhì)、通信協(xié)議，原理框圖見圖4。

圖3 典型DCS系統(tǒng)響應(yīng)時間分布Fig.3 Response time distribution of typical DCS system

圖4 有遠程I/O的DCS系統(tǒng)響應(yīng)時間分布Fig.4 Response time distribution of theDCS system with remote I/O

3 響應(yīng)時間理論計算方法的驗證

在核電站DCS控制系統(tǒng)工廠測試階段，會在測試大廳將真實的DCS設(shè)備連接起來進行測試，此階段DCS設(shè)備聯(lián)網(wǎng)但孤立運行，沒有設(shè)備現(xiàn)場安裝后的種種制約條件(空間分散、相互影響……)，同時設(shè)備真實運行，能夠表征設(shè)備安裝到現(xiàn)場后的運行特性。此階段，可對不同類型的通道進行響應(yīng)時間實測，通過對理論計算時間與實測響應(yīng)時間的比較來驗證理論計算時間的包絡(luò)性及保守性。

以某核電廠反應(yīng)堆保護系統(tǒng)跳堆保護功能為例，比對按照上述方法計算的響應(yīng)時間與工廠測試的實測響應(yīng)時間，驗證響應(yīng)時間理論計算的保守性、包絡(luò)性。

該核電廠跳堆保護的典型功能框圖見圖5，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(APU)將表征反應(yīng)堆保護特征的物理量采集后，判斷是否達到跳堆保護閾值，并將判斷結(jié)果通過專屬網(wǎng)絡(luò)傳給邏輯處理單元(ALU)，邏輯處理單元綜合不同列的判斷結(jié)果，通過4取2的表決邏輯運算出跳堆指令，跳堆指令通過光耦模塊SDM1送出，至停堆斷路器觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。

圖5 典型DCS跳堆保護處理框圖Fig.5 Block diagram of typical DCStrip protection

通過分析該跳堆保護的處理順序及流程，得出該功能響應(yīng)時間的計算方法如下：

T2=Tin+TFDG+TFDG+Tnet+TFDG+Tout+TSDM

式中：Tin、Tout、TSDM的響應(yīng)時間從產(chǎn)品供應(yīng)商處獲得，分別為18 ms、10 ms、10 ms;

TFDG取決該功能在控制器內(nèi)的計算周期，為25 ms;

Tnet為數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸時間，Tnet=Max(T0-TFDG.source,0)+Tnet+Max(T0,TFDG.dest)=81 ms。

其中Tnet為網(wǎng)路傳輸時間(6 ms，取決于網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、傳輸介質(zhì))

源頭數(shù)據(jù)進入網(wǎng)絡(luò)通訊通道的最長時間為Max(T0-TFDG.source,0)，數(shù)據(jù)抵達宿主等待進入邏輯運算的時間為Max(T0,TFDG.dest)，其中T0為通訊周期50 ms，TFDG.source及TFDG.dest分別為APU及ALU中該功能的運算周期25 ms。

依據(jù)上述公式計算，該功能的響應(yīng)時間理論計算值為

T2=18+25+25+81+25+10+10=194 ms

壓力/水位等常規(guī)物理量信號采集、分配時間T1b采用模件廠家給出時間11.5 ms，因此疊加信號采集時間后的跳堆保護功能理論計算時間為194+11.5=205.5 ms。

設(shè)計要求跳堆保護的觸發(fā)時間(T1b+T2)小于500 ms，在工廠測試階段，按照圖2的原理搭建響應(yīng)時間實測平臺，不同功能的跳堆保護動作時間進行實測，每個功能測量20遍，取其中最大值，得出的結(jié)果見表1，結(jié)果表明計算值大于實測值，可見通過上述計算方法得出的響應(yīng)時間比較保守，能夠包絡(luò)系統(tǒng)的真實響應(yīng)時間，用于評估響應(yīng)時間是否滿足設(shè)計要求更具代表性。

表1 響應(yīng)時間的理論計算時間與實測時間的比較

綜上，對于基于數(shù)字化控制平臺的反應(yīng)堆保護系統(tǒng)，響應(yīng)時間的評估方法建議如下：

1)按照反應(yīng)堆保護系統(tǒng)供應(yīng)商的設(shè)計及信號傳輸路徑，將反應(yīng)堆保護功能進行歸納和分類，可參考本文提出的方法對每個類型進行響應(yīng)時間的理論計算；

2)在工廠測試階段，對各個類型的響應(yīng)時間進行實測，驗證理論計算的準確性和保守性；

3)用理論計算時間作為最終反應(yīng)堆保護系統(tǒng)T2響應(yīng)時間，用于評估具體的功能是否滿足設(shè)計需求。

試驗數(shù)據(jù)表明：基于上述理論計算方法確定的響應(yīng)時間較實測時間長，更保守，用于評價所實現(xiàn)的功能是否滿足設(shè)計要求的響應(yīng)時間結(jié)果將更具表征性，即：理論計算值可用于響應(yīng)時間評估，可滿足響應(yīng)時間評價的需要。

4 結(jié)論

反應(yīng)堆保護系統(tǒng)響應(yīng)時間是用于評價系統(tǒng)是否能夠按照設(shè)計要求及時、迅速的觸發(fā)反應(yīng)堆保護動作，是重要的安全設(shè)計要求，需要在工程階段進行確認。

DCS平臺具有確定性的特點(控制器時鐘、運算周期、I/O卡件性能等是確定的)，基于此特點，本文對采用DCS技術(shù)的反應(yīng)堆保護系統(tǒng)建議了一種響應(yīng)時間評價方法：1)根據(jù)信號類型及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立響應(yīng)時間的理論計算方法；2)在系統(tǒng)/設(shè)備的工廠聯(lián)合測試階段，通過響應(yīng)時間實測對理論計算方法的有效性、保守性進行驗證；3)使用經(jīng)過驗證的理計算方法得出的響應(yīng)時間進行設(shè)計要求響應(yīng)時間的符合性評價。

本文所述評價方法是對基于數(shù)字化平臺反應(yīng)堆保護系統(tǒng)響應(yīng)時間驗證方法的一個探索，該方法一方面對反應(yīng)堆保護系統(tǒng)響應(yīng)時間進行保守評價，確保其滿足設(shè)計要求；同時也能夠簡化工程驗證活動，提高工程建設(shè)效率。