SPPA-T2000系統(tǒng)雙AP故障情況下的控制優(yōu)化

王學(xué)朋

（江蘇核電有限公司 儀控處，江蘇 連云港 222000）

0 引言

田灣核電站二期使用的正常運(yùn)行控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱SPPA-T2000 系統(tǒng)）是基于西門子SPPA-T2000[1]平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，用于電站的正常運(yùn)行控制，屬于典型的集散控制系統(tǒng)。其中，使用TEC4Function[2]（邏輯設(shè)計(jì)工具）以可視化方式進(jìn)行邏輯圖組態(tài)，使用ES680[3]（儀控工程師站）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建和硬件通道配置。

SPPA-T2000 系統(tǒng)包含63 個(gè)AP 機(jī)柜，每個(gè)機(jī)柜配置兩個(gè)互為冗余的AP（AP-A 和AP-B），系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)其中一個(gè)作為主用AP 通過(guò)電廠總線[4]進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從屬AP 作為冗余備用。正常情況下，當(dāng)主用AP 故障時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到從屬AP，進(jìn)而保證電站的正常穩(wěn)定運(yùn)行。若主/從AP（簡(jiǎn)稱雙AP）故障，則所在機(jī)柜涉及的過(guò)程參數(shù)全部失去顯示。

SPPA-T2000 系統(tǒng)設(shè)置6 個(gè)通道實(shí)現(xiàn)控制功能，其中1 ～4 通道執(zhí)行核安全相關(guān)控制功能，5 ～6 通道執(zhí)行運(yùn)行控制功能。總線網(wǎng)絡(luò)基于典型的單環(huán)冗余結(jié)構(gòu)，選用“主環(huán)+子環(huán)”冗余連接方式，主環(huán)為電廠總線，子環(huán)對(duì)應(yīng)6 個(gè)通道，運(yùn)行方式簡(jiǎn)潔、高效，示意圖如圖1。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任何位置出現(xiàn)一個(gè)斷點(diǎn)，其環(huán)網(wǎng)上的備用接口立即閉合，確保單一故障下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不受影響，但如果環(huán)網(wǎng)中同時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)斷點(diǎn)，則會(huì)造成部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。以上情況將會(huì)導(dǎo)致非預(yù)期運(yùn)行事件的發(fā)生。

圖1 SPPA-T2000系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of SPPA-T2000 system bus structure

1 故障分析與控制優(yōu)化

1.1 梳理識(shí)別

田灣核電站二期SPPA-T2000 系統(tǒng)設(shè)計(jì)63 個(gè)AP 機(jī)柜，每個(gè)機(jī)柜配置兩個(gè)互為冗余的AP（AP-A 和AP-B），每個(gè)AP 可獨(dú)立完成信號(hào)的接收、處理和輸出任務(wù)。使用TEC4Function 軟件導(dǎo)出所有AP 的信號(hào)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，處理后形成輸入/輸出信號(hào)清單，信號(hào)總數(shù)為54515 個(gè)；進(jìn)一步梳理，識(shí)別出17160 個(gè)不同AP 之間網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)（簡(jiǎn)稱跨AP 信號(hào)），包括控制信號(hào)、通訊信號(hào)、后備盤指令等[5]。

1.2 分析研判

1.2.1 雙AP故障后果判斷依據(jù)

1）以下4 種情況對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)無(wú)明顯影響：

①執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被調(diào)量信號(hào)在同一AP 時(shí)，若雙AP 故障，AP 失去邏輯控制計(jì)算能力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持當(dāng)前狀態(tài)。

②執(zhí)行機(jī)構(gòu)與數(shù)字量信號(hào)不在同一AP 且無(wú)取反邏輯時(shí)，若雙AP 故障，其輸出至其它AP 的信號(hào)變?yōu)?（低電平）且保持不變，設(shè)備不會(huì)保護(hù)、自動(dòng)動(dòng)作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持當(dāng)前狀態(tài)。

③執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被調(diào)量信號(hào)不在同一AP，但該模擬量信號(hào)的有效位[7]作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制功能塊的外部故障信號(hào)送至外部故障位，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)退出自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)并保持當(dāng)前狀態(tài)。

④工藝系統(tǒng)間歇投運(yùn)的系統(tǒng)，長(zhǎng)時(shí)間投運(yùn)有不良后果的，若控制信號(hào)故障，設(shè)備出于安全考慮應(yīng)跳停。

2）以下3 種情況對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)將造成影響：

①當(dāng)模擬量信號(hào)輸出不在同一AP 時(shí)，若雙AP 故障，其輸出至其它AP 的模擬量信號(hào)為數(shù)值0，則將對(duì)模擬量信號(hào)參與的控制邏輯產(chǎn)生影響[8]（如參與閉環(huán)控制對(duì)象修正或者前饋運(yùn)算，將對(duì)閉環(huán)控制回路造成擾動(dòng)）。

②若模擬量信號(hào)的有效信號(hào)未送至調(diào)閥控制功能塊的外部故障端口且模擬量信號(hào)輸出不在同一AP 時(shí)，則當(dāng)雙AP 故障時(shí)，調(diào)閥無(wú)法自動(dòng)跳出自動(dòng)模式，閉環(huán)控制回路因失去真實(shí)的主調(diào)量（模擬量信號(hào)變?yōu)閿?shù)值0）而失控[9]。

③若開關(guān)量信號(hào)輸出不在同一AP 且存在取反邏輯時(shí)，若雙AP 故障，則輸出至其他AP 的開關(guān)量信號(hào)為0（低電平），取反后變?yōu)?（高電平），需要分析高電平信號(hào)在控制邏輯中的影響和優(yōu)化措施。

1.2.2 雙AP故障典型后果分析

依據(jù)雙AP 故障后果判斷依據(jù)，通過(guò)多角度分析研究，最終識(shí)別出199 個(gè)機(jī)組功率運(yùn)行期間在雙AP 故障[6]時(shí)不可接受的跨AP 信號(hào)。從故障后果發(fā)生類型、信號(hào)所屬通道類別等方面，通過(guò)以下事例說(shuō)明雙AP 故障的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2.1 源信號(hào)與合成信號(hào)分布于不同AP

事例：蒸汽發(fā)生器窄量程液位

田灣核電站二期蒸汽發(fā)生器窄量程液位監(jiān)測(cè)為四通道設(shè)計(jì)，在SPPA-T2000 系統(tǒng)中邏輯設(shè)置為三取二（取平均值，每臺(tái)蒸汽發(fā)生器的第1、2、3 通道）。優(yōu)化前蒸汽發(fā)生器窄量程液位的源信號(hào)及合成信號(hào)的AP 分布情況見表1，示意圖如圖2。

圖2 蒸汽發(fā)生器窄量程液位信號(hào)示意圖（優(yōu)化前）Fig.2 Schematic diagram of the narrow range liquid level signal of the steam generator (before optimization)

表1 蒸汽發(fā)生器窄量程液位AP分布Table 1 AP Distribution of steam generator narrow range liquid level

在SPPA-T2000 系統(tǒng)中，蒸汽發(fā)生器窄量程液位合成的源信號(hào)來(lái)自于1 ～3 通道。當(dāng)源信號(hào)所在AP 任意一個(gè)發(fā)生雙AP 故障或1 ～3 通道環(huán)網(wǎng)任斷一個(gè)后，由于三取二的合成信號(hào)至少有兩個(gè)信號(hào)存在，所以蒸發(fā)器液位閉環(huán)調(diào)節(jié)器不受影響；但當(dāng)源信號(hào)所在AP 有兩個(gè)發(fā)生雙AP 故障，1 ～3 通道環(huán)網(wǎng)任斷兩個(gè)或5、6 通道的環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)兩個(gè)斷點(diǎn)后，蒸發(fā)器主調(diào)量（蒸汽發(fā)生器窄量程液位合成信號(hào)變?yōu)閿?shù)值0）喪失，調(diào)節(jié)器失去控制， 造成蒸汽發(fā)生器真實(shí)液位大幅波動(dòng)，進(jìn)而可能導(dǎo)致機(jī)組瞬態(tài)事件的發(fā)生。

1.2.2.2 修正信號(hào)與調(diào)節(jié)器分布于不同AP

事例：堆芯上部壓力修正及穩(wěn)壓器液位調(diào)節(jié)

田灣核電站二期反應(yīng)堆堆芯上部壓力監(jiān)測(cè)為四通道設(shè)計(jì)，其合成信號(hào)由源信號(hào)通過(guò)三取二（取平均值，第1、2、3 通道）獲得，穩(wěn)壓器窄量程液位源信號(hào)經(jīng)三取二（取平均值，第1、2、3 通道）合成穩(wěn)壓器液位合成信號(hào)。優(yōu)化前的堆芯上部壓力修正及穩(wěn)壓器液位調(diào)節(jié)信號(hào)的AP 分布見表2，示意圖如圖3。

表2 堆芯上部壓力修正及穩(wěn)壓器液位調(diào)節(jié)信號(hào)的AP分布Table 2 AP Distribution of upper core pressure correction and regulator liquid level adjustment signals

圖3 堆芯上部壓力修正及穩(wěn)壓器液位調(diào)節(jié)示意圖（優(yōu)化前）Fig.3 Schematic diagram of upper core pressure correction and regulator liquid level adjustment (before optimization)

反應(yīng)堆堆芯上部壓力的合成信號(hào)參與穩(wěn)壓器窄量程液位源信號(hào)的修正和有效性判斷，在功率運(yùn)行期間，穩(wěn)壓器窄量程液位的合成信號(hào)作為主調(diào)量參與穩(wěn)壓器液位閉環(huán)調(diào)節(jié)。

當(dāng)反應(yīng)堆堆芯上部壓力合成信號(hào)所在AP106 故障時(shí)，穩(wěn)壓器窄量程液位源信號(hào)的質(zhì)量位信號(hào)變?yōu)?（低電平），穩(wěn)壓器窄量程液位合成信號(hào)輸出值為數(shù)值0；當(dāng)穩(wěn)壓器窄量程液位合成信號(hào)所在AP206 故障時(shí)，其輸出值變?yōu)閿?shù)值0。因此，當(dāng)AP106 或AP206 發(fā)生雙AP 故障時(shí)，穩(wěn)壓器窄量程液位合成信號(hào)變?yōu)閿?shù)值0 且有效位變?yōu)?（低電平），該合成信號(hào)作為被調(diào)量送至穩(wěn)壓器液位主調(diào)節(jié)器，與穩(wěn)壓器液位設(shè)定值（功率運(yùn)行模式下由一回路平均溫度計(jì)算得到）生成階躍性控制偏差，相關(guān)泵和調(diào)閥動(dòng)作造成上充下泄不匹配，進(jìn)而引起一回路液位波動(dòng)，機(jī)組失去對(duì)穩(wěn)壓器液位的控制。穩(wěn)壓器液位異常波動(dòng)將會(huì)給機(jī)組造成擾動(dòng)，進(jìn)而可能導(dǎo)致機(jī)組瞬態(tài)事件的發(fā)生。

1.2.2.3 調(diào)節(jié)閥外部故障信號(hào)

事例：凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥

調(diào)節(jié)閥控制模塊的外部故障端口輸入為1（高電平）信號(hào)時(shí)跳出自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)模式，輸入信號(hào)為0（低電平）信號(hào)時(shí)保持自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)模式。在凝結(jié)水再循環(huán)流量的閉環(huán)控制中，主調(diào)量是凝結(jié)水流量合成信號(hào)（在AP611 中），當(dāng)前有效信號(hào)的取反邏輯設(shè)計(jì)在AP611 中，再循環(huán)調(diào)節(jié)閥1（在AP512 中）和再循環(huán)調(diào)節(jié)閥2（在AP611 中）的外部故障端口同時(shí)取用這個(gè)有效位信號(hào)，優(yōu)化前的凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥外部故障信號(hào)示意圖如圖4。當(dāng)AP611 發(fā)生雙AP 故障時(shí)，再循環(huán)調(diào)節(jié)閥2 同在AP611 中，無(wú)影響；再循環(huán)調(diào)節(jié)閥1（在AP512 中）的外部故障端口輸入的有效位信號(hào)保持為0（低電平，來(lái)自于雙AP 故障的AP611），再循環(huán)調(diào)節(jié)閥1 依然處于閉環(huán)調(diào)節(jié)中，此時(shí)主調(diào)量（凝結(jié)水流量合成信號(hào)）喪失，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥1 的調(diào)節(jié)器失去控制。

圖4 凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥外部故障信號(hào)示意圖（優(yōu)化前）Fig.4 Schematic diagram of external fault signal of condensate recirculation regulating valve (before optimization)

1.3 改進(jìn)措施

1.3.1 針對(duì)源信號(hào)與合成信號(hào)分布于不同AP

將網(wǎng)絡(luò)傳輸改為硬接線（事例中的蒸汽發(fā)生器窄量程液位源信號(hào)），實(shí)現(xiàn)源信號(hào)與合成信號(hào)在同一AP 中采集，消除雙AP 故障對(duì)合成信號(hào)的影響，優(yōu)化后的蒸汽發(fā)生器窄量程液位信號(hào)示意圖如圖5。

圖5 蒸汽發(fā)生器窄量程液位信號(hào)示意圖（優(yōu)化后）Fig.5 Schematic diagram of the narrow range liquid level signal of the steam generator (after optimization)

1.3.2 針對(duì)修正信號(hào)與調(diào)節(jié)器分布于不同AP

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)優(yōu)化措施，將修正信號(hào)與主調(diào)量、調(diào)節(jié)器以及執(zhí)行器整合至同一AP 中，降低雙AP 故障對(duì)源信號(hào)修正作用及調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器調(diào)節(jié)功能的影響。

對(duì)于堆芯上部壓力修正及穩(wěn)壓器液位調(diào)節(jié)作用，將堆芯上部壓力和穩(wěn)壓器窄量程液位的源信號(hào)通過(guò)硬接線的方式接入主調(diào)節(jié)器所在AP 中，并在該AP 中創(chuàng)建堆芯上部壓力和穩(wěn)壓器液位的合成信號(hào)，實(shí)現(xiàn)修正信號(hào)、主調(diào)量和主調(diào)節(jié)器處于同一AP 中，優(yōu)化后的堆芯上部壓力修正及穩(wěn)壓器液位調(diào)節(jié)示意圖如圖6。

圖6 堆芯上部壓力修正及穩(wěn)壓器液位調(diào)節(jié)示意圖（優(yōu)化后）Fig.6 Schematic diagram of pressure correction on the upper part of the core and adjustment of the liquid level of the pressurizer (after optimization)

1.3.3 針對(duì)調(diào)閥外部故障信號(hào)

將主調(diào)量（事例中的凝結(jié)水流量合成信號(hào)）的有效信號(hào)先引用至調(diào)節(jié)閥（事例中的凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥）所在AP中，取反后接入調(diào)節(jié)閥的外部故障端口，消除雙AP 故障對(duì)調(diào)節(jié)閥無(wú)法自動(dòng)跳出閉環(huán)調(diào)節(jié)的影響，優(yōu)化后的凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥外部故障信號(hào)示意圖如圖7。

圖7 凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥外部故障信號(hào)示意圖（優(yōu)化后）Fig.7 Schematic diagram of external fault signal of condensate recirculation regulating valve (after optimization)

2 功能實(shí)現(xiàn)

田灣核電站二期SPPA-T2000 系統(tǒng)雙AP 故障情況下的控制優(yōu)化分為硬件和軟件兩個(gè)部分，優(yōu)化設(shè)計(jì)遵照單一故障準(zhǔn)則，確保冗余信號(hào)分布于機(jī)柜中具有獨(dú)立實(shí)體硬件隔離的AG、BG、CG 層采集模塊中[10]。硬件方面，除電纜敷設(shè)、端接和機(jī)柜內(nèi)部改線外，需增加一層機(jī)架（9EU902），包括背板、電源開關(guān)、模件和安裝附件等；軟件方面，除邏輯編制、通道配置、生傳代碼和OM 畫面更新外，需搭建拓?fù)鋱D，包括通訊和參數(shù)設(shè)置等。新增一層機(jī)架的示意圖如圖8。

圖8 新增一層機(jī)架示意圖Fig.8 Schematic diagram of a new layer of racks

根據(jù)不同的雙AP 故障后果制定的控制優(yōu)化設(shè)計(jì)文件，在實(shí)施階段成立專項(xiàng)組，由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、全局部署，同時(shí)開展硬件改造和軟件優(yōu)化工程，實(shí)施、驗(yàn)證和調(diào)試同步執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)大修窗口完成一臺(tái)機(jī)組全部雙AP故障信號(hào)控制優(yōu)化。

3 結(jié)論

正常運(yùn)行儀控系統(tǒng)AP 機(jī)柜涉及機(jī)組重要過(guò)程參數(shù)的采集和控制，若某個(gè)機(jī)柜發(fā)生雙AP 故障停運(yùn)，可能對(duì)機(jī)組狀態(tài)產(chǎn)生較大擾動(dòng)。通過(guò)對(duì)田灣核電站二期正常運(yùn)行儀控SPPA-T2000 系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行全面梳理排查，發(fā)現(xiàn)多處發(fā)生雙AP 故障情況時(shí)潛在邏輯風(fēng)險(xiǎn)，給機(jī)組帶來(lái)功率波動(dòng)甚至停機(jī)停堆的安全隱患。針對(duì)不同類型的風(fēng)險(xiǎn)和影響，制定了相應(yīng)的控制優(yōu)化策略和整改措施，有效增強(qiáng)了正常運(yùn)行儀控SPPA-T2000 系統(tǒng)抵御雙AP 故障的能力，提高了正常運(yùn)行儀控系統(tǒng)安全性和可靠性，減少了由雙AP故障引發(fā)的機(jī)組瞬態(tài)乃至非停事件，進(jìn)一步保證了機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行。另外，本文中所述的方法和措施對(duì)電站控制設(shè)計(jì)也有很高的借鑒意義。