核電廠數字化儀表與控制系統的應用現狀及發展趨勢研究

周錦毅

（浙江萬納核電檢修有限公司，浙江 海鹽 314300）

核電屬于國內電力網絡的重要組成部分，受限于技術原理與材料等因素影響，核電廠運行安全風險相對較高，需要采取可靠的儀表與控制系統，確保生產流程能夠正常進行。在傳統體系下，國內核電站主要應用模擬儀表與控制系統作為配套設施。隨著信息技術逐漸發展，數字化儀表與控制系統開始展露其應用優勢。對此，核電廠需要明確相關儀表系統應用優勢，確保其能夠得到妥善部署，為未來革新發展提供重要助力。

1 核電廠數字化儀表控制系統優勢

1.1 有利于抗干擾能力

通過應用數字化儀表控制系統，能夠顯著提高核電廠設施運行抗干擾能力，有利于克服數據漂移影響，繼而提高日常運行測量與管理精度。相對于傳統模擬儀表控制系統而言，數字化系統信息儲量較為龐大，同時傳輸速率高，能夠有效克服電磁干擾環境，有利于簡化儀表與控制系統，為后續穩定運行創造理想條件[1]。根據NB-T 20218-2013《核電廠安全重要儀表和控制設備電磁兼容性試驗要求》相關數據，核電廠數字化儀表應當達到相應標準的抗擾度級別，表1為射頻電磁場抗擾度級別。除此之外，數字化儀表還應當達到傳導、脈沖群、浪涌抗擾度標準，確保其能夠維持正常運行，保障電力生產穩定，降低出現精度故障的概率。

表1 核電廠數字化儀表射頻電磁場抗擾度級別一覽Table 1 List of RF electromagnetic field immunity levels ofdigital instruments in nuclear power plants

1.2 有利于冗余安全設計

通過應用數字化儀表控制系統，能夠有效提高核電站運行冗余性，有利于應對突發故障問題，并提高系統工作容錯率，降低出現嚴重事故的概率。數字化儀表控制系統主要利用光纖完成信息交換，其能夠設置旁通或在線檢修、自動校正功能[2]。因此，相對于傳統儀表而言，數字化儀表控制系統的冗余性較強，能夠為安全設計方案提供重要支持。

1.3 有利于數據存儲與交互

數字化儀表控制系統可以為信息存儲與人機交互提供便捷條件，能夠顯著提高追溯工作簡潔性，降低數據查詢難度并提高存儲安全級別。同時，數字化系統還可以對報警內容進行快速篩選，避免關鍵信息被數據流淹沒的情況出現，有效提高了核電站運行安全性。除此之外，數字化系統允許對信息進行二次驗證，能夠為核電站監控與性能管理提供有利條件，具有重要應用優勢。

1.4 有利于標準化建設

數字化儀表與控制系統可以采用標準化設計與部署方式，其軟硬件通用程度較高，同時部署適應性強，可以在多種場景條件下進行應用，無需進行二次開發處理。同時，數字化儀表系統均經過了生產與長期應用的設計考驗，因此整體穩定性較強，可以顯著降低運行管理費用，對于維持核電站的穩定運行具有明顯支持作用[3]。

1.5 有利于線上故障診斷

數字化儀表控制系統可以提供互聯網登入接口，其能夠允許技術員進行遠程調試，并診斷可能的故障原因，為現場排查工作提供有力支持。同時，網絡接口也可以發送檢測或安全試驗信號，能夠降低由于誤差原因導致停堆問題的可能性。在智能化方案加持下，數字儀表系統還可以通過分析相關運行數據，自動定位故障問題并嘗試應用預制解決方案[4]。在重復嘗試未獲得正面結果的情況下，系統可以自動通知網絡管理員，確保核電站運行安全。

1.6 有利于應用方案調整

相對于模擬儀表與控制系統而言，數字化方案能夠對應用管理框架進行革新，使保護參數等關鍵數據的調整可以通過軟件平臺進行。通過此類方式，能夠顯著降低應用方案修改難度，有利于簡化核電站運行管理流程，為節約工作成本提供重要支持。同時，數字化儀表控制系統還可以自動計算相關數據，對應用方案展開靈活調整，有利于平衡反應堆安全性與輸出功率，幫助核電站提高運行效益，實現理想工作目標[5]。

2 核電廠數字化儀表控制系統應用現狀與典型案例探究

2.1 應用現狀

數字化儀表控制系統目前已經在核電站得到了較為廣泛的應用，其基礎類型相對豐富，可以簡單分為模擬數字混合以及一體化數字兩種。模擬數字混合系統又被稱為DCS 方案，其基礎模塊建立在模擬控制基礎上，通過整合大規模集成電路，實現數字化功能目標[6]。相對于傳統的單一模擬控制方案，DCS 可以顯著減少所需硬件與軟件，同時可以提供數字化應用功能，使核電站儀表控制系統能夠得到有效革新，在低成本前提下實現數字化發展目標。目前，國內廣東嶺澳核電站便是DCS 方案的典型案例之一，其核島KIT/KPS 系統采用了法國生產的α4100，常規島采用了ALSTOM P320，能夠維持穩定的運行控制效果。

一體化數字控制系統在內部架構與整體軟件層面全部應用了數字化方案，其應用效率相對較高，同時整體保護系統穩定性強，能夠整合人機接口、光纖網絡、智能化等應用技術，使核電站運行體系得到有效革新[7]。可以認為，一體化數字儀表與控制系統屬于核電站未來發展的必然趨勢，其能夠幫助提高生產穩定性，同時也可以增強系統可拓展性，對于核電站創新建設具有重要支持意義。目前，較為常見的一體化數字控制系統包括西門子Teleperm XP+XS、美國西屋Ovation+Advent 等。

2.2 典型案例

2.2.1 西門子Teleperm XP+XS

西門子Teleperm XP+XS 屬于一體化數字方案，其主要以分布式狀態進行部署，能夠有效利用集中計算機實現信號處理、測量控制與通信功能，有利于強化核電站運行穩定性與安全性，其典型架構如圖1。在運行過程中，系統主要分為兩個控制模塊，模塊間利用通信渠道完成數據交換，共同處理核電站運行生產任務。

圖1 Teleperm XP+XS系統基礎結構Fig.1 Teleperm XP+XS system infrastructure

Teleperm XP+XS 系統可以按照基礎功能分為5 個基礎模塊，即機組、通信、處理、控制以及現場。機組模塊主要面向主控室進行服務，其能夠對工藝流程展開管理，通過整體監測與觀察方式，建立主控區域與信息化系統之間的溝通接口。在實際應用階段，機組模塊需要向操作終端發送相關信息，使管理員能夠及時獲知核電站運行狀態，并完成相應管理操作。除此之外，機組模塊還需要自動進行信息的統計與文件歸檔，為后續追溯流程提供基礎條件。

通信模塊主要包括終端與核電站總線兩個基礎部分，終端總線處于實時監測狀態，其能夠針對框架內部信息進行檢查，并完成階段控制與處理任務。核電站總線可以將分布式系統進行通信整合，使相關數據能夠通過光纖進行傳遞，確保核電站儀表與控制系統可以維持正常運轉。核電站總線需要保證內部處理器能夠順利完成自動化任務，同時為操作監測、工程設計診斷的通信提供基礎條件[8]。在應用過程中，該總線可以與一體化系統網關相連接，繼而完成設備的整合與調試，為設備信息共享創設穩定渠道。

處理模塊主要利用系統信號計算設備完成任務操作，其能夠快速收集各種信號內容，包括PU、ET、DT 等計算機模塊，以確保相關信號能夠正常傳遞，并完成自動處理流程，為核電站的生產運行做好管理準備。

控制模塊主要包括自動化與過程操作兩部分，自動化能夠利用故障安全操作子系統（APF）以及自動控制子系統（AP）完成相關場景的智能化應對流程，確保核電站問題能夠在第一時間得到處理[9]。自動控制的核心部件能夠與核電站運行模式相整合，使其可以針對現場設備與系統進行智能操作，有利于降低事故出現概率，實現穩定運行目標。過程操作可以為系統控制提供數據交換平臺，能夠完成開環閉環管控以及邏輯管理、測量結果統計等諸多任務。

現場模塊主要包括傳感設備與測量變送裝置，其能夠利用網絡渠道發送統計數據，使總線系統可以順利完成信息交換流程，為后續系統的安全運行與管理提供重要條件[10]。除此之外，現場模塊還需要為系統安全以及控制模式提供緊急數據傳輸渠道，確保相關管理指令能夠得到妥善執行，降低出現問題的概率。

2.2.2 西屋Ovation+Advent

西屋Ovation+Advent 屬于新型核電站儀表與控制系統，其同樣采用分布式部署方案，典型結構如圖2。相對于西門子Teleperm XP+XS 系統而言，其基礎結構更加簡單，同時具有良好的應用效率，能夠在核電站管理工作中發揮重要影響作用。通常情況下，該系統主要包括4 個基礎層次，即操作控制級、通信級、過程控制級、過程界面級。

圖2 Ovation+Advent系統結構Fig.2 Ovation+Advent System structure

操作控制級主要用于管理員與系統之間的交互處理，其能夠提供人機接口界面，使管理人員快速瀏覽當前系統狀態，并利用操作設備完成指令發送。該系統接口界面主要分為安全與非安全兩種，安全級負責反應堆停堆處理以及專用驅動操控任務，其能夠通過硬接線完成指令發送，同時也可以在緊急狀態下通過盤上設備直接完成預設任務，確保災難性事故能夠得到及時處理。非安全級主要負責常規管理操作，其發送效率較高，同時無需特定處理即可進行操作管控[11]。

通信級主要利用以太網連接核電站內部設備與軟件平臺，其能夠以雙環冗余拓撲結構進行部署，有利于降低網絡故障對于整體運行效率的影響。同時，該系統采用了開放型網絡標準，可以利用計時環形令牌完成數據處理，基礎總線傳輸速率能夠達到100Mb/s。在實際運行過程中，系統能夠以200000 過程點/s 傳送速率進行工作，極限支持設備數量可達1000 個，可以為核電站運行提供完善的通信支持。

過程控制級主要負責核電站機組的保護與控制工作，其能夠利用數據傳輸平臺與計算機設備完成信息處理工作，同時其也需要根據安全等級進行分割，以確保核電站運行管理穩定性。該控制級安全界面主要包括反應堆維護、設施驅動系統等關鍵部分，在運行過程中需要通過權限驗證或其它方式，進入相應管理界面并完成操作。非安全界面主要包括核島控制、信息系統管理以及堆芯監測等任務模式，這些模塊對于整體穩定性影響較小，因此可以通過簡單操作方式進行管理。

過程界面級主要針對設備直連儀表裝置進行操作，包括傳感設備、變送裝置、執行設備等。在部署過程中，該級別主要采用硬接線進行處理，使邏輯機柜與現場多路轉換能夠通過遠程I/O 通道完成連接。同時，現場區域的智能化變送裝置也需要通過該模塊進行操作，通過定制化處理，系統可以針對此類設備發送控制指令，實現自動化管理目標，有利于核電站運行效率提升。

3 核電廠數字化儀表控制系統未來發展趨勢研究

3.1 革新應用觀念

隨著信息化技術不斷發展，數字化儀表控制系統的應用方案成熟度也會逐漸提升。在這種背景條件下，核電站管理層應當及時革新認知觀念，加強內部管理工作開放性，確保相關儀表控制系統能夠得到合理引進，并在經過科學審查后進行部署，為提高核電站運行效率與安全可靠性提供重要支持。同時，管理層也需要及時淘汰舊有技術設備，積極應用數字化儀表控制系統進行替換，確保核電站能夠緊跟技術發展，實現理想革新目標。

3.2 利用項目試點驅動技術發展

通過積極開展數字化儀表控制系統項目試點工作，可以使核電站運營項目獲得充足的理論與實踐支持，有利于降低后續技術推廣難度，實現數字化改革發展目標。同時，試點項目計劃有利于發現數字化儀表控制系統潛在問題，對于進一步改進方案與應用細節具有重要意義[12]。因此，需要重視項目試點工作，確保相關方案能夠得到實踐工作的有力支持。

3.3 完善改造方案

在核電站數字化建設改革過程中，對于舊有技術與設備的改造工作應當保持謹慎處理態度。核電站系統復雜程度相對較高，同時長期應用工況下可能會存在一些風險因素。若未落實系統化調研與分析工作，可能會導致潛在風險因素爆發，削弱核電站運行安全性，不利于維持穩定運行狀態。因此，改造工作應當落實深入調研活動，確保應用方案能夠在分析數據的支持下進行，使核電站能夠實現理想改造目標。

3.4 積極整合商用產品線

商用產品本質上具有較為成熟的應用特性，其經過了市場環境的嚴苛考驗，整體穩定性與安全性較強。因此，核電站在選用產品以及相關解決方案的過程中，可以考慮積極整合商用類型，確保改造升級工作能夠正常展開。同時，商用產品對于研發工作的需求較低，可以有效降低核電站基礎成本投入，幫助實現高效率升級目標，具有正面影響意義。

3.5 合理開發軟件平臺

對于儀表控制系統而言，軟件平臺的配套應用具有不可忽視的重要意義。為確保核電站數字化儀表控制系統能夠維持穩定應用狀態，需要積極研發相關軟件平臺，并落實后期維護跟進工作，及時修正軟件錯誤或其它應用性問題，確保核電站數字化儀表控制系統能夠達到理想應用效果。

3.6 進一步完善規范標準

規范標準對于數字化儀表控制系統具有重要影響意義，未來國內應當積極完善相關條例，確保核電站建設與更新改造能夠嚴格按照標準進行操作，降低出現問題的可能性。同時，規范標準也可以為國產數字化儀表控制系統提供重要參考，對于提高國內核電站自主性具有不可忽視的意義，值得進行深入研究。

4 結論

綜上所述，數字化儀表控制系統對于核電站具有顯著支持作用。通過深入研究應用現狀與系統案例，可以為核電站建設與更新改造提供理論參考，有利于相關方案的進一步發展，具有正面影響意義。