摘 要：福建省寧德核電站是采用數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)的核電站之一，具有先進的設計理念和思想，提高了自動化水平，系統(tǒng)設計滿足單一故障、多樣性、獨立性以及可試驗性等設計準則。本文介紹了寧德核電站數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)的功能、總體結構、設計特點以及定期試驗等方面的內(nèi)容。

　　關鍵詞：核電站;數(shù)字化;冗余性;多樣性;拓撲結構;共模故障

　　0 引言

　　由于核電站對核安全的特殊要求，一直以來核電站大都采用傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)，數(shù)字化儀控系統(tǒng)在核電站的應用較少，以分散控制系統(tǒng)（DCS）為設計思想的數(shù)字化控制系統(tǒng)在常規(guī)火電廠得到了普遍應用 [7]。隨著計算機軟硬件的快速發(fā)展，數(shù)字化儀控系統(tǒng)所具有的開放性、高可靠性、快速性和可操作性逐漸被認可，同時由于數(shù)字化儀控系統(tǒng)可靠性的逐步提高以及使用經(jīng)驗的積累，核電站采用數(shù)字化控制系統(tǒng)成為可能，是發(fā)展趨勢。目前，已經(jīng)采用全范圍數(shù)字化控制系統(tǒng)的核電站有田灣核電站、嶺澳一期核電站常規(guī)島系統(tǒng)和設備[4,5]。數(shù)字化控制系統(tǒng)具有常規(guī)模擬量控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)越性，也是提高核電站綜合自動化水平的必要手段。作為核電站最重要系統(tǒng)之一，反應堆保護系統(tǒng)逐步采用數(shù)字化保護系統(tǒng)已成為趨勢，它是核電站全范圍DCS的安全級部分。目前在建的核電站，例如嶺澳二期、紅沿河核電站、寧德核電站等，均采用數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)。

　　1 反應堆保護系統(tǒng)

　　1.1. 功能

　　反應堆保護系統(tǒng)是核電站最重要的安全系統(tǒng)，屬于核電廠1E級電氣設備，它包括緊急停堆系統(tǒng)和專設安全設施驅動系統(tǒng)。反應堆保護系統(tǒng)監(jiān)測與反應堆安全有關的參數(shù)，當這些參數(shù)超過預設的保護定值時，自動觸發(fā)緊急停堆及啟動相應專設安全設施，以限制事故的發(fā)展和減輕事故后果，防止放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境釋放，保證核電站設備和人員的安全。同時還應向操作人員提供手動控制手段和相關系統(tǒng)和設備狀態(tài)信息。

　　1.2. 設計準則

　　反應堆保護系統(tǒng)設計應遵循如下準則[1]：自動保護、單一故障準則、多樣性、可試驗性以及獨立性原則等?！皢我还收蠝蕜t”是指單一保護系統(tǒng)通道或系統(tǒng)部件故障都不得妨礙保護系統(tǒng)的正常動作，要滿足單一故障準則，反應堆保護系統(tǒng)應具有足夠的冗余度;通過功能多樣性和設備多樣性來避免共模故障是核電站儀控設計的基本原則之一[6];“故障安全準則”是指在失去能源條件下能夠發(fā)生停堆，系統(tǒng)通道或部件發(fā)生故障時，不需要采取任何操作而使保護系統(tǒng)的功能處于安全狀態(tài)。

　　2 寧德核電站數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)設計

　　2.1 總體結構

　　寧德核電站反應堆保護系統(tǒng)采用日本三菱公司的MELTAC-Nplus R3系統(tǒng)，主要完成核安全級系統(tǒng)和設備控制功能，如反應堆跳閘保護邏輯、專設安全設施驅動、事故后監(jiān)測等，它是一體化全范圍DCS系統(tǒng)的安全級部分，其總體結構見圖1。

圖1 數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)結構示意圖

　　為滿足保護系統(tǒng)各方面的設計要求，寧德核電站反應堆保護系統(tǒng)總體結構采用A、B兩列，四個冗余的保護測量通道，兩個冗余的邏輯處理單元，在列與列、通道與通道之間，實現(xiàn)物理與電氣隔離[2]，具有獨立性，互不影響。數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)主要包括：安全級的測量儀表、反應堆保護柜（RPC）、專設安全設施驅動柜（ESFAC）、安全邏輯機柜（SLC）、通訊網(wǎng)絡、多樣性驅動系統(tǒng)（DAS）及停堆斷路器等。

　　在安全級測量儀表與數(shù)據(jù)采集通道之間、邏輯處理輸出與停堆斷路器之間、主控室手動控制設備與保護系統(tǒng)之間采用硬接線方式連接，其它均采用網(wǎng)絡方式通訊，網(wǎng)絡采用雙網(wǎng)冗余環(huán)形拓撲結構。

　　2.2 安全級顯示單元（SVDU）

　　采用SVDU是本系統(tǒng)的一大特點，SVDU是三菱公司基于最小化后備盤思想而設計的，SVDU具有觸摸屏功能，主要用來控制安全級設備的操作。運行操作人員從NC-VDU調(diào)用安全級設備，通過網(wǎng)絡將調(diào)用信號傳送至SVDU，在SVDU上彈出操作面板，運行操作人員利用觸摸功能實現(xiàn)對對象的控制。本系統(tǒng)共有16個SVDU，分別分布在后備盤（BUP）、操作臺（OWP）、遠程停堆站（RSS）上，為滿足不同功能需求，三種SVDU的人機界面不盡相同。

　　2.3 反應堆保護柜（RPC）

　　每個保護通道由一組反應堆保護柜（RPC）及相關聯(lián)設備組成，每組反應堆保護柜（RPC）包含了兩個處理器子組，每個子組處理器冗余配置。RPC對傳感器輸入信號進行采集、運算處理，產(chǎn)生觸發(fā)信號分別送往緊急停堆斷路器和專設安全設施驅動系統(tǒng)，使反應堆緊急停堆，并根據(jù)需要驅動專設安全設施。RPC有四個通道，每個通道通過接受其它通道的觸發(fā)信號進行4取2邏輯表決，產(chǎn)生反應堆跳閘信號。每通道輸出通過硬接線輸出信號至相應的停堆斷路器，每個通道驅動兩個停堆斷路器。RPC保護通道之間進行電氣及實體隔離，通道之間相互獨立，互不影響。

　　2.4 安全專設驅動機柜（ESFAC）

　　ESFAC通過接收RPC信號并進行4取2邏輯表決完成系統(tǒng)級的邏輯驅動，同時ESFAC也接受來自后備盤、緊急操作盤手動控制信號。

　　2.5 安全邏輯控制柜（SLC）

　　SLC邏輯子系統(tǒng)通過接收系統(tǒng)級ESFAC邏輯驅動信號及其它系統(tǒng)信號（包括控制室手動指令）完成部件級的邏輯控制，并從DO輸出卡件輸出驅動信號至PIF卡控制現(xiàn)場安全級設備。

　　2.6 網(wǎng)絡結構

　　寧德核電數(shù)字化反應堆包含系統(tǒng)有Safety Bus、Safety System Bus和HM Data Bus三個網(wǎng)絡，其中Safety Bus屬于IE級， Safety System Bus和HM Data Bus屬于NC級，但三種網(wǎng)絡的物理結構相同，都為雙層網(wǎng)，拓撲結構采用雙網(wǎng)冗余環(huán)形結構。雙層網(wǎng)可靠性高，雙層網(wǎng)之間相互冗余備用，當單層網(wǎng)絡中有一處發(fā)生故障時，另一層網(wǎng)絡起作用，不會導致整個網(wǎng)絡癱瘓，不會影響數(shù)據(jù)傳輸，保證了系統(tǒng)的安全。

　　2.7 多樣性驅動系統(tǒng)（DAS）

　　多樣性驅動系統(tǒng)（DAS）由多樣性驅動機柜、后備操作盤及緊急操縱盤相關設備組成，多樣性驅動機柜由基于模擬技術的卡件組成，后備盤和緊急操縱盤由硬接線開關和繼電器等組成，DAS為數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)共模故障提供多樣性后備。

　　2.8 優(yōu)選邏輯控制模塊（PIF）

　　PIF卡安裝在SLC機柜里，其主要功能為邏輯優(yōu)選。PIF卡分別接受來自SLC機柜、后備盤（BUP）、緊急操作盤（ECP）的信號，這些信號經(jīng)過PIF卡的優(yōu)選邏輯選擇后直接控制現(xiàn)場安全級設備。

　　2.9 停堆斷路器

　　停堆斷路器有8個，A、B列各4個，A列為AX、AX′AY、AY′;B列為BX、BX′BY、BY′，每個通道的跳堆信號驅動2個斷路器，8個（4組）斷路器接點通過硬接線方式實現(xiàn)“四取二”邏輯跳堆,斷路器硬接線連接見“圖2”。

圖2 緊急停堆斷路器硬接線連接圖

　　當4個通道任何兩個通道有跳堆信號，對應斷路器接點斷開，切斷棒控系統(tǒng)電源，使控制棒落入堆底，實現(xiàn)緊急停堆。

　　停堆斷路器除接受來自數(shù)字化保護系統(tǒng)自動停堆信號外，還直接接受來自緊急控制盤（ECP）的手動停堆信號，實現(xiàn)反應堆保護的多樣性。

　　2.10 系統(tǒng)接口

　　數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)與其它系統(tǒng)或設備的接口設計原則：連鎖保護信號采用硬接線方式;安全級參數(shù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)絅C-VDU進行顯示;重要1E級顯示參數(shù)通過硬接線送到后備盤（BUP）常規(guī)指示儀表或PAMS系統(tǒng)顯示。

　　3 定期試驗（T1、T2、T3）

　　反應堆保護系統(tǒng)設計必須允許在功率運行期間從傳感器到最終的執(zhí)行元件輸入信號的所有環(huán)節(jié)進行試驗和檢查，保護系統(tǒng)的試驗不得影響保護系統(tǒng)的正常保護功能，這種試驗不會引起保護動作，除非實際存在實際保護的工況[3]。

　　寧德核電站數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)具有可試驗性，能夠完成從傳感器輸入、邏輯運算到驅動執(zhí)行機構完整試驗，定期試驗內(nèi)容包括T1、T2、T3三個部分，定期試驗示意圖見“圖3”

圖3數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)定期試驗示意圖

　　3.1 T1試驗

　　T1試驗是對反應堆保護系統(tǒng)模擬量保護通道試驗，主要包括參數(shù)互校 、探頭校驗等。

　　3.2 T2試驗

　　T2試驗是對反應堆保護系統(tǒng)邏輯量保護通道的試驗。

　　3.3 T3試驗

　　T3試驗是對反應堆保護系統(tǒng)執(zhí)行器及保護信號輸出功能試驗，包括三個方面的內(nèi)容：

　　Ø T3-1：停堆功能測試，通過斷路器定期試驗完成;
　　Ø T3-2：SLC和ESFAC功能試驗，可以真正觸發(fā)部分試驗;
　　Ø T3-3：SLC和ESFAC功能試驗，正常運行期間不能真正動作的執(zhí)行器，運行期間定期進行連續(xù)性試驗，大修期間執(zhí)行真正動作試驗。

　　4 結論

　　寧德核電站反應堆保護采用數(shù)字化保護系統(tǒng)，為防止共模故障，采用ATWS、ECP等多樣性[6]系統(tǒng)作為后備，系統(tǒng)設計滿足單一故障、多樣性、獨立性以及可試驗性等設計準則，其設計思想和理念具有科學性、先進性，值得其它新上馬核電站借鑒。反應堆保護采用數(shù)字化保護系統(tǒng)是趨勢，但鑒于反應堆保護系統(tǒng)的高安全性、高可靠性，以及目前我國安全級數(shù)字化控制系統(tǒng)的設計、制造水平較低，數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化，國外系統(tǒng)價格比較昂貴，且備品備件容易受制于人，因此，實現(xiàn)數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)的國產(chǎn)化將是我國自動化控制系統(tǒng)科技人員的使命和目標。

　　5 參考標準及文獻

　　[1] GB/T 13629-2008 . 核電站安全系統(tǒng)中數(shù)字計算機的適用準則.
　　[2] GB/T5963-1995，反應堆保護系統(tǒng)的隔離準則.
　　[3] GB5204-94. 核電廠安全系統(tǒng)的定期試驗與監(jiān)測.
　　[4] 伍廣儉，卓文標. 嶺澳核電站常規(guī)島控制系統(tǒng)的技術特點[J]. 廣東電力，2003，16（1）：23-26,45.
　　[5] 伍廣儉. 分散控制系統(tǒng)在核電站常規(guī)島的應用[J]. 電力建設，2001，22（9）：52-55,59.
　　[6] 曹建亭. 采用DCS實現(xiàn)核電站多樣性保護控制分析.現(xiàn)代電力，2007年 第24卷第06期.
　　[7] 印江，馮江濤. 電廠分散控制系統(tǒng)[M]. 北京：中國電力出版社，2006.