壓水堆核電站數字化反應堆保護系統設計

　　摘 要：福建省寧德核電站是采用數字化反應堆保護系統的核電站之一，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字化反應堆保護系統的功能、總體結構、設計特點以及定期試驗等方面的內容。

　　關鍵詞：核電站;數字化;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的模擬控制系統，數字化儀控系統在核電站的應用較少，以分散控制系統（DCS）為設計思想的數字化控制系統在常規火電廠得到了普遍應用 [7]。隨著計算機軟硬件的快速發展，數字化儀控系統所具有的開放性、高可靠性、快速性和可操作性逐漸被認可，同時由于數字化儀控系統可靠性的逐步提高以及使用經驗的積累，核電站采用數字化控制系統成為可能，是發展趨勢。目前，已經采用全范圍數字化控制系統的核電站有田灣核電站、嶺澳一期核電站常規島系統和設備[4,5]。數字化控制系統具有常規模擬量控制系統無法比擬的優越性，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之一，反應堆保護系統逐步采用數字化保護系統已成為趨勢，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，均采用數字化反應堆保護系統。

　　1 反應堆保護系統

　　1.1. 功能

　　反應堆保護系統是核電站最重要的安全系統，屬于核電廠1E級電氣設備，它包括緊急停堆系統和專設安全設施驅動系統。反應堆保護系統監測與反應堆安全有關的參數，當這些參數超過預設的保護定值時，自動觸發緊急停堆及啟動相應專設安全設施，以限制事故的發展和減輕事故后果，防止放射性物質向周圍環境釋放，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和設備狀態信息。

　　1.2. 設計準則

　　反應堆保護系統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”是指單一保護系統通道或系統部件故障都不得妨礙保護系統的正常動作，要滿足單一故障準則，反應堆保護系統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生停堆，系統通道或部件發生故障時，不需要采取任何操作而使保護系統的功能處于安全狀態。

　　2 寧德核電站數字化反應堆保護系統設計

　　2.1 總體結構

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

圖1 數字化反應堆保護系統結構示意圖

　　為滿足保護系統各方面的設計要求，寧德核電站反應堆保護系統總體結構采用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，實現物理與電氣隔離[2]，具有獨立性，互不影響。數字化反應堆保護系統主要包括：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）、通訊網絡、多樣性驅動系統（DAS）及停堆斷路器等。

　　在安全級測量儀表與數據采集通道之間、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之間采用硬接線方式連接，其它均采用網絡方式通訊，網絡采用雙網冗余環形拓撲結構。

　　2.2 安全級顯示單元（SVDU）

　　采用SVDU是本系統的一大特點，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調用安全級設備，通過網絡將調用信號傳送至SVDU，在SVDU上彈出操作面板，運行操作人員利用觸摸功能實現對對象的控制。本系統共有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，產生觸發信號分別送往緊急停堆斷路器和專設安全設施驅動系統，使反應堆緊急停堆，并根據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信號進行4取2邏輯表決，產生反應堆跳閘信號。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邏輯子系統通過接收系統級ESFAC邏輯驅動信號及其它系統信號（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卡控制現場安全級設備。

　　2.6 網絡結構

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

　　2.7 多樣性驅動系統（DAS）

　　多樣性驅動系統（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為數字化反應堆保護系統共模故障提供多樣性后備。

　　2.8 優選邏輯控制模塊（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，這些信號經過PIF卡的優選邏輯選擇后直接控制現場安全級設備。

　　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“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，切斷棒控系統電源，使控制棒落入堆底，實現緊急停堆。

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

　　2.10 系統接口

　　數字化反應堆保護系統與其它系統或設備的接口設計原則：連鎖保護信號采用硬接線方式;安全級參數通過網絡傳輸到NC-VDU進行顯示;重要1E級顯示參數通過硬接線送到后備盤（BUP）常規指示儀表或PAMS系統顯示。

　　3 定期試驗（T1、T2、T3）

　　反應堆保護系統設計必須允許在功率運行期間從傳感器到最終的執行元件輸入信號的所有環節進行試驗和檢查，保護系統的試驗不得影響保護系統的正常保護功能，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]。

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

圖3數字化反應堆保護系統定期試驗示意圖

　　3.1 T1試驗

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

　　3.2 T2試驗

　　T2試驗是對反應堆保護系統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執行器及保護信號輸出功能試驗，包括三個方面的內容：

　　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行器，運行期間定期進行連續性試驗，大修期間執行真正動作試驗。

　　4 結論

　　寧德核電站反應堆保護采用數字化保護系統，為防止共模故障，采用ATWS、ECP等多樣性[6]系統作為后備，系統設計滿足單一故障、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。反應堆保護采用數字化保護系統是趨勢，但鑒于反應堆保護系統的高安全性、高可靠性，以及目前我國安全級數字化控制系統的設計、制造水平較低，數字化反應堆保護系統還沒有實現國產化，國外系統價格比較昂貴，且備品備件容易受制于人，因此，實現數字化反應堆保護系統的國產化將是我國自動化控制系統科技人員的使命和目標。

　　5 參考標準及文獻

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