核电厂仪控系统ACDC类电源自动测试系统

（中科华核电技术研究院 北京分院，北京 100086）

核电厂仪控系统ACDC类电源自动测试系统

曾泽嵘，王健，陶长兴

（中科华核电技术研究院 北京分院，北京 100086）

核电厂仪控系统是核电站的神经中枢，要求能在恶劣环境下完成数据采集与处理、控制与调节、诊断、通讯等功能，因此对其供电电源有很高要求[1]。核电厂大修及日常维护中，需要测试诊断及老化试验的仪控电源备件种类繁多、数量巨大。通过分析核电厂对仪控电源备件测试诊断及老化试验的要求，针对核电厂仪控系统中数量最多ACDC类电源设计该测试系统，具有自动化程度高、可靠性、安全性等特点。

电源测试；Labview；核电站

0 引言

核电厂运行中仪控系统负责了整个运行过程中的数据采集与处理、控制与调节、诊断、通讯等功能，是核电厂的神经中枢；当出现设计基准事故或超设计基准事故时仍要求其能正常可靠运行，因此其供电电源就尤为重要。核电厂仪控电源备件种类繁多、数量巨大，在电厂大修以及日常维护中需对所有电源备件进行检测、诊断以及老化试验，其投入人力大，记录耗时繁琐，由人为因素导致不可靠性增大。

通过分析核电厂在电源备件管理中的实际需求，针对大亚湾核电站数量最多的仪控AC/DC电源设计该自动测试系统。该系统基于CPCI平台搭建，Labview环境下开发，一次侧电源与负载通过GPIB实现程控，具有高自动化程度、可靠性安全性高等特点。该系统可用作核电站仪控电源备件的日常检测诊断与管理的工具，对核电厂通用电源检测与老化试验平台的搭建有借鉴意义；同时对国内核电厂电源检测专业标准及指导性文件缺失[2]的现状是以补充。

1 核电厂AC/DC仪控电源特性分析

压水堆核电站包括大小20余类系统[3]，以大亚湾核电站为例，其中AC/DC类仪控电源大概有32种，分布于RGL、GRE、RPN等10余种系统中。这些仪控电源输入/输出特性与数量以及接口形式各异，输入主要以220V、110V及20V交流供电为主，输出电压主要以5V、12V、24V设备电源为主但输出电流差异较大，有几十毫安到几十安不等；其接口形式分为边缘连接（金手指）、旋拧及压接3种形式。因此，在系统设计中应充分考虑到配置的灵活性与安全性以及接口形式匹配的通用性。

2 核电厂AC/DC仪控电源测试参数分析

根据针对核电厂仪控电源日常维护中测试诊断实际需求的分析调研，并参阅《GB/T14714-2008微小型计算机系统设备用开关电源通用规范》和《SJ20825-2002军用装备直流供电电源总规范》相关内容[4,5]，确定核电厂AC/DC仪控电源测试参数表1所示。

表1 核电厂AC/DC仪控电源测试参数Table1 Nuclear power plant AC/DC instrument control power supply test parameters

图1 系统结构示意图Fig.1 System structure diagram

图2 测量原理示意Fig.2 Measuring principle

图3 电压/电流采集卡原理示意图Fig.3 Voltage/current acquisition card principle diagram

3 系统结构

本系统基于CPCI总线平台搭建完成，其系统结构如图1所示。系统以被测对象为中心划分为一次侧与二次侧，一次侧为直流程控电源，为被测电源供电；二次侧为电子负载，可工作于恒流/恒压/横阻模式下以实现不同测试目标下的拉载动作。程控电源与电子负载均通过GPIB级联方式与PXI主机进行通讯；电子负载的负载变化速率须满足SR≥0.2A/us，并且提供相应的触发信号以实现瞬态动作下的参数测试。根据核电厂AC/DC仪控电源输出数量多、参数差异较大的特点，负载单通道参数以及通道数量需涵盖50%以上的被测对象并且具有方便的可拓展性。示波器通过拾波器连接于被测对象输出端根部以进行纹波测量与瞬态变化波形的抓取。为保证核电厂备件的安全，其一次侧与二次侧两端都需要进行必要的限值保护并且有报警功能。

4 测量原理

本测试系统的基本电气设计遵循工业测量的四线制方式，功率线与信号线分开以实现电流电压的单独测量，保证测量结果的准确性与可靠性，如图2中所示实线为功率线，虚线为信号线。核电厂仪控电源绝大多数都有较为良好的输入特性，但为了保证测量结果的有效性同时也为了保护仪控电源备件及系统设备，要求一次侧供电电源精确补偿输出电压至被测电源根部。在电压/电流测量单元中电压信号与电流信号通过独立端口接入，而输出端仍然保持四线的方式连接电子负载以保证其就地显示值准确。

5 硬件设计

本测试系统硬件部分主要包括控制主机、直流程控电源、电子负载以及电压/电流测量卡、示波器以及测试转接台。

5.1控制主机

主机机箱选用PXI总线机箱，配有标准14槽PXI底板，1个系统槽和13个外设槽；控制器支持32bit/33MHzPXI总线，配有2.2GHz主频CPU，2GB/DDRII内存以及320G系统硬盘。主机另配有1块GPIB通信卡以及2个USB2.0，设备以级联方式通过GPIB实现通讯。

5.2电压/电流采集卡

电压与电流的采集在采集卡原理示意图如图3所示，其内部分别由0.1%，10ppm精密电阻网络以及霍尔传感器实现，其中霍尔传感器精度优于0.5%，线性度优于0.1%。采集的电压/电流信号经过调理电路后经由12bit/1MHz的ADC与隔离模块后进入FPGA处理。电压/电流采集卡通过本地总线桥接芯片与CPCI总线匹配，板卡直接在控制主机机箱可插拔。电压与电流信号通过高速开关切换使用ADC，其最终的采样速率为200KHz，电压测量精度为0.1%，电流测量精度为0.5%。

5.3程控电源与电子负载

本测试系统中程控电源选用的交流程控电源为220VAC常规供电，输出单相交流电压150/300V自动量程切换，精度0.2%F.S.，功率1500VA，频率范围15～1KHz；支持输出电压状态变化触发，VSR可到10V/ms，带有超值超限保护功能，支持GPIB及RS232控制。电子负载为模块化可扩展组件，单通道参数为20A/80V/100W与80A/80V/400W两种，可在恒流/恒压/恒功率/恒阻抗模式下工作，可编程电流斜率、负载周期及拉载电压，电流斜率可到2A/us；带有过电

流/功率、超温报警以及反向极性报警功能。

图4 测试系统软件设计Fig.4 Test system software design

图5 开机时间测试流程Fig.5 Boot time testing process

5.4示波器与测试转接台

本测试系统中示波器选用200M带宽，4通道隔离输入，1M存储深度，1.25G采样率泰克示波器，配有7英寸液晶显示器并能进行29种自动参数测试；其在系统中的功能是进行纹波测量以及抓取瞬态阶跃响应以及开关机特性的波形。

测试转接台由台架、适配器背板、功率端接口、信号端接口以及触发端接口组成，其功能是为适应核电厂AC/ DC仪控电源形式多样的接口，将被测对象快速便捷并准确可靠接入本测试系统。测试转接台架适用边缘连接方式以及压接旋拧方式的被测对象；通过航插方式与系统资源实现快速准确对接。触发端口用以转接设备提供的触发信号供给示波器使用。

6 软件设计

考虑到核电厂AC/DC类仪控电源种类繁多、各项参数差异化大并且待测项较多，参数配置繁复，因此采用流程化、模块化的思路设计本测试系统软件。本测试系统软件基于Labview环境开发，其对虚拟仪器概念支持的特点[6]切合前述设计思路。

6.1功能设计

面向用户的功能性设计方面需考虑到核电厂日常维护对仪控电源备件管理特点，数量巨大的各类仪控电源隶属于不同专业科管理，负责日常测试诊断的工程师面向的是全厂各类备件，因此用户不一定对每一块被测电源熟悉；并且备件数量巨大，记录与数据整理繁琐，因此本测试系统软件功能方面需实现定制化、流程化的一键测试并提供详细的被测电源信息[7]。

从图4可看到本系统软件面向用户分为用户管理模块、测试项配置模块、测试监督模块、报表模块以及自检模块。

1）用户管理模块：实现用户登录控制、报表以及被测电源信息管理。

2）测试项配置模块：针对具体测试需求用户自由组合待测的测试项目，然后可进行一键测试。

3）测试监督模块：用户可实时观察并监督测试过程，可随时暂停或者停止，也可根据测试系统提示进行一些辅助操作。

4）报表模块：自动生成测试报表，用户可方便进行备注与管理。

5）自检模块：实现系统设备自检。

6.2底层模块及流程设计

该部分设计由5部分组成，其中程控电源控制模块、电子负载控制模块与示波器控制模块属于设备控制模块，其给出了系统设备在测试过程中使用到的所有功能接口。参数配置模块包含针对设备控制模块所有参数配置接口对接的资源，并针对核电厂每一种AC/DC仪控电源都建立一份配置文件，以.xml形式保存在系统文件夹中，高阶用户可在参数配置模块中对配置文件进行修改。测试流程模块定义了执行某一项测试项目中设备控制模块需要进行的每一步动作，高阶用户也可在该模块中根据具体测试需求调整某具体测试项目的测试流程。

以开机时间测试为例，如图5中所示测试流程模块定义了每一步测试动作，每一步测试动作通过设备控制模块执行设备动作，在该过程中参数配置模块给每一步动作赋值。

7 结束语

通过对核电厂AC/DC类仪控电源的数量、种类、电气参数、结构、接口形式等特性进行分析，结合对核电厂大修及日常维护中对仪控电源测试诊断的具体需求，设计了本电源自动测试系统。本系统具有高自动化程度、可靠性安全性高等特点；目前已在现场投入使用，是核电站仪控电源备件日常检测诊断与管理的工具，同时对核电厂通用电源检测与老化试验平台的搭建有借鉴意义。

[1]张东宏．核电厂DCS系统供电电源的方案的应用分析[J]．西北水电,2013．

[2]董宁．工业电源通用型测试平台研究[D]．北京：北京交通大学,2012．

[3]广东核电培训中心．900MW压水堆核电站系统与设备[M]．北京：原子能出版社,2005．

[4]GB/T 14714-2008微小型计算机系统设备用开关电源通用规范[S]．

[5]SJ 20825-2002军用装备直流供电电源总规范[S]．

[6]杜红霞．基于LabVIEW的DC/DC性能测试系统的研究与设计[D]．西安：陕西科技大学,2013．

[7]鞠文耀．电源自动测试技术研究[G]．第十八届全国电源技术年会论文集．

Auto-Testing System for AC/DC Power Supplies of I &C System of Nuclear Power Plants

Zeng Zerong，Wang Jian，Tao Changxing
（Beijing Division, China Nuclear Power Research Technology Institute, Beijing 100086,China）

I&C Systems are the nerve center of the nuclear power plants, which is required to function good of data-acquisition and processing, control and regulation, diagnostic, communication etc. in hash environments, thus it's extremely strict for its power supply. In the overhaul and regular maintenances of nuclear power plant, the I&C system power supplies under testing or diagnostic and aging test are in various sorts and in large number. By analyzing the requirements of nuclear power plants, here presence a design of auto-testing system for AC/DC power supplies, which have features of highly automatic, reliability, safety etc.

power supplies testing; Labview; nuclear power plant

TK

A

1671-1041(2014)06-00039-03

2014-09-15

曾泽嵘（1988-），男，硕士，从事电气仪控设备、板件、电子元器件故障诊断、老化与可靠性分析以及相关诊断系统设计。