自主知识产权的核电站数字化仪控系统平台研制

江国进　刘春明　白　涛　孙永滨

(北京广利核系统工程有限公司,北京　100094)



自主知识产权的核电站数字化仪控系统平台研制

江国进刘春明白涛孙永滨

(北京广利核系统工程有限公司,北京100094)

全数字化仪控系统是先进核电站的重要组成部分，对保护核电站安全运行具有至关重要的作用。通过对安全级数字化仪控系统平台、专用仪控系统、管理工具软件、设备鉴定、V&V技术、多样性及纵深防御技术的研究，掌握了核电站数字化仪控系统技术，实现了核级DCS平台“和睦系统”的产品化及其工程应用。目前，该平台已通过专家鉴定，并开始在阳江核电站5#、6#机组进行工程实施，进一步提高了我国核电站的自主化率。

核电站数字化仪控系统自主知识产权国产化自主化安全级V&V

0　引言

仪控系统是整个核电站(nuclearpowerplant,NPP)的“中枢神经”系统，它对控制核电站安全运行、显示当前运行状态起着至关重要的作用，它是核电站运行的关键装备之一。目前，全数字化仪控系统被少数几家国外企业所垄断。为摆脱对外技术依赖，实现大型先进压水堆核电站数字化仪控系统的全面自主化和国产化，我国“十二五”国家科技重大专项——“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站专项”设置了“自主知识产权的核电站数字化仪控系统平台研制”课题，由北京广利核系统工程有限公司牵头完成核电站数字化仪控系统平台的研制，按照二代改进型和三代先进压水堆的具体应用要求，对平台进行工程应用设计和系统集成。该课题的顺利完成，使我国具备了自主研发、制造核电站全数字化仪控系统的能力，特别是实现了通用核安全级数字化平台“和睦系统”的产品化及其工程应用。

1　核电站数字化仪控系统发展概况

核电站仪控系统的发展经历了三个阶段。第一阶段是以CMOS、TTL组件搭建模拟电路，实现数据采集、处理、输出、显示等控制功能的控制系统，一般称之为模拟控制系统。第二阶段是在第一阶段的基础上，增加部分数字化控制(如PLC控制)，将模拟控制和数字控制混合运用的控制系统。为保证核电站的安全运行，在核岛主要采用模拟系统，而常规岛和辅助系统则采用了先进的可编程序控制器等基于计算机处理的控制系统。同时，第二阶段针对全厂的状态监视，配置了数据采集和监督控制系统(supervisorycontrolanddataacquisition，SCADA)。第三阶段为全数字化仪表控制系统，如分布式控制系统(distributedcontrolsystem,DCS)，以CPU、FPGA为典型器件，构成核电站全新的成套数字化控制系统，完成了数据计算和逻辑控制，并实现了数字显示。目前，该系统已全面应用于核岛、常规岛、辅助厂房部分。当前，核电站全数字化控制技术当前被少数几家外国企业所垄断。我国的田湾核电站1～4号机组、岭澳二期核电站和EPR、AP1000等堆型均采用国外DCS系统。核电站数字化仪控系统实现了全厂各个部分的一体化控制，彻底打破了分岛控制的局限性。该系统中，简单而高效的主控制室设计最大限度地降低了人因故障的风险；数字系统具有强大的网络通信能力，实现了全厂的协调控制与监视；更加完善的自诊断功能和冗余功能，使系统的可靠性大大提高；数字化控制系统的高度集成，减少了控制设备的数量和体积，极大地节省了核电站厂房空间。

2　核电站数字化仪控系统平台研制

为了使我国在核电仪控领域全面掌握数字化控制技术，并实现大型先进压水堆核电站数字化仪控系统的全面自主化，首先要完成数字化仪控系统平台的研制，然后按照二代改进型和三代先进压水堆的具体应用要求，对平台进行工程应用设计和系统集成，完成目标系统。按国际和国内的经验，研制分成三个阶段。

(1)技术预研和原理样机研制。

在国家863课题的支持下，广利核公司已经于2010 年10 月完成核安全级数字化控制系统原理样机的研发，实现了基本的反应堆保护功能，性能指标满足设计要求，为自主知识产权的核电站数字化仪控系统平台的研制奠定了技术基础。

(2)数字化仪控系统平台产品和工程样机研发。

自主知识产权的核电站数字化仪控系统平台研制处于此阶段，主要工作集中在核安全级数字化仪控系统平台的产品化和应用技术的研究。该阶段研究工作实现了完整的反应堆保护和安全监测功能，并从原理、技术两方面研究了其产品化、产业化延伸。

(3)目标系统工程项目实现。

本阶段计划将第二阶段的成果应用于实际工程项目，即石岛湾高温气冷堆、阳江核电站5#、6#机组。

自主知识产权的核电站数字化仪控系统平台研制的研究内容是按照二代改进型和三代先进压水堆的具体应用要求，对平台进行工程应用设计和系统集成，完成目标系统。该阶段包括以下三个方面的研究内容。

①国产核安全级系统的产品化及应用：完成具有自主知识产权的核安全级数字化仪控系统平台的产品化和应用技术研究，并直接应用于二代改进型和三代先进压水堆核电站。

②国产非安全级系统的数字化和一体化：完善国内已有的数字化仪控系统平台，实现核电专用仪控系统与数字化仪控平台的一体化和核电站汽轮机保护控制系统的国产化。

③研究核安全级系统的鉴定标准和实施方法：研究核安全级数字化仪控系统的软件验证与确认，以及设备鉴定的技术标准体系架构和实施方法。

为了更好地完成研制，由广利核公司牵头，中广核工程设计有限公司、环境保护部核与辐射安全中心、北京和利时系统工程有限公司联合参与，将研制内容分解为以下六个子课题。

①满足二代改进型和三代先进压水堆的核电站数字化仪控系统平台需求研究。

②自主知识产权的核安全级数字化仪控系统平台产品化和应用技术研究。

③非安全级数字化仪控系统平台升级、专用仪控数字化集成技术研究和汽轮机保护控制系统研制。

④数字化仪控系统平台设计管理工具软件研制。

⑤核安全级数字化仪控系统设备鉴定、软件验证和确认技术体系架构和实施方法研究。

⑥核电站仪控系统多样性及纵深防御技术研究和设备研制。

课题间的相互关系图如图1所示。

图1　课题间的相互关系图Fig.1　The interrelationships among projects

2.1数字化仪控平台需求

子课题1“满足二代改进型和三代先进压水堆的核电站数字化仪控系统平台需求研究”的主要研究内容包括以下六部分。

①通过对国内外相关法规、标准、规范、导则以及技术文档的研究，完成适用于二代改进型和三代先进压水堆数字化仪控系统平台的标准研究报告[1]。

②掌握核电站系统安全分级的原则：通过对核岛、常规岛、BOP功能需求分析，并根据其执行的核电站不同的安全功能，掌握数字化控制和保护系统的安全分级方法，满足单一故障、冗余性、多样性、独立性等原则，形成二代改进型和三代先进压水堆数字化仪控系统安全分级研究报告。

③通过对核岛、常规岛、BOP功能的分析，对数字化控制和保护系统的功能结构进行划分，完成数字化仪控系统功能设计和分配方案。

④完成数字化控制和保护系统的内部和外部接口设计规范的制定。

⑤完成核电站数字化控制和保护系统功能需求文件的编制，主要内容包括核电厂控制系统和反应堆保护系统的设计原则、功能和技术参数。

⑥完成控制室设计(包括主控室布局原则及布局方案)、人因工程分析报告、计算机化操作规程、人机界面设计(包括工艺流程图、图符单元、报警处理系统的需求分析及设计等)。

2.2平台产品化及应用技术

子课题2“自主知识产权的核安全级数字化仪控系统平台产品化和应用技术的研究”的主要研究内容包括以下五部分。

①通过对二代改进型和三代先进压水堆的反应堆保护和安全监测系统需求的研究，完成核安全级数字化仪控系统平台的总体设计。

②在已完成的自主化核安全级数字化控制系统原理样机的基础上，开展产品化设计和应用技术的研究[2]。

③开展核安全级数字化仪控系统平台软件验证与确认。

④研制满足二代改进型和三代先进压水堆设计要求的核安全级数字化仪控系统平台工程样机。该工程样机能实现反应堆紧急停堆、专设安全设施、事故后监视、支持系统、定期试验等功能；采用实体样机加信号模拟的方式，实现核安全级保护系统的全部功能。实体样机至少覆盖1～2 个冗余通道。

⑤开展核安全级数字化仪控系统平台定期试验技术的研究。

2.3专用仪控系统

子课题3“非安全级数字化仪控系统平台升级、专用仪控数字化集成技术研究和汽轮机保护控制系统研制”的主要研究内容包括以下四部分。

①通过对三代先进压水堆核电站核岛、常规岛、BOP工艺系统控制和监测功能的研究，开展平台产品的适应性升级，以满足三代先进压水堆对非安全级仪控系统平台的设计要求[3]。

②开展堆芯测量系统和棒控系统等专用仪控系统与数字化仪控平台一体化集成技术的研究。

③开展百万千瓦级以上级汽轮机保护系统(emergencytripsystem,ETS)和控制系统(digitalelectrichydrauliccontrolsystem,DEH)的研制。

④研制满足二代改进型和三代先进压水堆设计要求的非安全级数字化仪控系统平台工程样机。该工程样机主要包括满足系统测试的HMI画面，满足非安全级仪控系统运行的LEVEL1 层现场控制站及相关的服务设备、配电设备等。

2.4管理工具软件

子课题4“数字化仪控系统平台设计管理工具软件研制”的主要研究内容包括以下六部分。

①分析数字化仪控系统设计管理工具体系[4]。

②研制数字化仪控系统配置管理工具软件。

③研制数字化仪控系统需求管理工具软件。

④研制数字化仪控系统安全管理工具软件。

⑤研制数字化仪控系统产品可追溯性管理工具软件。

⑥研制数字化仪控系统产品缺陷管理工具软件。

2.5设备鉴定及V&V技术

子课题5“核安全级数字化仪控系统设备鉴定和软件验证和确认技术体系架构和实施方法研究”的主要研究内容包括以下五部分。

①主要通过借鉴IAEA导则、IEC标准、美国核管会(NRC)的安全审查大纲(SRP：NUREG-0800)及针对核电站数字化仪控系统的过渡性审查导则(ISG)，参考德国TüV对ArevaTXS系统审查和美国核管会(USNRC)对CommonQ审查的过程，并结合我国国情，编写我国核安全级数字化仪控系统安全审查研究报告。

②开展核安全级数字化仪控系统集成测试和设备鉴定试验技术的研究。

③开展核安全级数字化仪控系统软件V&V技术的研究[5]。

④研制核安全级数字化仪控系统软件V&V工具软件。

⑤研制核安全级数字化仪控系统危险和风险管理工具软件。

2.6多样性及纵深防御技术

子课题6“核电站仪控系统多样性及纵深防御技术研究和设备研制”的主要研究内容包括以下五部分。

①设计法规和标准的研究：确定多样性仪控系统(DAS)设计拟采用的设计法规和标准。

②多样性仪控系统(diverseactuationsystem,DAS)的需求分析：确定多样性自动控制要求、多样性手动控制要求、多样性监视要求、响应时间要求以及精度要求[6]。

③搭建和试验DAS多样性系统工程仿真样机。

④研制DAS设备研制，完成DAS设备设计报告。

⑤开展DAS测试，完成DAS设备测试报告。

3　关键技术识别

为全面掌握数字化仪控系统平台自主设计、制造、鉴定等核心技术，根据研究内容的分解，分析出核心共性关键技术的难点，采用逐个分析、专项研制攻关的原则，完成数字化仪控平台的研制工作。核心共性关键技术主要有以下六部分。

①提炼出二代、三代核电站仪控系统通用平台需求，作为其他子课题的输入。

②通过基于概率预测的可靠性定量分析技术、在线自诊断和定期试验技术、图形化的安全级控制保护算法描述语言和形式化验证方法、确定性嵌入式软件设计等关键技术，在国内首次实现了自主核级DCS平台的产品化。

③实现了非安系统平台升级，工程样机研制(包括堆芯测量系统和棒控系统一体化集成)及百万千瓦级核电站汽轮机保护控制系统的自主化技术[7]。

④实现了覆盖安全重要数字化仪控系统的需求、设计、实现、测试、安装和运行全生命周期过程的平台设计管理工具软件的自主化。

⑤形成了核级数字化系统设备鉴定、软件验证和确认的体系架构和实施方法[8]。

⑥采用单元化模块设计及FPGA技术，完成了核电站仪控系统多样性及纵深防御DAS设备研制。

4　平台产品与应用

广利核公司与三家联合单位通过4年的艰苦研制，开发出3个平台产品：核安全级数字化仪控系统平台(FirmSys)、非安全级数字化仪控系统平台(含汽轮机保护)[9]、核电站仪控系统多样性及纵深防御系统平台(基于FPGA技术的FitRel平台)。

拥有自主知识产权的核电站数字化仪控系统平台

可直接应用于二代改进型和三代先进压水堆核电站，并已确定应用于石岛湾高温气冷堆、阳江核电站5#、6#机组、红沿河核电站5#、6#机组、防城港核电站3#、4#机组(华龙一号)，打破了国外垄断，实现了国内自主化核安全级产品的首次应用。阳江5#、6#工程样机在2014年8月通过专家鉴定，为阳江5#、6#工程项目供货奠定了基础。到2016年底，具有自主知识产权的核电站全站DCS将交付使用。

5　结束语

拥有自主知识产权的核电站数字化仪控系统平台的成功研制，标志着我国全面掌握了核电站数字仪控技术，特别是实现了通用核级数字化仪控系统平台“和睦系统”的产品化及其工程应用。核电站数字化仪控系统的自主化将大幅降低核电站的工程建设和运行维护成本。相比国外系统，仅单台机组的DCS合同便可为国家节约数亿元人民币。

随着我国自主核电项目的开工建设和工程出口，核电DCS装备的自主化必将为国家核电项目的批量化建设和“走出去”贡献一份力量！

[1] 吴彬，张原，赵勇.面向核电数字化仪控平台研发的需求收集方法研究[J].自动化博览，2013(3)：80-82.

[2] 马光强，杜乔瑞，石桂连，等.先进核安全级仪控系统通信协议技术研究[J].仪表仪器用户，2013(5)：28-30.

[3] 孟庆军，刘元，马吉强.核电站非安全级数字化仪控系统国产化及自主化工作实践[J].自动化博览，2013(4)：78-82.

[4] 王丽君，张春雷，冀建伟，等.核电项目技术变更管理系统的设计[J].自动化博览，2013(1)：82-84.

[5] 申高军，张磊，张冬伟，等.三维需求矩阵在核电安全级DCS软件V&V中的研究与应用[J].仪器仪表用户，2013(5)：31-35.

[6] 国家能源局.NB/T20300-2014 核电厂安全重要仪表和控制系统执行A类功能系统的HDL编程的集成电路开发[S].核工业标准化研究所，2014.

[7] 谢志勇，李宁，白涛，等.一种反应堆冷却剂失水事故监督系统：ZL201120157137.X[P].2011.

[8] 国家能源局.NB/T20272-2014 核电厂软件评审和审核[S].核工业标准化研究所，2014.

[9] 郑伟智，朱毅明，李相建，等.一种多功能驱动模块：ZL201110221777.7[P].2013.

ResearchontheNPPDigitizedI&CSystemOwnsIndependentIntellectualPropertyRights

Fullydigitizedinstrumentandcontrolsystemisanimportantpartofadvancednuclearpowerplant(NPP),anditisacriticalroletoprotectthesafeoperationofnuclearpowerplant.Throughstudyingvarioustechnologies,includingthesafetyleveldigitizedI&Cplatform,dedicatedI&Csystem,managementtoolssoftware,equipmentverification,V&V,diversityanddefenseindepth,etc.,thetechnologyofNPPdigitizedI&Csystemismastered,andtheproductizationandengineeringapplicationofnuclearleveldigitizedI&Cplatform“FirmSys”areachieved.Atpresent,thisplatformhasbeenevaluatedbyexperts,andappliedinNo.5#& 6#unitsofYangjiangnuclearpowerplant,whichfurtherenhancestheindependentrateofnuclearpowerplantinourcountry.

NuclearpowerplantDigitizationI&CsystemIndependentintellectualpropertyrightsLocalizationAutonomizationSecuritylevelV&V

江国进(1964—)，男，1983年毕业于福州大学电子计算机技术专业，获学士学位，研究员级高级工程师；长期从事核电站自动化控制技术的研究。

TH-3;TP273

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610018

国家科技重大专项基金资助项目(编号：2011ZX06004-030)。

修改稿收到日期：2016-07-04。