核电站电源可靠性检测系统设计

王 健，邱建文，曾泽嵘

(中广核研究院有限公司北京分公司,北京 100086)

0 引言

当前，核电厂越来越关注重要仪控系统的老化管理和可靠性分析。电源是核电站仪控系统的重要组成部分，其可靠性和质量在一定程度上决定了仪控系统的稳定度、可用率以及控制功能的有效性。因此，需要开发核电站电源可靠性检测系统，对电源进行定期性能测试，以建立基础数据库，为核电站电源的可靠性分析和评价积累数据。

由于核电站工艺复杂,控制要求和功能要求不同[1]，控制层的仪控系统由不同供应商设计和供货，从而导致核电站仪控电源的种类较多，接口、技术参数和要求各不相同。同时，由于工作环境的不同，核电行业对电源的可靠性检测提出了严格的要求。行业内对核电站仪控系统测试系统有广泛的研究[2-3]，对于作为仪控系统重要组成部分的电源来说，其可靠性检测同等重要。本文设计了一种核电站电源可靠性检测系统，以适应核电站电源种类繁多、检测标准严格的要求。

1 核电站电源分级

核电站仪控电源按照供电要求的不同，主要分为两大类：交流稳压电源和直流稳压电源，具体可以细分为AC/DC、AC/AC、DC/DC及DC/AC四种类型。按照电源所处控制系统的功能以及系统电源可靠性设计区分，电源又可以分为以下三大类。

①L1级电源：核安全级系统中，执行安全保护功能的控制系统部分的供电电源或单一故障能导致停机停堆的电源。

②L2级电源：非执行安全保护功能的控制系统部分的供电电源，但其失效可能引起核安全相关设备功能水平降低。

③L3级电源：除L1级和L2级外的电源。大多数电源属于该类型。

2 电源可靠性检测标准要求

测试项目如表1所示。

表1 测试项目Tab.1 Test items

目前，核电行业已编制出版标准《NB/T 20197.3-2014 核电厂仪表和控制设备可靠性及老化检测 第3部分：电源》[4]，规定了核电厂仪控系统使用电源的特性参数、通用要求和检测方法。标准中将对电源的检测分为备件验收检测、烤机筛选检测、现场电源定期检测、老化状态检测、老化缓解后功能验证和失效分析六类。六类检测包括17项具体的测试，检验项全面。检验要求严格，包括了电源的各类典型参数以及功能特性。核电站电源可靠性检测系统应能对这些项目进行检测。

3 设计实现

3.1 基本测量原理

核电站电源可靠性检测系统的基本原理如图1所示。

图1 系统原理图Fig.1 Schematic diagram of the system

核电站仪控电源定义为被测电源。为对该被测对象进行测试，需要有以下三部分设备。

①一次侧电源：向被测电源供电，可以提供一路或多路直流或交流电源。

②二次侧负载：作为被测电源的负载，可以调节处于电阻模式或阻容模式，用于模拟纯阻性负载或带有电容和电感的负载。负载可调，用于模拟被测电源的不同带载工况。

③采集设备：用于对被测电源输入端和输出端的电流和电压值以及纹波进行采集监测。

3.2 系统结构

核电站电源可靠性检测系统为适应各类电源，采用可扩展的框架式结构，分为设备资源部分以及接口箱部分。电源测试系统框图如图2所示。

图2 系统框图Fig.2 Block diagram of the system

设备资源包括设备柜、测控柜以及接口柜。设备柜主要安装各类一次侧程控电源、电子负载以及继电保护单元。测控柜主要用于一次侧和二次侧电压电流信号的调理和采集。示波器采集系统，用于纹波测量以及电源动态特性测试；工控机，用于上位机操作；键盘视频鼠标(keyboard video mouse,KVM)一体设备，用于鼠标键盘操作以及显示。资源接口面板主要用于汇集设备柜和测控柜的资源接口，最终形成四组定义好的端接口，由四根预制的线缆与被测电源接口箱进行连接。系统连接总体采用四线制，以减少线缆压降的影响，提高测量精度。

接口箱作为被测电源与资源接口的本地适配单元，对由接口柜提供的设备资源进行合理配置和预连接。灵活的配置方式，可以最大限度地利用现有资源，解决测试电源多样化、复杂化的问题。这部分工作由系统工程师完成，将系统复杂接口与用户隔离，进而提高用户的使用体验。

3.3 采集卡

为简化设计，采集卡设计为对一路输入的电流和电流同时进行调理和采集。电路功能主要分为：电压/电流调理电路、精密模数电路以及数据通信协议电路。在结构上，采集卡为标准3U卡，采用Compact PCI总线[5]，实现双路电压和电流信号的隔离采集。

3.3.1 电压调理

电压调理的作用是将电压信号进行适当比例的缩放和隔离后送至模数电路进行采样，并转换为数字信号。电源测试系统电压调理原理图如图3所示。

图3 电压调理原理图Fig.3 Schematic diagram of voltage conditioning

电压调理电路由精密分压电路、运算放大电路和隔离电路组成。精密分压电路将电压调整成测试系统标准电压，设计时要注意温度漂移和时间漂移的补偿。运算放大电路主要考虑高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。隔离电路可以对前后级进行隔离保护。

3.3.2 电流调整

电流调理卡的核心元器件为闭环霍尔电流传感器[6]。被测电流流过导体产生的磁场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流即可精确反映原边电流值。闭环霍尔电流传感器，用于测量直流、交流、脉冲电流[7]。

测量电流In通过磁芯的主边，在副边补偿线圈中产生感应电流Im。设计中，选用闭环霍尔电流传感器匝比为1∶1 000，原边电流输入为1 A时，副边感应电流为1 mA，用1 kW的采样电阻，获得电压值为1 V。 电源测试系统电流调理原理图如图4所示。

图4 电流调理原理图Fig.4 Schematic diagram of current conditioning

3.3.3 精密A/D电路实现

A/D电路实现原理图如图5所示。

图5 A/D电路实现原理图Fig.5 Schematic diagram of A/D circuit implementation

系统采用高速16位A/D芯片A/D7686，A/DR444提供精密基准源。A/D7686的输出通过ADuM1401进行隔离后送给现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)进行读取和处理。

3.3.4 CPCI实现

采集卡采用紧凑型外设部件互连标准(compact peripheral component interconnect， CPCI)总线。该总线是一种基于标准PCI总线的、小巧而坚固的高性能总线技术，由全球PCI工业计算机制造组织(PCI industrial computer manufacturers group,PICMG)于1994年提出。在电气、逻辑和软件方面，它与PCI标准完全兼容。目前，Compact PCI已在智能交通、电力、航空航天、医疗器械、水利等领域有了非常广泛的应用。CPCI实现如图6所示。

图6 CPCI实现图Fig.6 CPCI Implementation

PLX 9054作为一种接口芯片[8]，在CPCI总线和本地总线之间传递信息。FPGA芯片接口到PLX 9054，由该芯片与主控制器搭建一座硬件桥，完成数据传输。

PLX 9054工作于C模式。该模式是一种类似于单片机的工作方式。在这种工作模式下，9054芯片通过片间逻辑控制，将PCI的地址线和数据线分开，为本地工作时序提供各种工作方式。设计者只要严格地把握时序的控制，就可以实现CPCI总线的功能[9]。

4 上位机软件开发

上位机软件开发包括采集卡驱动和应用程序两个部分。驱动基于PLX SDK开发。PLX SDK是由PLX公司提供的、专门针对该公司生产的PCI Express接口芯片的软件开发工具包，可以快速地完成驱动开发。应用程序运行在Windows平台，界面基于wxWidgets开源库[10]，采用C#编程语言。在项目工程中，定义该对象类CPobject和连接类CConnect两个基础类。

图7 CPobject和CConnect基础类定义图Fig.7 Definition of CPobject and CConnect base classes

CPobject类定义了设备的属性和操作，系统中的各类设备均从该类派生。CConnect类定义了连接动作。由于系统中各类设备的连接协议不一致，从该类派生出GPIB、串口、并口以及USB通信协议类。

由于四类电源的测试项有区别，在软件设计时采用[MVC模式，即模型(model)-图(view)-控制器(controller)]，将业务逻辑、数据和界面显示分离开。不同类型的电源，对应一个配置文件，分别对测试项和界面进行定义。在测试时，根据电源型号自动加载用户动作和显示数据。

5 结束语

由于核电站电源可靠性测试系统在稳定度和测试要求方面的特殊性，系统在测量精度和安全性方面有较高的要求。本文从核电站电源可靠性测试标准及其具体实现入手，设计了一种核电站电源用可靠性测试系统。该系统采集卡基于CPCI数据总线，运用了电流电压调理电路以及高精度A/D采集电路，保证了系统测量精度和可用率，符合核电行业标准的要求。

参考文献:

[1] 任莉华,郎爱国,李世欣,等.核电站仪控系统可靠性和可用性分析计算[J].自动化仪表,2015,36(11):127-132.

[2] 韩寅驰,梅燕.核电站仪控系统的测试系统[J].电子测试,2016(9):13-14.

[3] 任莉华,杨海峰,黄伟杰,等.核电站仪控系统智能测试装置设计[J].核电子学与探测技术,2015,35(5):514-519.

[4] NB/T 20197.3-2014.核电厂仪表和控制设备可靠性及老化检测 第3部分：电源[S].北京:核工业标准化研究所,2014.

[5] 邢占春,曹芳菊,黄进燕,等.基于CPCI总线的多卡实现32路采集平台设计[J].无线电工程,2014,44(4):77-80.

[6] 王昱皓,钟贻兵,时圣利.高可靠霍尔电流传感器的研究和应用[J].新型工业化,2015(11):8-12.

[7] 王进阳,桂蓉.直测式5 V供电霍尔电流传感器设计[J].仪表技术,2016(12):42-45.

[8] 付宁,徐东东,杨易,等.基于PCI9054的PCI主模式板卡的设计[J].电子测量技术,2016,39(1):93-98.

[9] 裴向东,谭秋林,朱思敏,等.基于PCI总线的某数字量地面测试设备的设计[J].计算机测量与控制,2012(9):2326-2327.

[10]张枫,张晓民.wxWidgets事件处理机制[J].电脑与电信,2014(4):43-45.