全数字化仪控系统在方家山核电厂中的应用

熊之光，胡 劲

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

核电站数字化仪控系统控制着整个核电站从常规岛到核岛几乎所有的阀门、开关、继电器等，数据在系统中进行集中显示、计算处理并自动驱动执行机构，具有高可靠性、开放性、灵活性、协调性、易于维护、控制功能齐全等特点。它是核电站的大脑、神经中枢、运行中心和安全屏障，是整个核电站最关键、最核心技术的集中体现[1]。目前，国内新建核电站都将采用全厂数字化控制系统。

1 方家山全数字化仪控系统介绍

方家山核电厂是百万千瓦级压水堆核电机组，仪控

系统在系统功能、控制逻辑及功能分配上基本与参考电站保持不变，在硬件和系统结构上有很大的改进，采用了国际上成熟先进的全数字化系统，其中反应堆保护系统（RPR）基于Invensys 公司的安全级Triconex 平台，全厂过程控制系统基于Invensys 公司非安全级I/A Series 平台。以Triconex+I/A Series 构成电厂数字化仪控系统的主体结构，配以部分第三方专控系统，如汽轮机控制系统、堆外核测系统、棒控棒位系统，构成了方家山核电厂全数字化仪控系统。

1.1 全数字化仪控系统的总体结构

方家山核电厂DCS 系统总体结构如图1 所示。整个系统以全数字化（DCS）仪控系统为核心，由DCS 完成主要仪控系统的数据采集和处理、过程控制、信息显示及操作，并结合应急停堆盘（ECP）和后备盘（BUP），保证机组维持在安全状态。

1.2 仪控系统功能分层

仪控系统根据不同功能一共分为4 层，分别为：0 层（现场层）、1 层（自动化层）、2 层（显示操作层）、3 层（全厂技术管理层）[2]。

◇ 0 层 本级为与工艺设备接口，主要设备为：传感器、执行器，主要功能为：检测工艺参数和执行控制过程。

◇ 1 层 本级主要由安全级控制系统（反应堆保护系统）、非安全级的控制系统（蒸发器水位控制、稳压器压力控制等）、专控系统（汽轮机控制和保护系统、辐射监测系统等）以及它们各自的通讯与网络设备组成。主要功能为：数据采集、处理、逻辑处理、控制算法运算和产生自动控制指令。

◇ 2 层 本级是人机接口层，由主控室（包括电站计算机信息和控制系统、后备盘）、应急停堆盘等设施组成。主要功能为：处理机组数据，执行机组的监测、控制和信息显示。

◇ 3 层 更高级的电厂管理层，通过网络与2 层连接，以获取电厂的实时数据，把核电厂运行的主要信息提供给厂内或者厂外有关单位或部门。

1.3 仪控系统安全分级

方家山仪控系统分级主要参考“法国900MWe 压水堆核电站设计和建造规则”（RCC-P， 1995）进行，分为安全级（1E）和非安全级（NC）两大部分，具体分级见表1。

1.4 纳入DCS系统控制的原则

全数字化仪控系统具有数据全面，可靠性高、控制算法全面，诊断功能强大以及开放灵活的特点，为了发挥DCS 的优点，在设计中尽可能将核岛和常规岛控制系统纳入全数字化一体式设计，少量采用功能独立的专控设备。

在方家山项目中，核岛仪表控制系统主要由DCS 完成，核岛的专用仪控系统，如核仪表系统（R&R）、堆芯仪表系统（AREVA）、棒控棒位系统（R&R）等由于功能独立，又由专业工厂生产，故作为独立系统供货，预留与DCS 的接口。常规岛仪控系统中，汽轮机控制系统（Alstom）由汽轮机厂商供货，其他控制系统全部纳入DCS 系统。

图1 全数字化仪控系统结构图Fig.1 Structure of the fulldigital instrument control system

表1 仪控系统功能分级表Table 1 Instrument control system function grading table

2 方家山全数字化仪控系统的组成

2.1 Triconex平台

方家山安全级DCS（反应堆保护系统）基于TriconexV10 实现。安全级DCS 是核电厂最重要的安全电气设备，主要功能是自动维持核电厂反应性控制、余热排除和包容放射性物质。安全级DCS 的可靠性和可利用率的要求为：1）由DCS 设备故障引起的强迫性停堆之间的平均无故障时间应大于10 堆年；2）安全系统可靠性：误停堆概率≤0.1 次/年；失效概率 ＜10-7/次。安全级DCS 系统在设计中必须满足单一故障和故障安全原则。Triconex 主要特点是具备三重冗余功能，如图2 所示，采用TMR 将3 个独立、并联的控制系统和广量的在线诊断功能集成于一个系统中，该系统采用了3 取2 的表决方式，来提供高完整性、无误差、无单一故障的连续过程处理[3]。

图2 Triconex三重冗余Fig.2 Triconex triple redundancy

Triconex 内部通讯通过TCM（Tricon Communication Module）实现，与I/A Seris 的通讯通过ACM（Advanced Communication Module） 模 块 实 现， 支 持TS/TSAA、Nodebus、Modbus 等协议。

2.2 I/A Seris平台

方家山非安全级DCS 基于I/A Seris 8.x 平台实现。I/A主要由FCP270、数字量/模拟量输出输入模块、通讯模块构成。核电厂DCS 控制系统接收来自工艺系统的模拟量、数字量信号，对信号进行逻辑处理和控制算法，给出相应的输出信号以实现闭环的连续条件自动调节，保证工艺系统的稳态运行。在过程控制系统引入DCS，是提高核电厂经济性和可利用率的重要手段。核电厂主要控制系统有：反应堆功率控制、蒸发器水位控制、稳压器压力控制、稳压器水位控制。I/A 平台通过I/O 卡接收来自Triconex 的硬接线信号。I/A 使用FBM233 模块与Triconex 的ACM 模块链接，单向接受Triconex 发送的网络软信号。

2.3 P320平台

方家山汽轮机控制系统采用Alstom P320 V2 控制平台。因为汽轮机控制系统比较独立，各类参数调校DCS 总供货商没有办法完美理解，为了保持汽轮机控制的稳定性与可靠性，方家山选择了由汽轮机制造商供货控制系统，规定汽轮机控制系统的输出接口，方便在DCS 进行全局监控。

3 结论

数字化系统的使用，对机组的可靠性与安全性带来巨大的提升。目前，国内核电厂全厂DCS 控制系统基本由DCS 供货商提供安全级加非安全级产品，辅以部分专用控制系统组成。为了便于未来，应该逐步考虑将第三方供货的小型控制系统并入DCS，例如火灾、辐射监测等系统。