核电厂数字化仪表与控制系统的应用现状及发展趋势研究

2022-12-02周锦毅

仪器仪表用户 2022年12期

周锦毅

（浙江万纳核电检修有限公司，浙江海盐 314300）

核电属于国内电力网络的重要组成部分，受限于技术原理与材料等因素影响，核电厂运行安全风险相对较高，需要采取可靠的仪表与控制系统，确保生产流程能够正常进行。在传统体系下，国内核电站主要应用模拟仪表与控制系统作为配套设施。随着信息技术逐渐发展，数字化仪表与控制系统开始展露其应用优势。对此，核电厂需要明确相关仪表系统应用优势，确保其能够得到妥善部署，为未来革新发展提供重要助力。

1 核电厂数字化仪表控制系统优势

1.1 有利于抗干扰能力

通过应用数字化仪表控制系统，能够显著提高核电厂设施运行抗干扰能力，有利于克服数据漂移影响，继而提高日常运行测量与管理精度。相对于传统模拟仪表控制系统而言，数字化系统信息储量较为庞大，同时传输速率高，能够有效克服电磁干扰环境，有利于简化仪表与控制系统，为后续稳定运行创造理想条件[1]。根据NB-T 20218-2013《核电厂安全重要仪表和控制设备电磁兼容性试验要求》相关数据，核电厂数字化仪表应当达到相应标准的抗扰度级别，表1为射频电磁场抗扰度级别。除此之外，数字化仪表还应当达到传导、脉冲群、浪涌抗扰度标准，确保其能够维持正常运行，保障电力生产稳定，降低出现精度故障的概率。

表1 核电厂数字化仪表射频电磁场抗扰度级别一览Table 1 List of RF electromagnetic field immunity levels ofdigital instruments in nuclear power plants

1.2 有利于冗余安全设计

通过应用数字化仪表控制系统，能够有效提高核电站运行冗余性，有利于应对突发故障问题，并提高系统工作容错率，降低出现严重事故的概率。数字化仪表控制系统主要利用光纤完成信息交换，其能够设置旁通或在线检修、自动校正功能[2]。因此，相对于传统仪表而言，数字化仪表控制系统的冗余性较强，能够为安全设计方案提供重要支持。

1.3 有利于数据存储与交互

数字化仪表控制系统可以为信息存储与人机交互提供便捷条件，能够显著提高追溯工作简洁性，降低数据查询难度并提高存储安全级别。同时，数字化系统还可以对报警内容进行快速筛选，避免关键信息被数据流淹没的情况出现，有效提高了核电站运行安全性。除此之外，数字化系统允许对信息进行二次验证，能够为核电站监控与性能管理提供有利条件，具有重要应用优势。

1.4 有利于标准化建设

数字化仪表与控制系统可以采用标准化设计与部署方式，其软硬件通用程度较高，同时部署适应性强，可以在多种场景条件下进行应用，无需进行二次开发处理。同时，数字化仪表系统均经过了生产与长期应用的设计考验，因此整体稳定性较强，可以显著降低运行管理费用，对于维持核电站的稳定运行具有明显支持作用[3]。

1.5 有利于线上故障诊断

数字化仪表控制系统可以提供互联网登入接口，其能够允许技术员进行远程调试，并诊断可能的故障原因，为现场排查工作提供有力支持。同时，网络接口也可以发送检测或安全试验信号，能够降低由于误差原因导致停堆问题的可能性。在智能化方案加持下，数字仪表系统还可以通过分析相关运行数据，自动定位故障问题并尝试应用预制解决方案[4]。在重复尝试未获得正面结果的情况下，系统可以自动通知网络管理员，确保核电站运行安全。

1.6 有利于应用方案调整

相对于模拟仪表与控制系统而言，数字化方案能够对应用管理框架进行革新，使保护参数等关键数据的调整可以通过软件平台进行。通过此类方式，能够显著降低应用方案修改难度，有利于简化核电站运行管理流程，为节约工作成本提供重要支持。同时，数字化仪表控制系统还可以自动计算相关数据，对应用方案展开灵活调整，有利于平衡反应堆安全性与输出功率，帮助核电站提高运行效益，实现理想工作目标[5]。

2 核电厂数字化仪表控制系统应用现状与典型案例探究

2.1 应用现状

数字化仪表控制系统目前已经在核电站得到了较为广泛的应用，其基础类型相对丰富，可以简单分为模拟数字混合以及一体化数字两种。模拟数字混合系统又被称为DCS 方案，其基础模块建立在模拟控制基础上，通过整合大规模集成电路，实现数字化功能目标[6]。相对于传统的单一模拟控制方案，DCS 可以显著减少所需硬件与软件，同时可以提供数字化应用功能，使核电站仪表控制系统能够得到有效革新，在低成本前提下实现数字化发展目标。目前，国内广东岭澳核电站便是DCS 方案的典型案例之一，其核岛KIT/KPS 系统采用了法国生产的α4100，常规岛采用了ALSTOM P320，能够维持稳定的运行控制效果。

一体化数字控制系统在内部架构与整体软件层面全部应用了数字化方案，其应用效率相对较高，同时整体保护系统稳定性强，能够整合人机接口、光纤网络、智能化等应用技术，使核电站运行体系得到有效革新[7]。可以认为，一体化数字仪表与控制系统属于核电站未来发展的必然趋势，其能够帮助提高生产稳定性，同时也可以增强系统可拓展性，对于核电站创新建设具有重要支持意义。目前，较为常见的一体化数字控制系统包括西门子Teleperm XP+XS、美国西屋Ovation+Advent 等。

2.2 典型案例

2.2.1 西门子Teleperm XP+XS

西门子Teleperm XP+XS 属于一体化数字方案，其主要以分布式状态进行部署，能够有效利用集中计算机实现信号处理、测量控制与通信功能，有利于强化核电站运行稳定性与安全性，其典型架构如图1。在运行过程中，系统主要分为两个控制模块，模块间利用通信渠道完成数据交换，共同处理核电站运行生产任务。

图1 Teleperm XP+XS系统基础结构Fig.1 Teleperm XP+XS system infrastructure

Teleperm XP+XS 系统可以按照基础功能分为5 个基础模块，即机组、通信、处理、控制以及现场。机组模块主要面向主控室进行服务，其能够对工艺流程展开管理，通过整体监测与观察方式，建立主控区域与信息化系统之间的沟通接口。在实际应用阶段，机组模块需要向操作终端发送相关信息，使管理员能够及时获知核电站运行状态，并完成相应管理操作。除此之外，机组模块还需要自动进行信息的统计与文件归档，为后续追溯流程提供基础条件。

通信模块主要包括终端与核电站总线两个基础部分，终端总线处于实时监测状态，其能够针对框架内部信息进行检查，并完成阶段控制与处理任务。核电站总线可以将分布式系统进行通信整合，使相关数据能够通过光纤进行传递，确保核电站仪表与控制系统可以维持正常运转。核电站总线需要保证内部处理器能够顺利完成自动化任务，同时为操作监测、工程设计诊断的通信提供基础条件[8]。在应用过程中，该总线可以与一体化系统网关相连接，继而完成设备的整合与调试，为设备信息共享创设稳定渠道。

处理模块主要利用系统信号计算设备完成任务操作，其能够快速收集各种信号内容，包括PU、ET、DT 等计算机模块，以确保相关信号能够正常传递，并完成自动处理流程，为核电站的生产运行做好管理准备。

控制模块主要包括自动化与过程操作两部分，自动化能够利用故障安全操作子系统（APF）以及自动控制子系统（AP）完成相关场景的智能化应对流程，确保核电站问题能够在第一时间得到处理[9]。自动控制的核心部件能够与核电站运行模式相整合，使其可以针对现场设备与系统进行智能操作，有利于降低事故出现概率，实现稳定运行目标。过程操作可以为系统控制提供数据交换平台，能够完成开环闭环管控以及逻辑管理、测量结果统计等诸多任务。

现场模块主要包括传感设备与测量变送装置，其能够利用网络渠道发送统计数据，使总线系统可以顺利完成信息交换流程，为后续系统的安全运行与管理提供重要条件[10]。除此之外，现场模块还需要为系统安全以及控制模式提供紧急数据传输渠道，确保相关管理指令能够得到妥善执行，降低出现问题的概率。

2.2.2 西屋Ovation+Advent

西屋Ovation+Advent 属于新型核电站仪表与控制系统，其同样采用分布式部署方案，典型结构如图2。相对于西门子Teleperm XP+XS 系统而言，其基础结构更加简单，同时具有良好的应用效率，能够在核电站管理工作中发挥重要影响作用。通常情况下，该系统主要包括4 个基础层次，即操作控制级、通信级、过程控制级、过程界面级。

图2 Ovation+Advent系统结构Fig.2 Ovation+Advent System structure

操作控制级主要用于管理员与系统之间的交互处理，其能够提供人机接口界面，使管理人员快速浏览当前系统状态，并利用操作设备完成指令发送。该系统接口界面主要分为安全与非安全两种，安全级负责反应堆停堆处理以及专用驱动操控任务，其能够通过硬接线完成指令发送，同时也可以在紧急状态下通过盘上设备直接完成预设任务，确保灾难性事故能够得到及时处理。非安全级主要负责常规管理操作，其发送效率较高，同时无需特定处理即可进行操作管控[11]。

通信级主要利用以太网连接核电站内部设备与软件平台，其能够以双环冗余拓扑结构进行部署，有利于降低网络故障对于整体运行效率的影响。同时，该系统采用了开放型网络标准，可以利用计时环形令牌完成数据处理，基础总线传输速率能够达到100Mb/s。在实际运行过程中，系统能够以200000 过程点/s 传送速率进行工作，极限支持设备数量可达1000 个，可以为核电站运行提供完善的通信支持。

过程控制级主要负责核电站机组的保护与控制工作，其能够利用数据传输平台与计算机设备完成信息处理工作，同时其也需要根据安全等级进行分割，以确保核电站运行管理稳定性。该控制级安全界面主要包括反应堆维护、设施驱动系统等关键部分，在运行过程中需要通过权限验证或其它方式，进入相应管理界面并完成操作。非安全界面主要包括核岛控制、信息系统管理以及堆芯监测等任务模式，这些模块对于整体稳定性影响较小，因此可以通过简单操作方式进行管理。

过程界面级主要针对设备直连仪表装置进行操作，包括传感设备、变送装置、执行设备等。在部署过程中，该级别主要采用硬接线进行处理，使逻辑机柜与现场多路转换能够通过远程I/O 通道完成连接。同时，现场区域的智能化变送装置也需要通过该模块进行操作，通过定制化处理，系统可以针对此类设备发送控制指令，实现自动化管理目标，有利于核电站运行效率提升。

3 核电厂数字化仪表控制系统未来发展趋势研究

3.1 革新应用观念

随着信息化技术不断发展，数字化仪表控制系统的应用方案成熟度也会逐渐提升。在这种背景条件下，核电站管理层应当及时革新认知观念，加强内部管理工作开放性，确保相关仪表控制系统能够得到合理引进，并在经过科学审查后进行部署，为提高核电站运行效率与安全可靠性提供重要支持。同时，管理层也需要及时淘汰旧有技术设备，积极应用数字化仪表控制系统进行替换，确保核电站能够紧跟技术发展，实现理想革新目标。

3.2 利用项目试点驱动技术发展

通过积极开展数字化仪表控制系统项目试点工作，可以使核电站运营项目获得充足的理论与实践支持，有利于降低后续技术推广难度，实现数字化改革发展目标。同时，试点项目计划有利于发现数字化仪表控制系统潜在问题，对于进一步改进方案与应用细节具有重要意义[12]。因此，需要重视项目试点工作，确保相关方案能够得到实践工作的有力支持。

3.3 完善改造方案

在核电站数字化建设改革过程中，对于旧有技术与设备的改造工作应当保持谨慎处理态度。核电站系统复杂程度相对较高，同时长期应用工况下可能会存在一些风险因素。若未落实系统化调研与分析工作，可能会导致潜在风险因素爆发，削弱核电站运行安全性，不利于维持稳定运行状态。因此，改造工作应当落实深入调研活动，确保应用方案能够在分析数据的支持下进行，使核电站能够实现理想改造目标。

3.4 积极整合商用产品线

商用产品本质上具有较为成熟的应用特性，其经过了市场环境的严苛考验，整体稳定性与安全性较强。因此，核电站在选用产品以及相关解决方案的过程中，可以考虑积极整合商用类型，确保改造升级工作能够正常展开。同时，商用产品对于研发工作的需求较低，可以有效降低核电站基础成本投入，帮助实现高效率升级目标，具有正面影响意义。