★北京廣利核系統工程有限公司張國勝，王慶明

摘要：目前，CPR1000核電站應急柴油發(fā)電機儀控系統大多由傳統繼電器和模擬設備搭建而成。隨著(zhù)繼電器老化，系統故障率增高，同型號繼電器市場(chǎng)逐漸停產(chǎn)，面臨無(wú)備件可用的情況。繼電器搭建的系統一旦發(fā)生故障，事件無(wú)法記錄且不可追溯，對運行維護造成很大的不便。

1   引言

核電站應急柴油發(fā)電機組作為6.6kV應急母線(xiàn)的后備電源，為核電機組實(shí)現安全停堆功能所需的中低壓核輔助設備供電。

核電站應急柴油發(fā)電機控制保護系統目前多采用傳統繼電器和模擬設備搭建，缺點(diǎn)是系統運行不穩定、故障率較高、維護不方便，已嚴重影響到柴油機的可用性及核電安全參數指標。本文分析某核電站應急柴油發(fā)電機現狀，將基于廣利核的安全級儀控系統FirmSys平臺技術(shù)和應用經(jīng)驗，使用先進(jìn)的數字化系統進(jìn)行整體替換，以提高系統可靠性，方便運行和維護。

2   現狀分析

2.1 典型功能

核電站應急柴油發(fā)電機控制保護系統主要實(shí)現如下功能：

（1）1E級控制保護功能，包含應急柴油發(fā)電機緊急運行模式下的啟動(dòng)、運行、停機和連鎖控制；

（2）NC級控制保護功能，包含輔助系統設備控制、定期試驗啟停、常規跳閘及連鎖、報警及事故記錄；

（3）轉速控制功能，實(shí)現速度控制，并在轉速超過(guò)保護閾值后發(fā)出保護命令；

（4）發(fā)電機電壓勵磁調節功能，實(shí)現發(fā)電機的電壓勵磁調節；

（5）電氣保護功能，實(shí)現發(fā)電機電氣參數測量顯示、發(fā)電機差動(dòng)保護與綜合故障。

2.2 系統架構

應急柴油發(fā)電機控制保護系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架

2.3 實(shí)現方式

（1）繼電器柜，主要由瞬態(tài)繼電器、雙穩態(tài)繼電器、時(shí)間繼電器組成，用于實(shí)現NC和1E控制保護邏輯功能；

（2）控制顯示盤(pán)，主要包含開(kāi)關(guān)、按鈕、指示燈、報警光字牌及顯示儀表，用于實(shí)現參數顯示、報警和操作指令功能；

（3）速度調節柜，一部分由引擎控制器和超速保護盒組成，實(shí)現速度調節和保護輸出功能；一部分為事故記錄儀和打印機，實(shí)現報警記錄和打印功能；

（4）電壓勵磁調節柜，實(shí)現發(fā)電機的電壓勵磁調節；

（5）電氣保護柜，實(shí)現發(fā)電機電氣參數測量顯示、發(fā)電機差動(dòng)保護與綜合故障報警功能。

3   改造原則及約束條件

3.1 改造的原則

因涉及在役機組的改造，改造實(shí)施需采用成熟可靠的產(chǎn)品，不能影響機組的正常運行；不能降低原設備的安全性，要提高機組的可靠性和可用性，提供更好的人機操作界面，以方便維護，所以在項目改造中遵循了如下原則：

（1）安全性原則

數字化改造需采用成熟可靠技術(shù)，減少整個(gè)系統的風(fēng)險，提高總體安全性。提供完善的權限管理手段，并考慮在極限負荷下的安全性，具備雪崩過(guò)濾處理能力，防止由于過(guò)多的、不可預知的事件序列發(fā)生而記錄大量的無(wú)用事件，進(jìn)而可能導致整個(gè)系統性能顯著(zhù)下降，嚴重影響操作員的正常信息獲取，干擾正常監控。

（2）故障安全準則

數字化系統中，單一設備的故障均不會(huì )導致系統性能缺失。開(kāi)關(guān)量和模擬量輸出卡件具有帶電復位時(shí)輸出保持原則。

（3）可靠性和可用性原則

數字化系統在配置時(shí)，控制器、通信總線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )、電源等關(guān)鍵設備均需采用1：1全面冗余技術(shù)，保證系統的可靠穩定運行。采用高裕度設計和器件降額使用，提高系統硬件的固有可靠性和可用性。

3.2 改造約束條件

（1）在現有穩定運行的基礎上進(jìn)行系統的改造，原有操作方式不變、原有功能不變；

（2）改造后的現場(chǎng)布局不發(fā)生變化；

（3）現場(chǎng)電纜不改變、進(jìn)線(xiàn)方式不變；

（4）系統采用通用、成熟、經(jīng)過(guò)驗證的技術(shù)，原

則上不采用單獨開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品；

（5）根據機柜內部接線(xiàn)，機柜重新布置。

4   改造預期效果

對比繼電保護系統和Firmsys數字化系統優(yōu)缺點(diǎn)，可預期改造后的效果，對比結論如表1所示。

表1 改造預期效果

主要是實(shí)現控制柴油機的正常啟動(dòng)、停機、運行聯(lián)鎖及應急啟動(dòng)、停機等功能；監視機組進(jìn)排氣、壓縮空氣、滑油、燃油、冷卻水系統以及發(fā)電機熱工參數等，并輸出報警；同時(shí)采集電流、電壓、頻率、功率因數、有功功率、無(wú)功功率等信號。

5   數字化控制系統功能實(shí)現

5.1 系統架構

EDG主控制器采用主備冗余CPU和單I/O結構，主備冗余的控制器之間實(shí)現無(wú)擾切換，當主處理器故障時(shí)可切換到備用處理器進(jìn)行控制，系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖

5.2 控制站功能實(shí)現

(1)信號處理與傳輸

采集來(lái)自于傳感器的模擬量信號和幵關(guān)量，模擬量信號采集后需要經(jīng)過(guò)調理分配板卡將不同類(lèi)型的信號轉換成標準的4~20mA信號(強電信號需先經(jīng)過(guò)變送器轉換后進(jìn)入調理分配板卡)，幵關(guān)量信號通過(guò)隔離分配模塊進(jìn)行隔離和分配，然后由1/。傳遞給主處理器，幵關(guān)量信號輸出，經(jīng)過(guò)處理后直接發(fā)出設備驅動(dòng)指令，進(jìn)行現場(chǎng)設備的驅動(dòng)；發(fā)出報警信號，進(jìn)行指示和報警。

(2)數據處理

主處理器模塊對來(lái)自不同工藝系統的控制信號進(jìn)行數據處理。如機組控制所需的閾值運算，保護或其他控制功能的2/3邏輯運算，就地/遠控、運行/維護、額速/怠速、手動(dòng)/自動(dòng)轉換的邏輯實(shí)現，其他符合邏輯運算，及各智能板卡狀態(tài)監視、門(mén)幵報警監視等。邏輯處理算法根據LD/AD的功能來(lái)實(shí)現。

(3)性能參數

運行周期可在10~200ms范圍內進(jìn)行設定；模擬量輸入采集精度、CPU負荷、1/。裕量、內存裕量可充分滿(mǎn)足現場(chǎng)應用。

(4)通信

將需要記錄和指示的信號通過(guò)通訊方式傳給觸摸屏。

5.3 故障診斷功能

數字化控制系統的自診斷功能是發(fā)現系統故障的一個(gè)重要手段，它能保證安全級功能的正常執行。系統提供足夠的自診斷功能來(lái)快速發(fā)現故障，探測到不正常時(shí)進(jìn)行指示報警，同時(shí)不正常數據不能參與保護指令的運算。

(1)系統內所有智能板卡或模塊都要求具備自診斷功能，模塊上提供電源、運行、故障、通信狀態(tài)以及故障碼等報警和顯示信號，便于發(fā)現和解決問(wèn)題。

(2)主處理器模塊、通信模塊、總線(xiàn)模塊和I/O模塊通過(guò)異常處理程序來(lái)監視處理器中執行過(guò)程的各種異常情況，異常處理程序對非預期的情況做出響應，然后顯示故障狀態(tài)并向外部輸出故障信號，最后停止運行。如果異常處理程序失效，就由看門(mén)狗觸發(fā)動(dòng)作，直接顯示故障狀態(tài)并向外輸出故障信號。

(3)所有模塊的故障信號除了模塊本身的故障狀態(tài)顯示外，還通過(guò)總線(xiàn)傳至主處理器模塊，經(jīng)主處理器模塊判斷后送到主控室顯示。

5.4 操作、顯示功能

操作顯示功能由廣利核自主研發(fā)的產(chǎn)品實(shí)現，產(chǎn)品的顯示屏為19寸觸摸屏，觸摸屏可實(shí)現報警顯示、日志、歷史趨勢、操作功能等，鑲嵌在安全級的柜門(mén)上?？紤]到緊急操作要求，部分操作使用硬幵關(guān)操作；事件記錄功能主要是對模擬量參數和重要幵關(guān)量信號進(jìn)行顯示和記錄，此功能由19寸觸摸屏實(shí)現，且可接收全廠(chǎng)時(shí)鐘系統授時(shí)。如圖3所示。

圖3趨勢畫(huà)面示例

5.5 系統運行維護

數字化控制系統可通過(guò)報警指示燈實(shí)現故障的定位和排除，安全系統支持在線(xiàn)設備維護與更換，當故障發(fā)生時(shí)，維護工作應該按照運行維護手冊程序進(jìn)行設備的更換。

6   結論

本工作完成了應急柴油發(fā)電機控制系統的現狀分析，制定了基于北京廣利核系統工程有限公司Firmsys平臺產(chǎn)品數字化控制系統的實(shí)現方案，此方案已在大亞灣新增柴油機和惠州柴油機項目實(shí)際供貨應用，可以解決目前應急柴油發(fā)電機控制系統設備故障率高，事件不能記錄、不可追溯，運行維護不便等問(wèn)題，從而提高應急柴油發(fā)電機控制系統的可用性、可靠性，保障核電站安全穩定的運行。

作者簡(jiǎn)介：

張國勝(1983-)，男，山東濟南人，工程師，學(xué)士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電站安全級DCS改造等工作。

王慶明(1982-)，男，山東德州人，工程師，學(xué)士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電站安全級DCS改造等工作。

參考文獻：

[1]王常力，羅安.分布式控制系統(DCS)設計與應用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[2]廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電站系統與設備[M].北京:原子能出版社,2004.

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年第三期