基于NuPAC的核電廠反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵特性分析

曾 海

（國(guó)核自?xún)x系統(tǒng)工程有限公司，上海 200233）

NuPAC是國(guó)核自?xún)x系統(tǒng)工程有限公司和洛克希德馬丁公司合作開(kāi)發(fā)的安全儀控系統(tǒng)平臺(tái)。NuPAC平臺(tái)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列技術(shù)（FPGA），具有和傳統(tǒng)分散式控制系統(tǒng)（DCS）或可編程邏輯控制器（PLC）的集中式結(jié)構(gòu)不同的分散式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

基于NuPAC 的大型先進(jìn)壓水堆核電廠反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)為電廠在正?；虍惓Ｇ闆r下提供保護(hù)。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備（包括電氣、機(jī)械、可編程邏輯和軟件部件）監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆的狀態(tài)，并產(chǎn)生反應(yīng)堆停堆和專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施觸發(fā)信號(hào)。此外，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供事故后監(jiān)測(cè)功能來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故過(guò)程中和事故后反應(yīng)堆的狀態(tài)。為保證反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的可利用率，以及保證系統(tǒng)性能滿(mǎn)足規(guī)定的要求，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供定期監(jiān)督測(cè)試功能?；贜uPAC 的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)支持在線定期測(cè)試功能，同時(shí)也支持在線診斷和維護(hù)功能?；贜uPAC 的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供與其他儀控系統(tǒng)和設(shè)備的外部接口，如傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、開(kāi)關(guān)以及非安全控制系統(tǒng)等。

本文分析基于NuPAC 的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，歸納的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵特性將體現(xiàn)于系統(tǒng)需求規(guī)范和系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)需求規(guī)范中，以確保最終的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備具備本文描述的關(guān)鍵特性。

1 源數(shù)據(jù)分析

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵特性的分析開(kāi)始于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)組織的一次頭腦風(fēng)暴會(huì)議。在頭腦風(fēng)暴會(huì)議中，每位團(tuán)隊(duì)成員均認(rèn)真思考并提出他或她認(rèn)為重要的系統(tǒng)特性。會(huì)議共發(fā)現(xiàn)了34個(gè)系統(tǒng)特性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，有些系統(tǒng)特性只是風(fēng)險(xiǎn)而不是系統(tǒng)特性；而根據(jù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求有必要增加新的系統(tǒng)特性；此外，有些系統(tǒng)特性相近，可合并。通過(guò)分析確定了14個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵特性（表1）。

本文對(duì)每個(gè)關(guān)鍵特性根據(jù)其分級(jí)因子如可能性（如果無(wú)正確設(shè)計(jì)則不滿(mǎn)足該關(guān)鍵特性的可能性）、重要性及可檢測(cè)性分配分值，表2列出分級(jí)因子及其對(duì)應(yīng)的分值。根據(jù)3個(gè)分級(jí)因子分值的乘積，可確定關(guān)鍵特性的重要等級(jí)。

表1 關(guān)鍵特性Table 1 List of key characteristics

表2 分級(jí)因子及其分值Table 2 Grade factor and value

2 相關(guān)性分析

關(guān)鍵特性是反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)最重要的設(shè)計(jì)特征。為保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足關(guān)鍵特性，需進(jìn)行相關(guān)性分析。此外，通過(guò)相關(guān)性分析也會(huì)顯示關(guān)鍵特性如何體現(xiàn)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及詳細(xì)設(shè)計(jì)中。

2.1 單一故障準(zhǔn)則

單一故障準(zhǔn)則是反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)需滿(mǎn)足的一條系統(tǒng)頂層需求，10CFR 50［1］附件A 第21條規(guī)定“單一故障不能導(dǎo)致保護(hù)功能喪失”，IEEE 603—1991［2］第5.1 節(jié) 中 也 規(guī) 定“安全系統(tǒng)應(yīng)在以下情況下執(zhí)行設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故要求的安全功能：1）安全系統(tǒng)發(fā)生單個(gè)可探測(cè)的故障，同時(shí)發(fā)生所有可識(shí)別但不可探測(cè)的故障；2）單一故障引起的所有故障；3）由于故障和誤停堆引起的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，或要求安全功能動(dòng)作的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故導(dǎo)致的所有故障和誤停堆?！?/p>

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)采用IEEE 379—2000［3］中規(guī)定的方法來(lái)滿(mǎn)足單一故障準(zhǔn)則。IEEE 379—2000［3］第5.1節(jié)規(guī)定“獨(dú)立性原則是有效應(yīng)用單一故障準(zhǔn)則的基礎(chǔ)。安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證部件的單一故障不會(huì)影響?yīng)毩⒌娜哂嗖考蛳到y(tǒng)的正確運(yùn)行。”由此可見(jiàn)，冗余和獨(dú)立是反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的兩種有效的滿(mǎn)足單一故障準(zhǔn)則的方法。

基于NuPAC 設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)由4個(gè)冗余序列組成，當(dāng)某個(gè)序列被旁通進(jìn)行維護(hù)或測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)仍滿(mǎn)足單一故障準(zhǔn)則。系統(tǒng)的每個(gè)序列均具有雙冗余的雙穩(wěn)邏輯子系統(tǒng)和符合邏輯子系統(tǒng)，可在不旁通該序列的情況下對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和測(cè)試，從而不降低系統(tǒng)的可利用率。4個(gè)序列設(shè)備的供電電源也是冗余的。

IEEE 384—1992［4］規(guī)定，實(shí)體分隔和電氣隔離是獲得系統(tǒng)冗余序列之間的獨(dú)立性的方法。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)4個(gè)序列的設(shè)備分別位于4個(gè)隔離的設(shè)備間內(nèi)。4個(gè)序列的電纜橋架之間及安全級(jí)電纜橋架和非安全電纜橋架之間通過(guò)屏障或距離進(jìn)行分隔。此外，進(jìn)出機(jī)柜的不同序列的電纜、機(jī)柜內(nèi)不同序列的電纜槽及不同電壓等級(jí)的電纜槽之間均按IEEE 384—1992的要求進(jìn)行隔離。

系統(tǒng)序列之間的接口進(jìn)行電氣隔離以保證某序列內(nèi)部部件的故障不會(huì)影響其他序列的功能。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和非安全系統(tǒng)之間進(jìn)行電氣隔離和通信隔離，通信隔離滿(mǎn)足IEEE 7-4.3.2—2003［5］附件E中通信獨(dú)立性的要求。

單一故障準(zhǔn)則以及與之相關(guān)的冗余和獨(dú)立性原則與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、供電設(shè)計(jì)、電纜橋架和電纜槽設(shè)計(jì)、系統(tǒng)通信以及隔離設(shè)備等相關(guān)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段將按IEEE 379—2000以及IEEE 352—1987［6］的要求進(jìn)行單一故障分析。

2.2 完整性

IEEE 603—1991［2］中規(guī)定“安全系統(tǒng)應(yīng)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)所列的全部適用條件下完成所承擔(dān)的安全功能”，這里“全部適用條件”包括設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故引起的全部正常或異常的供電和環(huán)境條件，如電壓、頻率、溫度、濕度、壓力、沖擊、振動(dòng)、地震、電磁干擾以及輻射等。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行各種環(huán)境鑒定試驗(yàn)，包括電壓和頻率瞬態(tài)試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)、濕度試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)、電磁干擾試驗(yàn)、輻照試驗(yàn)等以確保系統(tǒng)的完整性。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備安裝于抗震機(jī)柜內(nèi)，設(shè)備和部件的機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)的抗震要求。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備將根據(jù)IEEE 344—2004［7］的要求進(jìn)行抗震分析，以保證系統(tǒng)在地震條件下的完整性。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜和機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)確保系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的溫度條件在規(guī)定限值范圍內(nèi)。機(jī)柜冷卻裝置確保系統(tǒng)設(shè)備和部件在核電廠正常和異常溫度條件下的充分冷卻。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的信號(hào)處理部件的設(shè)計(jì)可確保在發(fā)生異常，如輸入輸出處理故障、精度或圓整問(wèn)題、系統(tǒng)恢復(fù)錯(cuò)誤、電壓和頻率波動(dòng)等情況下保持安全功能。測(cè)試和校驗(yàn)功能及安全功能分別由不同的子系統(tǒng)承擔(dān)，以保證測(cè)試和校驗(yàn)功能不影響安全功能。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備機(jī)柜按IEEE 1050—1996［8］的要求進(jìn)行正確接地，以降低外部干擾的影響。數(shù)字處理部件的自檢功能以及系統(tǒng)的自診斷子系統(tǒng)可檢測(cè)部件、子系統(tǒng)和序列的故障。系統(tǒng)完整性與整個(gè)系統(tǒng)、系統(tǒng)所有部件、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測(cè)試需求相關(guān)。

2.3 質(zhì)量

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的質(zhì)量由系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)保程序來(lái)保證。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程按技術(shù)支持過(guò)程（TSP）的要求組織進(jìn)行，TSP 是按10CFR 50附件B［9］以及HAF 003［10］的要求設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程；反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的生產(chǎn)制造也將符合HAF 003的要求；系統(tǒng)的獨(dú)立驗(yàn)證和確認(rèn)活動(dòng)滿(mǎn)足IEEE 1012—1998［11］的要求；對(duì)于系統(tǒng)采用的商業(yè)級(jí)物項(xiàng)，也將按EPRI 106439—1996［12］的要求進(jìn)行商業(yè)級(jí)物項(xiàng)認(rèn)證。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的質(zhì)量特性與設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)以及生產(chǎn)活動(dòng)中的質(zhì)保程序相關(guān)，通過(guò)質(zhì)保程序中規(guī)定的質(zhì)?；顒?dòng)來(lái)保證。

2.4 確定性

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的確定性特性和系統(tǒng)執(zhí)行的安全功能相關(guān)。10CFR 50附件A 通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［1］第20條規(guī)定“保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為（1）自動(dòng)觸發(fā)包括反應(yīng)性控制系統(tǒng)在內(nèi)的相關(guān)系統(tǒng)的動(dòng)作，以確保在預(yù)期運(yùn)行事件下不會(huì)超出規(guī)定的燃料設(shè)計(jì)限值，并且（2）探測(cè)事故狀態(tài)，并觸發(fā)安全重要的系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行?！被贜uPAC的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆和專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施動(dòng)作以緩解設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的后果。反應(yīng)堆停堆和專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施將自動(dòng)觸發(fā)直到動(dòng)作完成。按IEEE 603—1991［2］第6.6 和6.7節(jié)的方法，系統(tǒng)的運(yùn)行旁通和維護(hù)旁通不會(huì)影響安全功能的自動(dòng)觸發(fā)。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的確定性也與系統(tǒng)的故障安全模式相關(guān)。10CFR 50 附件A 通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［1］第23條規(guī)定“當(dāng)發(fā)生下列情況，比如系統(tǒng)斷開(kāi)、失去動(dòng)力源（如電源、儀表空氣），或出現(xiàn)假設(shè)的惡劣環(huán)境時(shí)（如極熱或極冷、火災(zāi)、壓力、蒸汽、水和輻射），反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為故障時(shí)進(jìn)入安全狀態(tài)，或故障時(shí)進(jìn)入設(shè)計(jì)基準(zhǔn)能夠接受的狀態(tài)?！狈磻?yīng)堆停堆功能設(shè)計(jì)為失電觸發(fā)以滿(mǎn)足故障安全要求。專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施觸發(fā)功能設(shè)計(jì)為得電觸發(fā)以防止安全系統(tǒng)的誤動(dòng)作。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的自診斷功能能夠檢測(cè)系統(tǒng)部件的故障，出現(xiàn)嚴(yán)重故障（如核心FPGA 或應(yīng)用FPGA 芯片故障）時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生停堆觸發(fā)命令。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的確定性也與反應(yīng)堆停堆和專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施觸發(fā)功能的邏輯實(shí)現(xiàn)有關(guān)。FPGA 中的有限狀態(tài)機(jī)將確保功能邏輯執(zhí)行的確定性。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的確定性也與通信以及系統(tǒng)的安全顯示相關(guān)。根據(jù)導(dǎo)則DI＆C-ISG-04—2009［13］的要求，系統(tǒng)序列間通信、序列內(nèi)通信以及和非安全系統(tǒng)之間的通信將采用確定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信。此外，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的安全顯示是確定的，顯示信息將以固定的刷新率周期性地進(jìn)行傳輸和刷新。

2.5 多樣性和縱深防御（D3）

儀控系統(tǒng)采用的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)引起的影響安全的共模故障是安審機(jī)構(gòu)關(guān)注的重點(diǎn)之一。SECY 93-087 ⅡQ—1993［14］指出“共模故障可導(dǎo)致硬件結(jié)構(gòu)的冗余失效，也可導(dǎo)致由數(shù)字儀控系統(tǒng)執(zhí)行的監(jiān)測(cè)、控制、反應(yīng)堆保護(hù)、專(zhuān)設(shè)安全功能提供的一道或多道縱深防御屏障的喪失。”導(dǎo)則NUREG 0493A［15］描述了對(duì)1 個(gè)基于數(shù)字計(jì)算機(jī)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的多樣性和縱深防御分析，分析表明該系統(tǒng)采用縱深防御屏障之間的一定程度的隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)共因故障的防御（NUREG 0800BTP 7-19［16］）。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)采用DI＆C-ISG-02—2009［17］和RG 1.152—2011［18］中規(guī)定的方法提供多樣性和縱深防御措施。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)由反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)、專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施觸發(fā)系統(tǒng)和事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，根據(jù)NUREG 0800BTP 7-19［16］的規(guī)定，這3個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了抵御共因故障的3道屏障。此外，基于FPGA 技術(shù)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和基于CPU 及軟件技術(shù)的控制系統(tǒng)之間是多樣的。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)在主控室為停堆和專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施的手動(dòng)觸發(fā)提供了監(jiān)測(cè)和控制手段。作為自動(dòng)停堆的后備，手動(dòng)停堆信號(hào)通過(guò)硬接線送至系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)輸出的下游，即送至停堆斷路器控制回路。來(lái)自主控室安全盤(pán)操作開(kāi)關(guān)的專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施的手動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)硬接線送至符合邏輯子系統(tǒng)。

10CFR 50附件A 通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［1］第22條規(guī)定“設(shè)計(jì)技術(shù)，比如功能多樣性、部件多樣性和運(yùn)行多樣性，應(yīng)盡可能采用以防止保護(hù)功能的喪失。”反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)采用功能多樣性設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)核電廠的每個(gè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故均設(shè)置了2個(gè)以上不同的保護(hù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

2.6 可靠性

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有較高的可靠性：1）系統(tǒng)拒動(dòng)概率應(yīng)小于1.2×10-5；2）引起電廠停機(jī)的系統(tǒng)故障概率應(yīng)小于0.002 次／年。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的定性和定量可靠性分析將提供系統(tǒng)可靠性的分析和證明。

系統(tǒng)的4冗余設(shè)計(jì)極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，此外，系統(tǒng)部件充分的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）也為系統(tǒng)可靠性提供了保障。

2.7 安保性

2001年9月11日發(fā)生在美國(guó)紐約的恐怖襲擊事件引起了核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)核電廠安全系統(tǒng)安保問(wèn)題的關(guān)注。10CFR 73.54［19］的部分條款中要求，電站許可證申請(qǐng)單位應(yīng)確保數(shù)字計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)免受網(wǎng)絡(luò)攻擊。

RG 1.152—2011［18］規(guī)定反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)置于安全的開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境中。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目建立了數(shù)字安保計(jì)劃，建立了與互聯(lián)網(wǎng)隔離的并受控的集中式信息系統(tǒng)。對(duì)該信息系統(tǒng)的訪問(wèn)設(shè)置了物理和邏輯上的權(quán)限控制。安裝于集中式信息系統(tǒng)上的配置管理系統(tǒng)，以及驗(yàn)證和確認(rèn)活動(dòng)可以消除對(duì)安全系統(tǒng)軟件的無(wú)意的、不需要的和不期望的修改。

根據(jù)IEEE 603—1991［2］第5.9節(jié)的要求，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)將提供行政權(quán)限控制措施，這些措施將包括門(mén)鎖、鑰匙開(kāi)關(guān)以及登陸密碼。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和非安全控制系統(tǒng)之間的單向通信保證安全功能不會(huì)受到與之連接的非安全控制系統(tǒng)的影響，用戶(hù)也無(wú)法通過(guò)控制系統(tǒng)訪問(wèn)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。

當(dāng)可編程邏輯下載燒寫(xiě)到FPGA 芯片形成FPGA 芯片內(nèi)的硬件電路后，這些硬件電路不會(huì)受到數(shù)字攻擊的影響。對(duì)FPGA 芯片的修改和訪問(wèn)需要特殊的工具和接口，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)這些工具和接口會(huì)被移除。

2.8 可操作性

雖然反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可保證設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故發(fā)生后72h內(nèi)無(wú)需操縱員干預(yù)，但系統(tǒng)也提供了手動(dòng)操作所需的人機(jī)界面資源。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的人機(jī)界面資源包括主控室的安全盤(pán)、輔助控制室的非安全盤(pán)、主控室的安全顯示界面以及設(shè)備控制機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備就地操作面板。所有人機(jī)界面的設(shè)計(jì)均滿(mǎn)足IEEE 1023—2004［20］的要求。

主控室安全盤(pán)上的手操開(kāi)關(guān)提供安全功能的手動(dòng)觸發(fā)手段，來(lái)自手操開(kāi)關(guān)的手動(dòng)觸發(fā)信號(hào)送入反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的符合邏輯子系統(tǒng)中。主控室安全盤(pán)手操開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足IEEE 603—1991［2］第5節(jié)和第6.2節(jié)的要求。

位于主控室的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)安全顯示也提供軟操界面。系統(tǒng)軟操功能包括對(duì)某些可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果的安全設(shè)備的部件級(jí)手動(dòng)操作、保護(hù)功能的阻止和復(fù)位操作以及核測(cè)信號(hào)的校驗(yàn)功能。主控室安全顯示界面設(shè)計(jì)滿(mǎn)足IEEE 603—1991［2］第5.8節(jié)要求，提供的信息顯示滿(mǎn)足RG 1.97—2003［21］和IEEE 497—2002［22］的要求。安全顯示的畫(huà)面設(shè)計(jì)符合NUREG 700［23］和NUREG 711［24］的要求。

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)等事故導(dǎo)致主控室不可居留時(shí)，輔助控制室的非安全盤(pán)上的手操開(kāi)關(guān)為操縱員提供了后備的手操手段。來(lái)自輔助控制點(diǎn)非安全盤(pán)手操開(kāi)關(guān)的手動(dòng)觸發(fā)信號(hào)經(jīng)光電隔離后送至反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)符合邏輯子系統(tǒng)。操縱員在輔助控制點(diǎn)手動(dòng)操作所需的信息來(lái)自非安全顯示界面。主控室的手操開(kāi)關(guān)和輔助控制點(diǎn)的手操開(kāi)關(guān)間通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行聯(lián)鎖，保證僅有來(lái)自一個(gè)地方（主控室安全盤(pán)或輔助控制點(diǎn)非安全盤(pán)）的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)手動(dòng)操作有效。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)安全顯示界面也為引起嚴(yán)重后果的安全設(shè)備提供部件級(jí)的手動(dòng)軟操功能，此外所有反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)控制的安全級(jí)和非安全級(jí)設(shè)備均可通過(guò)設(shè)備控制模塊的就地操作面板進(jìn)行手動(dòng)操作。

2.9 兼容性

基于NuPAC平臺(tái)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的目標(biāo)用戶(hù)是CAP系列大型先進(jìn)壓水堆核電廠，因此，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)和目前及未來(lái)的CAP系列核電廠設(shè)計(jì)相匹配，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的性能，如通道精度和通道響應(yīng)時(shí)間應(yīng)滿(mǎn)足目前CAP核電廠的要求。

NuPAC 平臺(tái)提供足夠的能力，可實(shí)現(xiàn)CAP系列核電廠要求的反應(yīng)堆停堆、專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施觸發(fā)、事故后監(jiān)測(cè)以及維護(hù)和測(cè)試等功能。NuPAC平臺(tái)也可實(shí)現(xiàn)所要求的設(shè)備控制和優(yōu)選控制邏輯功能。NuPAC 平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，如超功率ΔT 計(jì)算、超溫ΔT 計(jì)算，甚至偏離泡核沸騰比計(jì)算。NuPAC 平臺(tái)為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供與其他系統(tǒng)和設(shè)備接口必需的輸入輸出信號(hào)接口和通信接口。

基于NuPAC的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備將滿(mǎn)足CAP系列核電廠的土建設(shè)計(jì)要求，機(jī)柜尺寸、安裝方式以及電纜布線都將和目前以及未來(lái)CAP系列核電廠設(shè)計(jì)相匹配。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備供電將和目前及未來(lái)CAP系列核電廠供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)相匹配，系統(tǒng)供電滿(mǎn)足中國(guó)電源規(guī)范，系統(tǒng)耗電不超出目前CAP電站供電系統(tǒng)的容量范圍。

基于NuPAC平臺(tái)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)也可用于已建核電廠的現(xiàn)代化升級(jí)改造。輸入輸出信號(hào)接口可覆蓋已建核電廠的儀控系統(tǒng)接口類(lèi)型。系統(tǒng)耗電小于模擬式系統(tǒng)，因而可滿(mǎn)足已建核電廠供電系統(tǒng)的容量要求。

基于NuPAC平臺(tái)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)滿(mǎn)足相關(guān)環(huán)保要求。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備將通過(guò)中國(guó)CCC 認(rèn)證以防止設(shè)備對(duì)人員的人身傷害。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備滿(mǎn)足除鉛之外的其他RoHS要求，鉛的使用僅限于印刷電路板的插針以及焊錫中，并嚴(yán)格限制使用量。廢棄電路板將根據(jù)政府環(huán)保要求進(jìn)行統(tǒng)一收集和處理。

2.10 性能

10CFR 50.36［25］規(guī)定必須確定安全儀表的保護(hù)定值，以確保自動(dòng)保護(hù)功能能有效保護(hù)核電廠在安全限值范圍內(nèi)運(yùn)行。根據(jù)RG 1.105—1999［26］和 其 背 書(shū) 的ISA 67.04—1994［27］規(guī)定，保護(hù)定值的計(jì)算應(yīng)考慮安全儀表通道的所有誤差，其中包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)信號(hào)輸入卡件的測(cè)量誤差。

根據(jù)RG 1.105—1999［26］和ISA 67.04—1994［27］，儀表通道的誤差來(lái)自測(cè)量?jī)x表以及電子測(cè)量電路的線性度、磁滯回環(huán)、死區(qū)和可重復(fù)度。儀表誤差不在本文范圍之內(nèi)，但反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的電子測(cè)量電路應(yīng)具有良好的精度以盡可能減小儀表通道的測(cè)量誤差，并滿(mǎn)足CAP系列核電廠的精度要求?；贜uPAC的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的測(cè)量精度，電壓和頻率波動(dòng)不會(huì)影響精度。此外，在4～60 ℃范圍內(nèi)及考慮6、12、18和30個(gè)月時(shí)間漂移的影響情況下，系統(tǒng)輸入卡件仍能滿(mǎn)足基本的精度要求。

IEEE 603—1991［2］第4.10 節(jié)規(guī)定“設(shè) 計(jì)基準(zhǔn)事故開(kāi)始后的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)和電廠條件”應(yīng)作為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)需滿(mǎn)足的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，因此，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，即從保護(hù)參數(shù)超出定值，到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的觸發(fā)所經(jīng)歷的時(shí)間，應(yīng)滿(mǎn)足上述規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的要求。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間滿(mǎn)足CAP 系列核電廠響應(yīng)時(shí)間要求。此外，由于FPGA 硬件電路的并行執(zhí)行的特點(diǎn)，基于NuPAC 的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間將優(yōu)于基于CPU 和軟件技術(shù)的系統(tǒng)。

2.11 可維護(hù)性

10CFR 50［1］附 件A 通 用 設(shè) 計(jì) 準(zhǔn) 則 第21條規(guī)定“反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)能在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)進(jìn)行功能的定期測(cè)試，包括對(duì)通道的獨(dú)立測(cè)試以確定故障，以及可能發(fā)生的系統(tǒng)冗余的喪失。”IEEE 603—1991［2］第5.7節(jié)也規(guī)定“應(yīng)提供安全系統(tǒng)設(shè)備的定期測(cè)試和校驗(yàn)功能，同時(shí)保持執(zhí)行相關(guān)安全功能的能力。”

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的自診斷功能能探測(cè)大部分系統(tǒng)部件的可檢測(cè)故障，通過(guò)4序列之間的比較也可檢測(cè)序列故障。系統(tǒng)和部件自診斷功能不能覆蓋的故障將通過(guò)定期測(cè)試來(lái)檢測(cè)，定期測(cè)試由序列內(nèi)的維護(hù)測(cè)試子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。維護(hù)測(cè)試子系統(tǒng)可對(duì)相應(yīng)序列進(jìn)行維護(hù)和測(cè)試，其中包括IEEE 338—1987［28］規(guī)定的功能測(cè)試、精度測(cè)試和響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。系統(tǒng)的4冗余設(shè)計(jì)使得在對(duì)單個(gè)序列進(jìn)行維護(hù)測(cè)試時(shí)，其他3個(gè)序列仍能有效地執(zhí)行所需的安全功能。

根 據(jù)IEEE 603—1991［2］第5.10 節(jié) 的 要求，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備和部件應(yīng)便于維護(hù)和替換。系統(tǒng)卡件可進(jìn)行熱插拔，卡件替換也無(wú)需特殊工具。此外卡件的維護(hù)、測(cè)試和替換無(wú)需斷開(kāi)或改變電纜接線。

根 據(jù)IEEE 603—1991［2］第5.11 節(jié) 的 要求，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)進(jìn)行清晰的標(biāo)識(shí)以便于電廠運(yùn)行人員識(shí)別系統(tǒng)設(shè)備。此外LED指示也為運(yùn)行人員識(shí)別故障部件提供了方便。

2.12 設(shè)計(jì)裕量和可持續(xù)性

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)為今后系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)提供足夠的設(shè)計(jì)裕量，系統(tǒng)具有至少15%的輸入輸出裕量；FPGA 資源占用率不超過(guò)95%；設(shè)備機(jī)柜占用的設(shè)備廠房空間也為今后增加機(jī)柜留出了裕量。由于NuPAC 分散式的結(jié)構(gòu)特性，如果不是安裝空間和供電容量的限制，基于NuPAC的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)可無(wú)限擴(kuò)展。

相比CPU 技術(shù)而言，F(xiàn)PGA 技術(shù)具有更好的可移植性，芯片的升級(jí)換代不會(huì)引起系統(tǒng)硬件和軟件的重大變更。此外，F(xiàn)PGA 芯片具有更長(zhǎng)的使用壽命。盡管如此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，也會(huì)建立反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)主要部件的升級(jí)管理計(jì)劃以及技術(shù)更新計(jì)劃，以為用戶(hù)提供長(zhǎng)期的支持和備品備件服務(wù)保證。

2.13 靈活性

與集中式的分散控制系統(tǒng)或可編程邏輯控制器相比，NuPAC 平臺(tái)具有分散式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖1）。每塊通用邏輯模塊均具備輸入輸出和處理功能。每塊卡件均可任意配置不同的I／O子卡，從而執(zhí)行不同的功能；由最多18塊通用邏輯模塊構(gòu)成的機(jī)箱可執(zhí)行更復(fù)雜的功能；機(jī)箱間可通過(guò)數(shù)據(jù)通信連接，形成更大的系統(tǒng)?；贜uPAC平臺(tái)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)可獲得更大的靈活性和可擴(kuò)展性。

2.14 經(jīng)濟(jì)性

NuPAC平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)，最大程度地減少卡件種類(lèi)，從而降低核電廠的維護(hù)成本。此外，由于FPGA 技術(shù)良好的移植性，原有的開(kāi)發(fā)好的可編程邏輯可移植到升級(jí)后的FPGA 芯片中，從而最大程度節(jié)約了核電廠在升級(jí)改造中需重新投入的軟件開(kāi)發(fā)成本。

此外，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中將建立供應(yīng)鏈管理計(jì)劃，以最大程度降低生產(chǎn)成本，因而降低核電廠備品備件的成本。

圖1 NuPAC平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of NuPAC platform

3 結(jié)論

關(guān)鍵特性是反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)為了滿(mǎn)足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求和用戶(hù)需求所需具備的最重要的設(shè)計(jì)特征。關(guān)鍵特性的分析和識(shí)別經(jīng)過(guò)了頭腦風(fēng)暴、源數(shù)據(jù)分析及相關(guān)性分析過(guò)程。

在相關(guān)性分析中，每個(gè)關(guān)鍵特性均與有關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)。關(guān)鍵特性分析是反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)需求分析的第1步，關(guān)鍵特性及其相關(guān)性分析為下一步的需求分析提供了基礎(chǔ)性的指導(dǎo)。系統(tǒng)需求將在關(guān)鍵特性分析基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和細(xì)化，保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足關(guān)鍵特性要求，也滿(mǎn)足有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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