RPS響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)處理方法研究

★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 張旭

RPS響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)處理方法研究

★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 張旭

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（RPS）的響應(yīng)速度，直接影響到反應(yīng)堆的安全。為了能夠得到統(tǒng)計(jì)意義上的響應(yīng)時(shí)間，需要進(jìn)行數(shù)千次測(cè)試并形成大量測(cè)試數(shù)據(jù)。為了能夠準(zhǔn)確、快速地完成大量測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析，研發(fā)人員研究了測(cè)試數(shù)據(jù)的特征，確定了數(shù)據(jù)分析的算法，開(kāi)發(fā)了相關(guān)數(shù)據(jù)分析軟件。該成果實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)化分析，提高了測(cè)試數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量和效率。該分析方法已經(jīng)在CPR1000、ACPR1000、HTR等多種堆型的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試中得到應(yīng)用。

響應(yīng)時(shí)間測(cè)試；數(shù)據(jù)處理；反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)

1 引言

在CPR1000堆型核電機(jī)組中，核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)承擔(dān)反應(yīng)堆狀態(tài)參數(shù)的采集以及保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到反應(yīng)堆的參數(shù)超過(guò)閾值后，會(huì)通過(guò)表決邏輯輸出一系列反應(yīng)堆保護(hù)動(dòng)作（主要包括跳堆動(dòng)作和安全專(zhuān)設(shè)動(dòng)作）。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)在執(zhí)行反應(yīng)堆保護(hù)功能的過(guò)程中，需要對(duì)反應(yīng)堆工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、閾值超限判斷、邏輯運(yùn)算，最后輸出保護(hù)動(dòng)作指令，這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是反應(yīng)堆保護(hù)的一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，在事故工況下，反應(yīng)堆保護(hù)能否快速響應(yīng)將直接關(guān)系到反應(yīng)堆的運(yùn)行安全。對(duì)于數(shù)字化的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，響應(yīng)時(shí)間具有一定的隨機(jī)性。因此為了得到具有統(tǒng)計(jì)意義的響應(yīng)時(shí)間結(jié)果，需要進(jìn)行數(shù)千次重復(fù)試驗(yàn)，而在數(shù)千次重復(fù)試驗(yàn)后，則需要進(jìn)行大量的、復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)工作。[1]

傳統(tǒng)的人工讀取和處理數(shù)據(jù)，為了確保數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，不僅需要耗費(fèi)大量的人力資源進(jìn)行計(jì)算，還要進(jìn)行人工校對(duì)。為了提高數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量與效率，研發(fā)人員系統(tǒng)地研究了3臺(tái)CPR1000機(jī)組測(cè)試過(guò)程中生成的上萬(wàn)條試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析測(cè)試過(guò)程中波形記錄儀存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)，研究了反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)處理的方法，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件。

2 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試原理如圖1所示。該測(cè)試方法需要將一組模擬的反應(yīng)堆工況異常的模擬量信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)注入到反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。在模擬量電流信號(hào)輸出端與保護(hù)系統(tǒng)的采集端之間使用波形記錄儀采集觸發(fā)信號(hào)的波形。同時(shí)在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的輸出端，采用示波器采集反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)輸出的保護(hù)動(dòng)作指令信號(hào)的波形。[2]即可得到從反應(yīng)堆工況模擬信號(hào)注入到反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，再到反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)輸出保護(hù)動(dòng)作指令之間的波形圖，如圖2所示。為了得到統(tǒng)計(jì)意義上的結(jié)果，以CPR1000堆型為例，需要針對(duì)反應(yīng)堆的20余種緊急停堆工況及50余種專(zhuān)設(shè)安全動(dòng)作工況，對(duì)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。針對(duì)每一種工況、每一種組合觸發(fā)邏輯，分別重復(fù)上百次測(cè)試。一臺(tái)CPR1000機(jī)組的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)千次測(cè)試，并得到數(shù)千張波形圖。

圖1 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試原理

圖2 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的波形分析

3 人工方法分析響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)上述測(cè)試過(guò)程中波形記錄儀記錄到的波形圖，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，可以得到反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間：

首先要在波形圖上識(shí)別觸發(fā)信號(hào)、保護(hù)動(dòng)作指令的時(shí)間點(diǎn)，并在波形圖上進(jìn)行標(biāo)記；然后將保護(hù)動(dòng)作指令的時(shí)間點(diǎn)，減去輸入觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)，即可得到保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；重復(fù)上面兩個(gè)步驟的過(guò)程，對(duì)測(cè)試過(guò)程中的每一張波形圖進(jìn)行逐一分析，統(tǒng)計(jì)每一次測(cè)試的結(jié)果，分別得到每一種工況，每一種邏輯組合的響應(yīng)時(shí)間。[3]

為了減少人因失誤造成數(shù)據(jù)分析錯(cuò)誤，在分析完成后需要進(jìn)行驗(yàn)算、檢查。

對(duì)于一臺(tái)CPR1000機(jī)組的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，完成上述測(cè)試數(shù)據(jù)的分析過(guò)程，需要耗費(fèi)約300人工時(shí)。上述數(shù)據(jù)重復(fù)、機(jī)械的數(shù)據(jù)分析過(guò)程，容易由于人因失誤造成數(shù)據(jù)分析錯(cuò)誤帶來(lái)測(cè)試質(zhì)量上的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，打印測(cè)試人工分析數(shù)據(jù)，耗費(fèi)大量的人力、物力。

為了提高數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量，解決人工分析數(shù)據(jù)耗費(fèi)大量人力物力的問(wèn)題，提高測(cè)試效率。測(cè)試團(tuán)隊(duì)對(duì)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理方法開(kāi)展了研究，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的自動(dòng)分析軟件。

4 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)處理方法研究

4.1 數(shù)據(jù)特征研究

波形記錄儀記錄的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的波形如圖2所示。波形圖具有以下特征：

（1）波形記錄儀以從左到右為時(shí)間軸線(xiàn)，分別記錄了2路停堆觸發(fā)信號(hào)和4路停堆輸出信號(hào)共6個(gè)信號(hào)回路在一段時(shí)間內(nèi)信號(hào)變化情況。

（2）為了便于識(shí)別停堆觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間，停堆觸發(fā)信號(hào)為階躍信號(hào)。停堆輸出動(dòng)作指令為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，通過(guò)波形記錄儀采集到的同樣為階躍信號(hào)。

（3）在波形中存在少量的隨機(jī)的雜波干擾，而且這些干擾主要以脈沖毛刺的形態(tài)出現(xiàn)。

（4）波形記錄儀在打印波形圖的同時(shí)，可將測(cè)試過(guò)程中記錄的按照設(shè)定的采樣周期將波形保存成＊.CSV的電子檔數(shù)據(jù)文件，并將文件保存在波形記錄儀的硬盤(pán)中。將其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)截取一個(gè)片段如圖3所示。

圖3 波形記錄儀測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

其中最左側(cè)一列為以s為單位的時(shí)間軸。在這里根據(jù)測(cè)試需要，將波形記錄儀的采樣周期設(shè)定為100s，波形記錄儀每100s將6個(gè)信號(hào)回路測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄在了第2～7列，數(shù)值單位為V。同時(shí)，根據(jù)波形記錄儀的配置，第1、2個(gè)回路做為停堆觸發(fā)信號(hào)，第3～6個(gè)通道為4個(gè)停堆斷路器的動(dòng)作信號(hào)。觀(guān)察數(shù)據(jù)可看出，在0～200s處，第1個(gè)回路的數(shù)值從3.08V左右跳變?yōu)?.83V左右，而第2個(gè)回路在隨后的第300～500s處也變?yōu)?.08V左右跳變?yōu)?.83V左右。前后2個(gè)信號(hào)回路發(fā)生跳變的時(shí)間有細(xì)微的時(shí)間差。根據(jù)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的要求，當(dāng)2個(gè)信號(hào)回路的信號(hào)同時(shí)大于閾值時(shí)，即觸發(fā)緊急停堆指令。因此，取2個(gè)信號(hào)較晚的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)做為停堆觸發(fā)的時(shí)間點(diǎn)。通過(guò)編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序，對(duì)這些以時(shí)間為軸線(xiàn)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即可得到響應(yīng)時(shí)間結(jié)果。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析需要完成如下幾個(gè)任務(wù)：

（1）對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，排除脈沖毛刺信號(hào)對(duì)信號(hào)識(shí)別的干擾。

（2）分析波形，抓取階躍時(shí)間點(diǎn)，識(shí)別停堆觸發(fā)信號(hào)和停堆輸出信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)。

（3）計(jì)算停堆觸發(fā)信號(hào)與停堆輸出信號(hào)的時(shí)間差，并將計(jì)算結(jié)果輸出到報(bào)表。

4.2 階躍時(shí)間點(diǎn)識(shí)別算法研究

根據(jù)微分的原理可知，信號(hào)經(jīng)過(guò)微分處理后的結(jié)果與波形的變化率有關(guān)，當(dāng)波形的變化率越快，其微分值越大。對(duì)于理想的階躍信號(hào)，其微分的結(jié)果為無(wú)窮大，因此可以利用這一微分思想建立數(shù)學(xué)模型。[4]當(dāng)波形中信號(hào)出現(xiàn)階躍時(shí)，此處的微分后的信號(hào)為一個(gè)脈沖信號(hào)。

對(duì)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果的波形進(jìn)行微分處理后，在階躍信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)，將出現(xiàn)一個(gè)正向的脈沖。對(duì)波形記錄儀實(shí)際采集到的停堆觸發(fā)信號(hào)波形進(jìn)行微分處理后的結(jié)果。得到如圖4所示的圖形。微分處理后的信號(hào)中，階躍信號(hào)轉(zhuǎn)換成了脈沖信號(hào)，其時(shí)間點(diǎn)與階躍信號(hào)重合。因此，綜合上述分析，利用微分方法計(jì)算采集到的信號(hào)中波形變化率的最大值，找到對(duì)應(yīng)的階躍信號(hào)時(shí)間點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)抓取脈沖信號(hào)的方式抓取階躍信號(hào)發(fā)生的時(shí)間，即得到輸入信號(hào)的觸發(fā)時(shí)間。[5]

在圖2中可以看到，在波形中存在少量的隨機(jī)的以脈沖形態(tài)存在的干擾信號(hào)。對(duì)于波形信號(hào)中的脈沖干擾，進(jìn)行微分處理后，會(huì)出現(xiàn)如圖5所示的現(xiàn)象。由圖分析，波形中存在脈沖干擾信號(hào)，進(jìn)行微分處理后的波形中，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正負(fù)雙向脈沖信號(hào)。如果此時(shí)，仍然采用上面的方法尋找階躍信號(hào)時(shí)間點(diǎn)，會(huì)將此點(diǎn)誤認(rèn)為是階躍信號(hào)時(shí)間點(diǎn)，將得到錯(cuò)誤的結(jié)果。因此，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)濾掉脈沖信號(hào)。

圖4 對(duì)階躍信號(hào)的微分處理

圖5 對(duì)脈沖信號(hào)的微分處理

4.3 濾波算法研究

在展開(kāi)對(duì)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)分析研究的過(guò)程中，研究人員針對(duì)偶發(fā)的干擾進(jìn)行了大量的研究。通過(guò)對(duì)以往工程應(yīng)用中記錄的近3萬(wàn)條波形數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，確定工程應(yīng)用中存在的干擾主要為開(kāi)關(guān)量變化的瞬間引起的脈沖干擾。因此，濾波算法的主要任務(wù)是過(guò)濾脈沖信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。

為了針對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，研究人員針對(duì)濾波對(duì)象的特點(diǎn)，研究了十余種常見(jiàn)的數(shù)字濾波經(jīng)典算法，進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)和適用性分析，最終篩選出兩種適用于本研究課題的濾波算法。[6]

（1）中位值濾波法

連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)），把N次采樣值按大小排列 ，取中間值為本次有效值。

（2）算術(shù)平均濾波法

連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。

N值較大時(shí)：信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)：信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高。

為了比較上述兩種濾波算法的濾波效果，將分別使用中位值濾波法和算術(shù)平均濾波法算法對(duì)實(shí)際測(cè)試過(guò)程中采集到的脈沖干擾進(jìn)行處理，處理后的波形比較如圖6所示。從圖6中可以看出，算術(shù)平均濾波對(duì)脈沖干擾有非常明顯的抑制作用，但是濾波后脈沖效果仍然存在。而中位值濾波后的波形則非常好的過(guò)濾掉了脈沖干擾。因此，最終選用中位值濾波法進(jìn)行濾波處理。[7]

圖6 算術(shù)平均濾波與中位值濾波效果比較

5 結(jié)語(yǔ)

響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)處理方法的研究從解決工程應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，始終圍繞著提高產(chǎn)品測(cè)試質(zhì)量和技術(shù)水平。本研究確定了響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)處理的方法，即通過(guò)中位置濾波算法對(duì)波形進(jìn)行濾波處理，通過(guò)微分算法識(shí)別階躍信號(hào)，最終計(jì)算出反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間結(jié)果。

該方法在投入使用前，進(jìn)行了大量的驗(yàn)證工作。測(cè)試團(tuán)隊(duì)調(diào)取了以往項(xiàng)目使用人工方法處理過(guò)的數(shù)據(jù)，使用自動(dòng)處理工具進(jìn)行重新計(jì)算后，將自動(dòng)處理后的結(jié)果與人工處理的結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果證明，自動(dòng)處理方法數(shù)據(jù)處理精度由人工處理方法的毫秒級(jí)提高到了微秒級(jí)。

本研究成果已經(jīng)應(yīng)用在了遼寧紅沿河、福建寧德、廣東陽(yáng)江、廣西防城港等14臺(tái)CPR1000反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試中。研究成果投入使用后，完成相關(guān)工作所耗人力資源將300人工時(shí)縮減為約10人工時(shí)，同時(shí)消除了人因失誤，提高了測(cè)試數(shù)據(jù)處理的效率與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量與效率上的雙贏(yíng)。此外，本研究中所采用的階躍信號(hào)識(shí)別算法和濾波算法，還應(yīng)用在了CPU周期測(cè)試數(shù)據(jù)分析等其他測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)化分析研究成果中，并取得了良好的實(shí)踐。在應(yīng)用的過(guò)程中，測(cè)試團(tuán)隊(duì)進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)的改進(jìn)，將應(yīng)用于A(yíng)CPR1000、AP1000、高溫氣冷堆等多種堆型的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試中。

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Research on Automatic Analysis Methods of RPS Response Time Test Data

The response speed of reactor protection system (RPS) directly affects the safety of the reactor. In order to be able to obtain a statistical response time, thousands of tests are required and a large number of test data are formed. In order to accurately and quickly complete the calculation and analysis of a large number of test data, the R & D personnel studied the characteristics of the test data, determined the data analysis algorithm and developed the related data analysis software. The results, to achieve automated analysis of response time test data, improve the quality and efficiency of the test data analysis. The analytical method has been applied to CPR1000, ACPR1000, HTR and other reactor type reactor protection system test.

Response time test；Data processing；Reactor protection system

張旭(1984-)，男，山東日照人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS測(cè)試工作。