核電站電源可靠性檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 健，邱建文，曾澤嶸

(中廣核研究院有限公司北京分公司,北京 100086)

0 引言

當(dāng)前，核電廠越來(lái)越關(guān)注重要儀控系統(tǒng)的老化管理和可靠性分析。電源是核電站儀控系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性和質(zhì)量在一定程度上決定了儀控系統(tǒng)的穩(wěn)定度、可用率以及控制功能的有效性。因此，需要開(kāi)發(fā)核電站電源可靠性檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電源進(jìn)行定期性能測(cè)試，以建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為核電站電源的可靠性分析和評(píng)價(jià)積累數(shù)據(jù)。

由于核電站工藝復(fù)雜,控制要求和功能要求不同[1]，控制層的儀控系統(tǒng)由不同供應(yīng)商設(shè)計(jì)和供貨，從而導(dǎo)致核電站儀控電源的種類(lèi)較多，接口、技術(shù)參數(shù)和要求各不相同。同時(shí)，由于工作環(huán)境的不同，核電行業(yè)對(duì)電源的可靠性檢測(cè)提出了嚴(yán)格的要求。行業(yè)內(nèi)對(duì)核電站儀控系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)有廣泛的研究[2-3]，對(duì)于作為儀控系統(tǒng)重要組成部分的電源來(lái)說(shuō)，其可靠性檢測(cè)同等重要。本文設(shè)計(jì)了一種核電站電源可靠性檢測(cè)系統(tǒng)，以適應(yīng)核電站電源種類(lèi)繁多、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的要求。

1 核電站電源分級(jí)

核電站儀控電源按照供電要求的不同，主要分為兩大類(lèi)：交流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)壓電源，具體可以細(xì)分為AC/DC、AC/AC、DC/DC及DC/AC四種類(lèi)型。按照電源所處控制系統(tǒng)的功能以及系統(tǒng)電源可靠性設(shè)計(jì)區(qū)分，電源又可以分為以下三大類(lèi)。

①L1級(jí)電源：核安全級(jí)系統(tǒng)中，執(zhí)行安全保護(hù)功能的控制系統(tǒng)部分的供電電源或單一故障能導(dǎo)致停機(jī)停堆的電源。

②L2級(jí)電源：非執(zhí)行安全保護(hù)功能的控制系統(tǒng)部分的供電電源，但其失效可能引起核安全相關(guān)設(shè)備功能水平降低。

③L3級(jí)電源：除L1級(jí)和L2級(jí)外的電源。大多數(shù)電源屬于該類(lèi)型。

2 電源可靠性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求

測(cè)試項(xiàng)目如表1所示。

表1 測(cè)試項(xiàng)目Tab.1 Test items

目前，核電行業(yè)已編制出版標(biāo)準(zhǔn)《NB/T 20197.3-2014 核電廠儀表和控制設(shè)備可靠性及老化檢測(cè) 第3部分：電源》[4]，規(guī)定了核電廠儀控系統(tǒng)使用電源的特性參數(shù)、通用要求和檢測(cè)方法。標(biāo)準(zhǔn)中將對(duì)電源的檢測(cè)分為備件驗(yàn)收檢測(cè)、烤機(jī)篩選檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)電源定期檢測(cè)、老化狀態(tài)檢測(cè)、老化緩解后功能驗(yàn)證和失效分析六類(lèi)。六類(lèi)檢測(cè)包括17項(xiàng)具體的測(cè)試，檢驗(yàn)項(xiàng)全面。檢驗(yàn)要求嚴(yán)格，包括了電源的各類(lèi)典型參數(shù)以及功能特性。核電站電源可靠性檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 基本測(cè)量原理

核電站電源可靠性檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the system

核電站儀控電源定義為被測(cè)電源。為對(duì)該被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，需要有以下三部分設(shè)備。

①一次側(cè)電源：向被測(cè)電源供電，可以提供一路或多路直流或交流電源。

②二次側(cè)負(fù)載：作為被測(cè)電源的負(fù)載，可以調(diào)節(jié)處于電阻模式或阻容模式，用于模擬純阻性負(fù)載或帶有電容和電感的負(fù)載。負(fù)載可調(diào)，用于模擬被測(cè)電源的不同帶載工況。

③采集設(shè)備：用于對(duì)被測(cè)電源輸入端和輸出端的電流和電壓值以及紋波進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

核電站電源可靠性檢測(cè)系統(tǒng)為適應(yīng)各類(lèi)電源，采用可擴(kuò)展的框架式結(jié)構(gòu)，分為設(shè)備資源部分以及接口箱部分。電源測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of the system

設(shè)備資源包括設(shè)備柜、測(cè)控柜以及接口柜。設(shè)備柜主要安裝各類(lèi)一次側(cè)程控電源、電子負(fù)載以及繼電保護(hù)單元。測(cè)控柜主要用于一次側(cè)和二次側(cè)電壓電流信號(hào)的調(diào)理和采集。示波器采集系統(tǒng)，用于紋波測(cè)量以及電源動(dòng)態(tài)特性測(cè)試；工控機(jī)，用于上位機(jī)操作；鍵盤(pán)視頻鼠標(biāo)(keyboard video mouse,KVM)一體設(shè)備，用于鼠標(biāo)鍵盤(pán)操作以及顯示。資源接口面板主要用于匯集設(shè)備柜和測(cè)控柜的資源接口，最終形成四組定義好的端接口，由四根預(yù)制的線(xiàn)纜與被測(cè)電源接口箱進(jìn)行連接。系統(tǒng)連接總體采用四線(xiàn)制，以減少線(xiàn)纜壓降的影響，提高測(cè)量精度。

接口箱作為被測(cè)電源與資源接口的本地適配單元，對(duì)由接口柜提供的設(shè)備資源進(jìn)行合理配置和預(yù)連接。靈活的配置方式，可以最大限度地利用現(xiàn)有資源，解決測(cè)試電源多樣化、復(fù)雜化的問(wèn)題。這部分工作由系統(tǒng)工程師完成，將系統(tǒng)復(fù)雜接口與用戶(hù)隔離，進(jìn)而提高用戶(hù)的使用體驗(yàn)。

3.3 采集卡

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采集卡設(shè)計(jì)為對(duì)一路輸入的電流和電流同時(shí)進(jìn)行調(diào)理和采集。電路功能主要分為：電壓/電流調(diào)理電路、精密模數(shù)電路以及數(shù)據(jù)通信協(xié)議電路。在結(jié)構(gòu)上，采集卡為標(biāo)準(zhǔn)3U卡，采用Compact PCI總線(xiàn)[5]，實(shí)現(xiàn)雙路電壓和電流信號(hào)的隔離采集。

3.3.1 電壓調(diào)理

電壓調(diào)理的作用是將電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)比例的縮放和隔離后送至模數(shù)電路進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。電源測(cè)試系統(tǒng)電壓調(diào)理原理圖如圖3所示。

圖3 電壓調(diào)理原理圖Fig.3 Schematic diagram of voltage conditioning

電壓調(diào)理電路由精密分壓電路、運(yùn)算放大電路和隔離電路組成。精密分壓電路將電壓調(diào)整成測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓，設(shè)計(jì)時(shí)要注意溫度漂移和時(shí)間漂移的補(bǔ)償。運(yùn)算放大電路主要考慮高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。隔離電路可以對(duì)前后級(jí)進(jìn)行隔離保護(hù)。

3.3.2 電流調(diào)整

電流調(diào)理卡的核心元器件為閉環(huán)霍爾電流傳感器[6]。被測(cè)電流流過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，由通過(guò)霍爾元件輸出信號(hào)控制的補(bǔ)償電流流過(guò)次級(jí)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償，當(dāng)原邊與副邊的磁場(chǎng)達(dá)到平衡時(shí)，其補(bǔ)償電流即可精確反映原邊電流值。閉環(huán)霍爾電流傳感器，用于測(cè)量直流、交流、脈沖電流[7]。

測(cè)量電流In通過(guò)磁芯的主邊，在副邊補(bǔ)償線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流Im。設(shè)計(jì)中，選用閉環(huán)霍爾電流傳感器匝比為1∶1 000，原邊電流輸入為1 A時(shí)，副邊感應(yīng)電流為1 mA，用1 kW的采樣電阻，獲得電壓值為1 V。 電源測(cè)試系統(tǒng)電流調(diào)理原理圖如圖4所示。

圖4 電流調(diào)理原理圖Fig.4 Schematic diagram of current conditioning

3.3.3 精密A/D電路實(shí)現(xiàn)

A/D電路實(shí)現(xiàn)原理圖如圖5所示。

圖5 A/D電路實(shí)現(xiàn)原理圖Fig.5 Schematic diagram of A/D circuit implementation

系統(tǒng)采用高速16位A/D芯片A/D7686，A/DR444提供精密基準(zhǔn)源。A/D7686的輸出通過(guò)ADuM1401進(jìn)行隔離后送給現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array,FPGA)進(jìn)行讀取和處理。

3.3.4 CPCI實(shí)現(xiàn)

采集卡采用緊湊型外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)(compact peripheral component interconnect， CPCI)總線(xiàn)。該總線(xiàn)是一種基于標(biāo)準(zhǔn)PCI總線(xiàn)的、小巧而堅(jiān)固的高性能總線(xiàn)技術(shù)，由全球PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造組織(PCI industrial computer manufacturers group,PICMG)于1994年提出。在電氣、邏輯和軟件方面，它與PCI標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。目前，Compact PCI已在智能交通、電力、航空航天、醫(yī)療器械、水利等領(lǐng)域有了非常廣泛的應(yīng)用。CPCI實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

圖6 CPCI實(shí)現(xiàn)圖Fig.6 CPCI Implementation

PLX 9054作為一種接口芯片[8]，在CPCI總線(xiàn)和本地總線(xiàn)之間傳遞信息。FPGA芯片接口到PLX 9054，由該芯片與主控制器搭建一座硬件橋，完成數(shù)據(jù)傳輸。

PLX 9054工作于C模式。該模式是一種類(lèi)似于單片機(jī)的工作方式。在這種工作模式下，9054芯片通過(guò)片間邏輯控制，將PCI的地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)分開(kāi)，為本地工作時(shí)序提供各種工作方式。設(shè)計(jì)者只要嚴(yán)格地把握時(shí)序的控制，就可以實(shí)現(xiàn)CPCI總線(xiàn)的功能[9]。

4 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)

上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)包括采集卡驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序兩個(gè)部分。驅(qū)動(dòng)基于PLX SDK開(kāi)發(fā)。PLX SDK是由PLX公司提供的、專(zhuān)門(mén)針對(duì)該公司生產(chǎn)的PCI Express接口芯片的軟件開(kāi)發(fā)工具包，可以快速地完成驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。應(yīng)用程序運(yùn)行在Windows平臺(tái)，界面基于wxWidgets開(kāi)源庫(kù)[10]，采用C#編程語(yǔ)言。在項(xiàng)目工程中，定義該對(duì)象類(lèi)CPobject和連接類(lèi)CConnect兩個(gè)基礎(chǔ)類(lèi)。

圖7 CPobject和CConnect基礎(chǔ)類(lèi)定義圖Fig.7 Definition of CPobject and CConnect base classes

CPobject類(lèi)定義了設(shè)備的屬性和操作，系統(tǒng)中的各類(lèi)設(shè)備均從該類(lèi)派生。CConnect類(lèi)定義了連接動(dòng)作。由于系統(tǒng)中各類(lèi)設(shè)備的連接協(xié)議不一致，從該類(lèi)派生出GPIB、串口、并口以及USB通信協(xié)議類(lèi)。

由于四類(lèi)電源的測(cè)試項(xiàng)有區(qū)別，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用[MVC模式，即模型(model)-圖(view)-控制器(controller)]，將業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)和界面顯示分離開(kāi)。不同類(lèi)型的電源，對(duì)應(yīng)一個(gè)配置文件，分別對(duì)測(cè)試項(xiàng)和界面進(jìn)行定義。在測(cè)試時(shí)，根據(jù)電源型號(hào)自動(dòng)加載用戶(hù)動(dòng)作和顯示數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于核電站電源可靠性測(cè)試系統(tǒng)在穩(wěn)定度和測(cè)試要求方面的特殊性，系統(tǒng)在測(cè)量精度和安全性方面有較高的要求。本文從核電站電源可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及其具體實(shí)現(xiàn)入手，設(shè)計(jì)了一種核電站電源用可靠性測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集卡基于CPCI數(shù)據(jù)總線(xiàn)，運(yùn)用了電流電壓調(diào)理電路以及高精度A/D采集電路，保證了系統(tǒng)測(cè)量精度和可用率，符合核電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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