核電廠安全性能監(jiān)督系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)研究

周健文，顧誕英，馬 駿

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233）

0 引言

當(dāng)前，核電廠在調(diào)試、設(shè)計、運行、維護等階段，缺乏統(tǒng)一且集成的管理平臺，導(dǎo)致許多信息無法共享。同時，隨著核電廠信息化規(guī)模的不斷提高，如何有效存儲、方便利用、深度挖掘核電廠全生命周期內(nèi)大量的、有價值的生產(chǎn)數(shù)據(jù)并進行深層次分析，提高核電廠的運行管理水平，提升電廠的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，已經(jīng)越來越顯示出其必要性。

在這樣的背景以及工業(yè)4.0 和中國制造2025 的共同推動下，數(shù)字化核電廠已成為當(dāng)前核電廠的必然發(fā)展方向。本文提出了核電廠安全性能監(jiān)督系統(tǒng)（以下簡稱安全性能監(jiān)督系統(tǒng)）的概念，將數(shù)字化和智能化技術(shù)引入到核電廠儀控系統(tǒng)中，是構(gòu)建數(shù)字化核電廠的關(guān)鍵技術(shù)。

1 安全性能監(jiān)督系統(tǒng)簡介

1.1 基本概念

安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的本質(zhì)是一個融合計算機技術(shù)、控制理論、人工智能、管理科學(xué)、決策科學(xué)等學(xué)科與技術(shù)于一體的數(shù)字信息處理系統(tǒng)。它通過獲取核電廠實時數(shù)據(jù)網(wǎng)中原有的控制與保護相關(guān)的信息和專為安全性能監(jiān)督系統(tǒng)設(shè)置的信息，按照特定的算法進行處理后，呈現(xiàn)給核電廠的業(yè)務(wù)人員（如核電廠操縱員、維護人員、設(shè)計人員等），為核電廠的業(yè)務(wù)提供信息支持。從概念上講，所有如數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器（PLC）等高級控制系統(tǒng)以及屬于系統(tǒng)與設(shè)備的信息，均可作為安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的底層支持平臺，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源。因此，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)具有豐富的內(nèi)涵。

同時，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)應(yīng)是集中整合了全廠電力生產(chǎn)過程的工藝流程和實時數(shù)據(jù)（包括屬于系統(tǒng)與設(shè)備的信息），可利用生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)進行二次開發(fā)的高級應(yīng)用功能軟件。如安全狀態(tài)監(jiān)測、運行性能監(jiān)測、設(shè)備可維修性監(jiān)測等，只要是功能成熟的，并且在具體應(yīng)用實踐中能夠?qū)﹄娏ιa(chǎn)過程進行動態(tài)分析、監(jiān)測、計算、優(yōu)化和管理的，或提升電廠安全性、經(jīng)濟性的功能模塊，均可納入該系統(tǒng)的范疇。因此，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)具有廣闊的外延。

1.2 作用

根據(jù)安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的定義，應(yīng)在電廠中發(fā)揮以下幾個方面的作用：

1）集中管控：實現(xiàn)電廠全生命周期的信息存儲和實時共享，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理與使用。

2）實時互聯(lián)：建立電廠管理人員與操縱員的實時互聯(lián)，提高現(xiàn)場決策與處置能力。

3）信息處理：通過采用各種先進的數(shù)據(jù)處理方法和模型，實現(xiàn)信息的高效處理與挖掘，并為電廠相應(yīng)人員（操縱員、運維人員等）提供狀態(tài)、操作指示。

4）精細管理：為電廠管理人員提供維護和管理建議，實現(xiàn)電廠由粗放式管理向精細化轉(zhuǎn)型，提高電廠的經(jīng)濟性。

同時，面對不同的服務(wù)對象，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)應(yīng)各有側(cè)重，其應(yīng)用場景包括：

a）為操縱員提供運行服務(wù)、事故信息、數(shù)據(jù)分析、故障診斷等信息。

b）為運維人員提供設(shè)備狀態(tài)、疲勞監(jiān)測、趨勢分析、性能監(jiān)測、故障診斷等信息。

c）為電廠決策層提供電廠關(guān)鍵信息，及時的事故信息、應(yīng)急響應(yīng)等技術(shù)支持。

d）為設(shè)計院提供全面的電廠運行與維護數(shù)據(jù)，同時便于設(shè)計院為電廠提供先進的電廠分析、持續(xù)的運維支持和輔助決策支持。

2 系統(tǒng)建設(shè)方案

2.1 相關(guān)技術(shù)調(diào)研

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式Fig.1 System structure

國內(nèi)核電領(lǐng)域，中廣核正在開展“智能電站”“智慧電站”相關(guān)研究與建設(shè)，目標(biāo)是解決核電設(shè)計與建造無縫銜接問題，實現(xiàn)核電站從建造到運行全生命周期的數(shù)字化管理。目前，已開展三維協(xié)同設(shè)計、可視化施工和全廠數(shù)據(jù)的收集[1]；中核集團以福清核電5、6 號機組為依托項目，啟動“數(shù)字核電”專項工作，目前基于西門子+達索平臺，實現(xiàn)集團層面的項目進度瀏覽、物資報備等；國家核電致力于基于大數(shù)據(jù)的智能化核電廠運維服務(wù)支持平臺，目前已實現(xiàn)了操縱員支持系統(tǒng)、疲勞監(jiān)測系統(tǒng)、風(fēng)險監(jiān)測器等系統(tǒng)的開發(fā)。國外的EPRI、NRC、HALDEN 等研究機構(gòu)也都對核電廠的智能化監(jiān)測發(fā)布了相關(guān)的報告和標(biāo)準(zhǔn)，EPRI 研究了從傳感器、數(shù)據(jù)的獲取到電廠的系統(tǒng)平臺、工具、軟硬件技術(shù)到可靠性監(jiān)測、系統(tǒng)設(shè)備的健康管理、故障診斷到最后的信息的呈現(xiàn)這一系列的關(guān)鍵技術(shù)；NRC 和HALDEN 則重點研究了儀表校準(zhǔn)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和大數(shù)據(jù)等技術(shù)在設(shè)備監(jiān)測診斷方面的應(yīng)用[2-8]。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

安全性能監(jiān)督系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的信息處理系統(tǒng)，建設(shè)周期較長。根據(jù)2.1 的相關(guān)技術(shù)調(diào)研，本文將首先提出安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，在此基礎(chǔ)上進行架構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計，逐步完成安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的建設(shè)。

根據(jù)安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的定義，該系統(tǒng)應(yīng)是一個以軟件為核心，包括硬件的計算機信息處理系統(tǒng)。概括來說，應(yīng)由數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)3 大模塊組成，如圖1 所示。

2.3 架構(gòu)設(shè)計

在目前通用計算機技術(shù)廣泛應(yīng)用的條件下，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)在實現(xiàn)上不存在不可克服的技術(shù)困難。為了滿足核電廠現(xiàn)階段需求和長期發(fā)展的要求，需特別關(guān)注技術(shù)的成熟性、通用性、可擴展性與可靠性。因此，在安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，充分選用成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)來構(gòu)建安全性能監(jiān)督系統(tǒng)。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2.4 功能設(shè)計

圖2 安全性能監(jiān)督系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of safety performance monitoring system

安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的核心應(yīng)用功能主要包括3 大版塊：安全狀態(tài)監(jiān)測、運行性能監(jiān)測、設(shè)備可維修性以及在此基礎(chǔ)上利用大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)據(jù)倉庫等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更深層次的挖掘。具體實現(xiàn)功能如下：

2.4.1 安全狀態(tài)監(jiān)測

安全狀態(tài)監(jiān)測主要目的是確定當(dāng)前電廠的運行狀態(tài)是否安全，一旦發(fā)生事故可診斷出發(fā)生了何種事故，并給出用以事故緩解的系統(tǒng)和設(shè)備的可用狀態(tài)，從而為優(yōu)化事故緩解方案提供支持。

安全狀態(tài)監(jiān)測可包括：堆芯運行限值、6 大關(guān)鍵安全功能、緊急停堆條件、安保條件、安全殼壓力及放射性監(jiān)測以及用以事故緩解系統(tǒng)及設(shè)備的可用狀態(tài)。

2.4.2 運行性能監(jiān)測

運行性能監(jiān)測的主要目的是用以確定電廠的運行狀態(tài)和運行性能，各系統(tǒng)的使用及可能產(chǎn)生的疲勞情況，從而為優(yōu)化電廠運行提供支持。

運行性能監(jiān)測范圍主要包括：主要系統(tǒng)性能監(jiān)測、熱工裕量、燃料性能等，具體監(jiān)測診斷內(nèi)容如下：

1）主要系統(tǒng)性能監(jiān)測

具體按能量傳遞過程劃分，主要系統(tǒng)包括：堆芯、蒸汽發(fā)生器、汽輪機、發(fā)電機、電網(wǎng)等。

2）熱工裕量監(jiān)測

當(dāng)前，電廠系統(tǒng)的運行狀態(tài)點與運行限值之間的裕量，包括偏離泡核沸騰比、過冷度等裕量監(jiān)測。

3）燃料性能監(jiān)測

用以反映燃料性能，包括燃料棒中心溫度、熱流密度、燃料棒內(nèi)壓、包殼破損程度等。

2.4.3 設(shè)備可維修性

圖3 系統(tǒng)首頁界面示意圖Fig.3 Schematic diagram of system home page interface

安全性能監(jiān)督系統(tǒng)采用先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)故障的快速導(dǎo)出、故障分析與診斷、故障預(yù)測與預(yù)警。若發(fā)生故障時，能夠快速找出其故障首出原因、保護動作順序，實現(xiàn)對故障進行快速分析，縮短故障分析處理時間，同時綜合分析故障前后相關(guān)信息，結(jié)合設(shè)備/系統(tǒng)模型及運行經(jīng)驗，指導(dǎo)故障維修。故障預(yù)測與預(yù)警，是對設(shè)備存在的風(fēng)險和隱患及時提醒，指導(dǎo)電廠管理部門確定發(fā)電計劃、檢修計劃及更新改造計劃。監(jiān)測的對象主要包括主設(shè)備、控制棒驅(qū)動機構(gòu)、泵、閥、風(fēng)機、儀表等。

2.4.4 大數(shù)據(jù)分析

由于安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的目標(biāo)是整合全廠所有機組的數(shù)據(jù)，在實現(xiàn)了進階階段的應(yīng)用功能后，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)中將產(chǎn)生大量的與安全、性能和設(shè)備可維修性相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且這3 大應(yīng)用功能彼此間必然存在著較大的相關(guān)性和耦合性，如何更深層次地分析相互之間的相關(guān)性，避免冗余、矛盾的數(shù)據(jù)，在安全、性能、維修的3 個維度以最直觀的呈現(xiàn)方式給電廠的運維、管理決策層提供參考，是當(dāng)前核電廠實現(xiàn)智能化的關(guān)鍵技術(shù)。

要實現(xiàn)上述目標(biāo)，必須依賴于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。大數(shù)據(jù)分析的定義是指從大型數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫中提取出隱含的、先前未知的、對決策有潛在價值的知識和規(guī)則。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，不僅可以描述過去數(shù)據(jù)的發(fā)展，還能夠進一步預(yù)測未來的趨勢。數(shù)據(jù)挖掘作為一門交叉學(xué)科，它可以把人們從數(shù)據(jù)的應(yīng)用從低層次的簡單查詢，提升到從數(shù)據(jù)中挖掘知識，提供決策支持。

大數(shù)據(jù)技術(shù)涉及了許多領(lǐng)域，有概率統(tǒng)計、信息論、運籌學(xué)、模式識別、人工智能、計算機仿生、計算機圖形學(xué)等。通過近20 年的積累，國外在這一領(lǐng)域研究成果眾多，特別是在決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和規(guī)則生成方面。在核電乃至工業(yè)領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)分析的研究起步較晚，但已具備了較為豐富的理論基礎(chǔ)，大數(shù)據(jù)在核電領(lǐng)域的應(yīng)用將顯著提升核電廠的智能化水平。

3 原型開發(fā)

本文具體以4 個應(yīng)用功能作為實例，按照安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，完成了4 個實例的開發(fā)。4 個實例采用了4 種典型的不同的集成方式，以驗證系統(tǒng)方案建設(shè)的可行性和架構(gòu)的靈活性。

3.1 總貌

安全性能監(jiān)督系統(tǒng)首頁如圖3 所示，其中包括了安全狀態(tài)監(jiān)測、運行性能監(jiān)測和設(shè)備可維修性3 大應(yīng)用功能鏈接和電廠主要性能指標(biāo)。

3.2 集成

在原型開發(fā)中，選擇了4 個實例與安全性能監(jiān)督系統(tǒng)進行集成，具體集成方式如下：

1）數(shù)據(jù)智能分析應(yīng)用功能作為實例一，直接在安全性能監(jiān)督系統(tǒng)平臺上進行算法組態(tài)，通過獲取平臺數(shù)據(jù)庫內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)進行分析。該應(yīng)用通過7 天的常規(guī)島歷史報警數(shù)據(jù)，基于溫度、預(yù)警數(shù)、發(fā)電效率等主題從數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)倉庫維度確定，數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)等方面，示意性地展現(xiàn)了大數(shù)據(jù)分析的流程。

2）智能報警診斷系統(tǒng)作為實例二，智能診斷模塊已進行開發(fā)并封裝成DLL。安全性能監(jiān)督系統(tǒng)平臺通過調(diào)用DLL 并在系統(tǒng)平臺上組態(tài)相應(yīng)的界面，實現(xiàn)智能診斷的應(yīng)用。

3）電廠模式計算應(yīng)用功能作為實例三，以獨立的程序，運行于應(yīng)用服務(wù)器，采用數(shù)據(jù)庫通信，借助數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，有獨立的用戶界面和維護界面。

4）安全殼泄漏率監(jiān)視應(yīng)用功能作為實例四，運行于移動設(shè)備（Android 手機），采用網(wǎng)頁鏈接的方式與安全性能監(jiān)督系統(tǒng)進行集成，基于WEB 方式顯示安全殼泄漏率監(jiān)視的運行界面。

4 總結(jié)

在工業(yè)4.0、中國制造2025 推動智能技術(shù)的快速發(fā)展和社會對安全、經(jīng)濟運行核電廠提出更高要求的背景下，提出了安全性能監(jiān)督系統(tǒng)，旨在提高核電廠的數(shù)字化和信息化水平。重點研究安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的功能設(shè)計和架構(gòu)設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上進行4 個實例的開發(fā)，同時采用4 種不同的集成方式與安全性能監(jiān)督系統(tǒng)進行集成，充分驗證了系統(tǒng)技術(shù)方案的通用性、靈活性和擴展性，為后續(xù)全面開展數(shù)字化電廠建設(shè)提供有價值的參考。