核電廠數(shù)字化儀表與控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究

周錦毅

（浙江萬納核電檢修有限公司，浙江 海鹽 314300）

核電屬于國內(nèi)電力網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，受限于技術(shù)原理與材料等因素影響，核電廠運行安全風(fēng)險相對較高，需要采取可靠的儀表與控制系統(tǒng)，確保生產(chǎn)流程能夠正常進(jìn)行。在傳統(tǒng)體系下，國內(nèi)核電站主要應(yīng)用模擬儀表與控制系統(tǒng)作為配套設(shè)施。隨著信息技術(shù)逐漸發(fā)展，數(shù)字化儀表與控制系統(tǒng)開始展露其應(yīng)用優(yōu)勢。對此，核電廠需要明確相關(guān)儀表系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢，確保其能夠得到妥善部署，為未來革新發(fā)展提供重要助力。

1 核電廠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)優(yōu)勢

1.1 有利于抗干擾能力

通過應(yīng)用數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)，能夠顯著提高核電廠設(shè)施運行抗干擾能力，有利于克服數(shù)據(jù)漂移影響，繼而提高日常運行測量與管理精度。相對于傳統(tǒng)模擬儀表控制系統(tǒng)而言，數(shù)字化系統(tǒng)信息儲量較為龐大，同時傳輸速率高，能夠有效克服電磁干擾環(huán)境，有利于簡化儀表與控制系統(tǒng)，為后續(xù)穩(wěn)定運行創(chuàng)造理想條件[1]。根據(jù)NB-T 20218-2013《核電廠安全重要儀表和控制設(shè)備電磁兼容性試驗要求》相關(guān)數(shù)據(jù)，核電廠數(shù)字化儀表應(yīng)當(dāng)達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的抗擾度級別，表1為射頻電磁場抗擾度級別。除此之外，數(shù)字化儀表還應(yīng)當(dāng)達(dá)到傳導(dǎo)、脈沖群、浪涌抗擾度標(biāo)準(zhǔn)，確保其能夠維持正常運行，保障電力生產(chǎn)穩(wěn)定，降低出現(xiàn)精度故障的概率。

表1 核電廠數(shù)字化儀表射頻電磁場抗擾度級別一覽Table 1 List of RF electromagnetic field immunity levels ofdigital instruments in nuclear power plants

1.2 有利于冗余安全設(shè)計

通過應(yīng)用數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)，能夠有效提高核電站運行冗余性，有利于應(yīng)對突發(fā)故障問題，并提高系統(tǒng)工作容錯率，降低出現(xiàn)嚴(yán)重事故的概率。數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)主要利用光纖完成信息交換，其能夠設(shè)置旁通或在線檢修、自動校正功能[2]。因此，相對于傳統(tǒng)儀表而言，數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的冗余性較強，能夠為安全設(shè)計方案提供重要支持。

1.3 有利于數(shù)據(jù)存儲與交互

數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)可以為信息存儲與人機交互提供便捷條件，能夠顯著提高追溯工作簡潔性，降低數(shù)據(jù)查詢難度并提高存儲安全級別。同時，數(shù)字化系統(tǒng)還可以對報警內(nèi)容進(jìn)行快速篩選，避免關(guān)鍵信息被數(shù)據(jù)流淹沒的情況出現(xiàn)，有效提高了核電站運行安全性。除此之外，數(shù)字化系統(tǒng)允許對信息進(jìn)行二次驗證，能夠為核電站監(jiān)控與性能管理提供有利條件，具有重要應(yīng)用優(yōu)勢。

1.4 有利于標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)

數(shù)字化儀表與控制系統(tǒng)可以采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計與部署方式，其軟硬件通用程度較高，同時部署適應(yīng)性強，可以在多種場景條件下進(jìn)行應(yīng)用，無需進(jìn)行二次開發(fā)處理。同時，數(shù)字化儀表系統(tǒng)均經(jīng)過了生產(chǎn)與長期應(yīng)用的設(shè)計考驗，因此整體穩(wěn)定性較強，可以顯著降低運行管理費用，對于維持核電站的穩(wěn)定運行具有明顯支持作用[3]。

1.5 有利于線上故障診斷

數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)可以提供互聯(lián)網(wǎng)登入接口，其能夠允許技術(shù)員進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試，并診斷可能的故障原因，為現(xiàn)場排查工作提供有力支持。同時，網(wǎng)絡(luò)接口也可以發(fā)送檢測或安全試驗信號，能夠降低由于誤差原因?qū)е峦６褑栴}的可能性。在智能化方案加持下，數(shù)字儀表系統(tǒng)還可以通過分析相關(guān)運行數(shù)據(jù)，自動定位故障問題并嘗試應(yīng)用預(yù)制解決方案[4]。在重復(fù)嘗試未獲得正面結(jié)果的情況下，系統(tǒng)可以自動通知網(wǎng)絡(luò)管理員，確保核電站運行安全。

1.6 有利于應(yīng)用方案調(diào)整

相對于模擬儀表與控制系統(tǒng)而言，數(shù)字化方案能夠?qū)?yīng)用管理框架進(jìn)行革新，使保護(hù)參數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的調(diào)整可以通過軟件平臺進(jìn)行。通過此類方式，能夠顯著降低應(yīng)用方案修改難度，有利于簡化核電站運行管理流程，為節(jié)約工作成本提供重要支持。同時，數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)還可以自動計算相關(guān)數(shù)據(jù)，對應(yīng)用方案展開靈活調(diào)整，有利于平衡反應(yīng)堆安全性與輸出功率，幫助核電站提高運行效益，實現(xiàn)理想工作目標(biāo)[5]。

2 核電廠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀與典型案例探究

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)目前已經(jīng)在核電站得到了較為廣泛的應(yīng)用，其基礎(chǔ)類型相對豐富，可以簡單分為模擬數(shù)字混合以及一體化數(shù)字兩種。模擬數(shù)字混合系統(tǒng)又被稱為DCS 方案，其基礎(chǔ)模塊建立在模擬控制基礎(chǔ)上，通過整合大規(guī)模集成電路，實現(xiàn)數(shù)字化功能目標(biāo)[6]。相對于傳統(tǒng)的單一模擬控制方案，DCS 可以顯著減少所需硬件與軟件，同時可以提供數(shù)字化應(yīng)用功能，使核電站儀表控制系統(tǒng)能夠得到有效革新，在低成本前提下實現(xiàn)數(shù)字化發(fā)展目標(biāo)。目前，國內(nèi)廣東嶺澳核電站便是DCS 方案的典型案例之一，其核島KIT/KPS 系統(tǒng)采用了法國生產(chǎn)的α4100，常規(guī)島采用了ALSTOM P320，能夠維持穩(wěn)定的運行控制效果。

一體化數(shù)字控制系統(tǒng)在內(nèi)部架構(gòu)與整體軟件層面全部應(yīng)用了數(shù)字化方案，其應(yīng)用效率相對較高，同時整體保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性強，能夠整合人機接口、光纖網(wǎng)絡(luò)、智能化等應(yīng)用技術(shù)，使核電站運行體系得到有效革新[7]?？梢哉J(rèn)為，一體化數(shù)字儀表與控制系統(tǒng)屬于核電站未來發(fā)展的必然趨勢，其能夠幫助提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，同時也可以增強系統(tǒng)可拓展性，對于核電站創(chuàng)新建設(shè)具有重要支持意義。目前，較為常見的一體化數(shù)字控制系統(tǒng)包括西門子Teleperm XP+XS、美國西屋Ovation+Advent 等。

2.2 典型案例

2.2.1 西門子Teleperm XP+XS

西門子Teleperm XP+XS 屬于一體化數(shù)字方案，其主要以分布式狀態(tài)進(jìn)行部署，能夠有效利用集中計算機實現(xiàn)信號處理、測量控制與通信功能，有利于強化核電站運行穩(wěn)定性與安全性，其典型架構(gòu)如圖1。在運行過程中，系統(tǒng)主要分為兩個控制模塊，模塊間利用通信渠道完成數(shù)據(jù)交換，共同處理核電站運行生產(chǎn)任務(wù)。

圖1 Teleperm XP+XS系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.1 Teleperm XP+XS system infrastructure

Teleperm XP+XS 系統(tǒng)可以按照基礎(chǔ)功能分為5 個基礎(chǔ)模塊，即機組、通信、處理、控制以及現(xiàn)場。機組模塊主要面向主控室進(jìn)行服務(wù)，其能夠?qū)に嚵鞒陶归_管理，通過整體監(jiān)測與觀察方式，建立主控區(qū)域與信息化系統(tǒng)之間的溝通接口。在實際應(yīng)用階段，機組模塊需要向操作終端發(fā)送相關(guān)信息，使管理員能夠及時獲知核電站運行狀態(tài)，并完成相應(yīng)管理操作。除此之外，機組模塊還需要自動進(jìn)行信息的統(tǒng)計與文件歸檔，為后續(xù)追溯流程提供基礎(chǔ)條件。

通信模塊主要包括終端與核電站總線兩個基礎(chǔ)部分，終端總線處于實時監(jiān)測狀態(tài)，其能夠針對框架內(nèi)部信息進(jìn)行檢查，并完成階段控制與處理任務(wù)。核電站總線可以將分布式系統(tǒng)進(jìn)行通信整合，使相關(guān)數(shù)據(jù)能夠通過光纖進(jìn)行傳遞，確保核電站儀表與控制系統(tǒng)可以維持正常運轉(zhuǎn)。核電站總線需要保證內(nèi)部處理器能夠順利完成自動化任務(wù)，同時為操作監(jiān)測、工程設(shè)計診斷的通信提供基礎(chǔ)條件[8]。在應(yīng)用過程中，該總線可以與一體化系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)相連接，繼而完成設(shè)備的整合與調(diào)試，為設(shè)備信息共享創(chuàng)設(shè)穩(wěn)定渠道。

處理模塊主要利用系統(tǒng)信號計算設(shè)備完成任務(wù)操作，其能夠快速收集各種信號內(nèi)容，包括PU、ET、DT 等計算機模塊，以確保相關(guān)信號能夠正常傳遞，并完成自動處理流程，為核電站的生產(chǎn)運行做好管理準(zhǔn)備。

控制模塊主要包括自動化與過程操作兩部分，自動化能夠利用故障安全操作子系統(tǒng)（APF）以及自動控制子系統(tǒng)（AP）完成相關(guān)場景的智能化應(yīng)對流程，確保核電站問題能夠在第一時間得到處理[9]。自動控制的核心部件能夠與核電站運行模式相整合，使其可以針對現(xiàn)場設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行智能操作，有利于降低事故出現(xiàn)概率，實現(xiàn)穩(wěn)定運行目標(biāo)。過程操作可以為系統(tǒng)控制提供數(shù)據(jù)交換平臺，能夠完成開環(huán)閉環(huán)管控以及邏輯管理、測量結(jié)果統(tǒng)計等諸多任務(wù)。

現(xiàn)場模塊主要包括傳感設(shè)備與測量變送裝置，其能夠利用網(wǎng)絡(luò)渠道發(fā)送統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使總線系統(tǒng)可以順利完成信息交換流程，為后續(xù)系統(tǒng)的安全運行與管理提供重要條件[10]。除此之外，現(xiàn)場模塊還需要為系統(tǒng)安全以及控制模式提供緊急數(shù)據(jù)傳輸渠道，確保相關(guān)管理指令能夠得到妥善執(zhí)行，降低出現(xiàn)問題的概率。

2.2.2 西屋Ovation+Advent

西屋Ovation+Advent 屬于新型核電站儀表與控制系統(tǒng)，其同樣采用分布式部署方案，典型結(jié)構(gòu)如圖2。相對于西門子Teleperm XP+XS 系統(tǒng)而言，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更加簡單，同時具有良好的應(yīng)用效率，能夠在核電站管理工作中發(fā)揮重要影響作用。通常情況下，該系統(tǒng)主要包括4 個基礎(chǔ)層次，即操作控制級、通信級、過程控制級、過程界面級。

圖2 Ovation+Advent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Ovation+Advent System structure

操作控制級主要用于管理員與系統(tǒng)之間的交互處理，其能夠提供人機接口界面，使管理人員快速瀏覽當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，并利用操作設(shè)備完成指令發(fā)送。該系統(tǒng)接口界面主要分為安全與非安全兩種，安全級負(fù)責(zé)反應(yīng)堆停堆處理以及專用驅(qū)動操控任務(wù)，其能夠通過硬接線完成指令發(fā)送，同時也可以在緊急狀態(tài)下通過盤上設(shè)備直接完成預(yù)設(shè)任務(wù)，確保災(zāi)難性事故能夠得到及時處理。非安全級主要負(fù)責(zé)常規(guī)管理操作，其發(fā)送效率較高，同時無需特定處理即可進(jìn)行操作管控[11]。

通信級主要利用以太網(wǎng)連接核電站內(nèi)部設(shè)備與軟件平臺，其能夠以雙環(huán)冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行部署，有利于降低網(wǎng)絡(luò)故障對于整體運行效率的影響。同時，該系統(tǒng)采用了開放型網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，可以利用計時環(huán)形令牌完成數(shù)據(jù)處理，基礎(chǔ)總線傳輸速率能夠達(dá)到100Mb/s。在實際運行過程中，系統(tǒng)能夠以200000 過程點/s 傳送速率進(jìn)行工作，極限支持設(shè)備數(shù)量可達(dá)1000 個，可以為核電站運行提供完善的通信支持。

過程控制級主要負(fù)責(zé)核電站機組的保護(hù)與控制工作，其能夠利用數(shù)據(jù)傳輸平臺與計算機設(shè)備完成信息處理工作，同時其也需要根據(jù)安全等級進(jìn)行分割，以確保核電站運行管理穩(wěn)定性。該控制級安全界面主要包括反應(yīng)堆維護(hù)、設(shè)施驅(qū)動系統(tǒng)等關(guān)鍵部分，在運行過程中需要通過權(quán)限驗證或其它方式，進(jìn)入相應(yīng)管理界面并完成操作。非安全界面主要包括核島控制、信息系統(tǒng)管理以及堆芯監(jiān)測等任務(wù)模式，這些模塊對于整體穩(wěn)定性影響較小，因此可以通過簡單操作方式進(jìn)行管理。

過程界面級主要針對設(shè)備直連儀表裝置進(jìn)行操作，包括傳感設(shè)備、變送裝置、執(zhí)行設(shè)備等。在部署過程中，該級別主要采用硬接線進(jìn)行處理，使邏輯機柜與現(xiàn)場多路轉(zhuǎn)換能夠通過遠(yuǎn)程I/O 通道完成連接。同時，現(xiàn)場區(qū)域的智能化變送裝置也需要通過該模塊進(jìn)行操作，通過定制化處理，系統(tǒng)可以針對此類設(shè)備發(fā)送控制指令，實現(xiàn)自動化管理目標(biāo)，有利于核電站運行效率提升。

3 核電廠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢研究

3.1 革新應(yīng)用觀念

隨著信息化技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的應(yīng)用方案成熟度也會逐漸提升。在這種背景條件下，核電站管理層應(yīng)當(dāng)及時革新認(rèn)知觀念，加強內(nèi)部管理工作開放性，確保相關(guān)儀表控制系統(tǒng)能夠得到合理引進(jìn)，并在經(jīng)過科學(xué)審查后進(jìn)行部署，為提高核電站運行效率與安全可靠性提供重要支持。同時，管理層也需要及時淘汰舊有技術(shù)設(shè)備，積極應(yīng)用數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)進(jìn)行替換，確保核電站能夠緊跟技術(shù)發(fā)展，實現(xiàn)理想革新目標(biāo)。

3.2 利用項目試點驅(qū)動技術(shù)發(fā)展

通過積極開展數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)項目試點工作，可以使核電站運營項目獲得充足的理論與實踐支持，有利于降低后續(xù)技術(shù)推廣難度，實現(xiàn)數(shù)字化改革發(fā)展目標(biāo)。同時，試點項目計劃有利于發(fā)現(xiàn)數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)潛在問題，對于進(jìn)一步改進(jìn)方案與應(yīng)用細(xì)節(jié)具有重要意義[12]。因此，需要重視項目試點工作，確保相關(guān)方案能夠得到實踐工作的有力支持。

3.3 完善改造方案

在核電站數(shù)字化建設(shè)改革過程中，對于舊有技術(shù)與設(shè)備的改造工作應(yīng)當(dāng)保持謹(jǐn)慎處理態(tài)度。核電站系統(tǒng)復(fù)雜程度相對較高，同時長期應(yīng)用工況下可能會存在一些風(fēng)險因素。若未落實系統(tǒng)化調(diào)研與分析工作，可能會導(dǎo)致潛在風(fēng)險因素爆發(fā)，削弱核電站運行安全性，不利于維持穩(wěn)定運行狀態(tài)。因此，改造工作應(yīng)當(dāng)落實深入調(diào)研活動，確保應(yīng)用方案能夠在分析數(shù)據(jù)的支持下進(jìn)行，使核電站能夠?qū)崿F(xiàn)理想改造目標(biāo)。

3.4 積極整合商用產(chǎn)品線

商用產(chǎn)品本質(zhì)上具有較為成熟的應(yīng)用特性，其經(jīng)過了市場環(huán)境的嚴(yán)苛考驗，整體穩(wěn)定性與安全性較強。因此，核電站在選用產(chǎn)品以及相關(guān)解決方案的過程中，可以考慮積極整合商用類型，確保改造升級工作能夠正常展開。同時，商用產(chǎn)品對于研發(fā)工作的需求較低，可以有效降低核電站基礎(chǔ)成本投入，幫助實現(xiàn)高效率升級目標(biāo)，具有正面影響意義。

3.5 合理開發(fā)軟件平臺

對于儀表控制系統(tǒng)而言，軟件平臺的配套應(yīng)用具有不可忽視的重要意義。為確保核電站數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定應(yīng)用狀態(tài)，需要積極研發(fā)相關(guān)軟件平臺，并落實后期維護(hù)跟進(jìn)工作，及時修正軟件錯誤或其它應(yīng)用性問題，確保核電站數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)能夠達(dá)到理想應(yīng)用效果。

3.6 進(jìn)一步完善規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對于數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)具有重要影響意義，未來國內(nèi)應(yīng)當(dāng)積極完善相關(guān)條例，確保核電站建設(shè)與更新改造能夠嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，降低出現(xiàn)問題的可能性。同時，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)也可以為國產(chǎn)數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)提供重要參考，對于提高國內(nèi)核電站自主性具有不可忽視的意義，值得進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

綜上所述，數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)對于核電站具有顯著支持作用。通過深入研究應(yīng)用現(xiàn)狀與系統(tǒng)案例，可以為核電站建設(shè)與更新改造提供理論參考，有利于相關(guān)方案的進(jìn)一步發(fā)展，具有正面影響意義。