北京广利核系统工程有限公司

    （北京广利核系统工程有限公司，北京 100084）郑伟智，李相建，朱毅明
                           
    郑伟智（1978-）男，河北人，硕士，现为北京广利核系统工程有限公司核电站反应堆保护系统设计负责人，主要研究方向为核电站安全级DCS系统设计。

    摘要：为了评价出核电站数字化反应堆保护系统停堆响应的最大时间，根据数字化反应堆保护系统结构，分析出保护系统的响应过程须经过AI输入、IO总线通讯、CPU运算、网络通讯、DO输出处理。并基于DCS定周期扫描的运行方式，得出了各处理过程所需最大响应时间的计算方法，DCS停堆响应时间的评价值就是各部分最大响应时间的累加。最后提出了可缩短响应时间的改进方法。

    关键词：反应堆保护系统；停堆；响应时间；扫描周期

    Abstract: In order to evaluate the maximum reactor trip response time of the Digital Reactor Protection System of nuclear power plant, according to the configuration of protection system, we consider that the response process of protection system should consist of AI Input, IO bus communication, CPU processing, network communications, DO output. Based on the DCS scan-cycle operation mode, we obtain the calculation method of the maximum response time for each step, and the DCS response time is the summation of each maximum response time. Finally, some methods are presented to shorten the response time.

    Key words: Reactor protection system; reactor trip; response time; scan cycle

    1 引言

    为了保证核电站的安全性，所有核电站必须设置可实现自动控制的反应堆保护系统[1][2]，它的功用是保护三大核安全屏障（即燃料包壳、一回路压力边界和安全壳）的完整性。当运行参数达到危机三大屏障完整性的阈值时，要紧急停堆，必要时启动专设安全设施[3]。紧急停堆，即切断控制棒束及其他棒束电源，使全部控制棒紧急插入堆芯，停闭反应堆。

    紧急停堆控制，由反应堆保护系统实现信号采集、运算和控制输出。由于涉及核电站的安全，对停堆的响应时间要求非常严格，涉及停堆响应速度的指标主要包括传感器响应时间、保护系统响应时间、停堆断路器响应时间，一般要求反应堆保护系统的响应时间应小于0.2秒，所以必须对响应时间进行评价。反应堆保护系统的响应时间，是从现场传感器产生信号到反应堆保护系统输出信号给停堆断路器所用的时间。一般需要通过理论分析和实际测试两种手段进行评价。通过理论分析能得出理论上响应时间的最大值，而实际测试是对响应时间的实际验证，但实测值始终是小于最大值的一个值，所以为了保证确定性，应对响应时间的理论最大值进行评价。

    2 数字化反应堆保护系统结构

    典型的数字化反应堆保护系统结构如图1所示。为了获得更高的安全性，整个反应堆保护系统由四个冗余的保护通道（CHI~IV）构成，每个保护通道都对应一组测量过程参数（如温度、压力、液位、流量等）的传感器。每个保护通道中为上、下两层CPU结构，分别用来进行阈值处理和四取二（2/4）符合逻辑运算。CPU1将采集的传感器信号进行阈值比较后，得出一数字量结果，例如，超过限值为1，未超过限制为0，并将此结果（1或0）发送给本通道及其它通道的CPU2。各个保护通道的CPU2对接受到的结果再进行2/4符合运算，当有大于等于2个通道阈值结果为1时，便产生一个停堆信号，停堆信号分别由各个保护通道的DO发出，使各保护通道对应的停堆断路器的失压线圈断电，从而切断控制棒驱动机构电源，使控制棒全部落入堆芯，反应堆停堆。
                
                                      图1  数字化反应堆保护系统结构图
    3 反应堆保护系统信号处理过程
                    
                                图2  DCS信号处理过程图
    反应堆保护系统的信号处理过程如图2所示。现场传感器信号输入给AI模块，AI模块将信号处理完毕后，通过I/O 总线传送给CPU1处理，CPU1进行输入处理、运算处理、输出处理、通讯处理及自诊断处理等过程后，通过单向“点对点”网络传输给CPU2进行下一步处理，CPU2的处理过程和CPU1一样，并最终将运算结果通过I/O总线再传送给DO模块，实现控制输出。故此，整个信号处理过程包括以下几个部分：
               
    （1）AI输入处理；

    （2）I/O 总线通讯（输入）；

    （3）CPU1运算处理；

    （4）单向网络通讯；

    （5）CPU2运算处理；

    （6）I/O 总线通讯（输出）；

    （7）DO输出处理。

    4 停堆响应时间分析

    4.1 AI输入处理

    AI模块的输入处理时间，DCS供应商一般会给出一个响应时间区间，如49~53ms，在进行响应时间评价时，选择最大值即53ms。

    4.2 I/O 总线通讯

    I/O 总线通讯为循环扫描方式，如图3所示，CPU依次对各I/O模块的输入/输出进行轮询扫描，故扫描时间根据连接I/O模块数量的不同而不同，计算时必须已知以下参数：
                    
                                 图3  I/O通讯处理过程
    （1）I/O模块数量

    模块数量为所评价的CPU I/O总线端口所对应连接的模块总数，如连接一个I/O机笼，共有16个模块。

    （2）单个I/O模块的处理时间

    单个I/O模块的处理时间是指CPU完成对单个模块的扫描所用的时间，一般由DCS供应商提供，如0.182ms。

    由此可以算出一个CPU完成一个扫描周期的时间是，模块数量×单个模块的处理时间，即16×0.182ms=2.912ms，评价I/O总线通讯的最大响应时间时，须考虑一个模块刚好错过一个轮询扫描周期，故最大响应时间为2.912+0.182=3.094ms。

    4.3 CPU响应时间

    CPU实际的响应时间评价，包括以下几个部分：

    （1）I/O通讯时间

    需要统计出CPU 通过I/O bus连接的AI、AO、DI、DO具体数目，并依据各自对应的处理时间进行计算得出。

    （2）网络通讯时间

    需要统计出CPU网络通讯点传输的AI、AO、DI、DO具体数目，并依据各自对应的处理时间进行计算得出。

    （3）应用程序运算时间

    需要统计出应用程序中用到的各算法块的数量，并依据各算法块的最大处理时间进行计算得出。

    （4）自诊断时间

    安全级用DCS一般都有自诊断功能，CPU每个周期都对I/O总线通讯模块、网络通讯模块、I/O模块进行故障诊断，所以要根据DCS供应商提供的各种模块的故障诊断时间及所使用的模块数量计算出来。

    C PU的运算处理时间是上述4部分时间之和。DCS一般为固定周期扫描方式，为了保证更加稳定可靠的运行，一般对其负荷率有一定要求，例如负荷率要求<70%。所以，在计算出CPU的运算处理时间后（如17.2ms），可根据负荷率要求，得出扫描周期应>17.2/70%=24.6ms，故将扫描周期设定为25ms，即每个扫描周期内CPU的空闲时间为25-17.2=7.8ms。评价CPU运算处理时间的最大值时，须考虑CPU第一个周期内，刚好未能扫描到AI输入信号，所以CPU运算从输入到输出的最长响应时间为：一个CPU扫描周期+CPU运算处理时间，即25+17.2=42.2ms。

    4.4 单向网络通讯

    单向网络通讯处理时间，由DCS供应商提供，如1.8ms。

    4.5 DO输出处理

    DO模块的输出处理时间，由DCS供应商提供，如5ms。

    4.6 停堆响应时间

    根据第3章“反应堆保护系统信号处理过程”中所述，将各处理过程最大响应时间的评价值相加后便可得出停堆响应时间，其中I/O总线通讯时间输入处理和输出处理评价时间相同，CPU1和CPU2的评价响应时间相同，由此可得出以下计算公式：

    停堆响应时间=AI输入处理时间+I/O总线通讯时间×2+CPU响应时间×2+单向网络通讯时间+DO输出处理时间。

    注：现场也有少量DI信号进行停堆控制，但由于响应时间较AI短，故此响应时间的评价只考虑AI输入的情况。

    5 停堆响应时间改进方法

    根据上述对停堆响应时间的分析，当最后计算得出的响应时间不满足要求时，可从以下几个方面考虑改进：

    （1）选择响应时间短的AI模块；

    （2）减少CPU的单个I/O 总线通讯端口连接的I/O模块数量，如一个通讯端口只对应连接1个I/O机笼，I/O机笼中只留有停堆相关的AI/DI模块；

    （3）优化CPU应用程序算法，减少程序量，减少网络变量；

    （4）满足CPU负荷率的前提下，尽量缩短固定扫描周期；

    （5）选择响应时间短的DO模块。

    6 结论

    核电站反应堆保护系统停堆响应时间的评价，虽然要经过100次以上的实际测试，但实际测试的最大响应时间不一定是真正的最大值，所以必须提供可靠的理论分析，只有对理论分析的最大可能值进行评价才能保证DCS停堆响应更加安全可靠。如果评价出响应时间不满足要求，即超过0.2s，则必须对控制系统的各个环节进行分析、改进。当然，随着DCS技术的发展，硬件处理速度越来越高，响应时间也会很容易满足要求。

    其他作者：李相建（1967-）男，辽宁人，高级工程师，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要研究方向为核电站数字化仪控系统设计与集成、核电站数字化仪控系统适用标准、核电站安全级数字化仪控系统鉴定方法。

    朱毅明（1970-）男，江苏人，高级工程师，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要研究方向为核电站数字化仪控系统研发。

    参考文献：

    [1] 国家核安全局. HAF102，核动力厂设计安全规定[S]. 1991.

    [2] 国家核安全局. HAD102，核动力厂设计总的安全原则[S]. 1989.

    [3] 广东核电培训中心. 900MW压水堆核电站系统与设备（上册）[M].北京：原子能出版社，2005，286.

     摘自《自动化博览》2010年第八期