（中科華核電技術(shù)研究院 北京分院，北京 100086）

核電廠(chǎng)儀控系統(tǒng)ACDC類(lèi)電源自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

曾澤嶸，王健，陶長(zhǎng)興

（中科華核電技術(shù)研究院 北京分院，北京 100086）

核電廠(chǎng)儀控系統(tǒng)是核電站的神經(jīng)中樞，要求能在惡劣環(huán)境下完成數(shù)據(jù)采集與處理、控制與調(diào)節(jié)、診斷、通訊等功能，因此對(duì)其供電電源有很高要求[1]。核電廠(chǎng)大修及日常維護(hù)中，需要測(cè)試診斷及老化試驗(yàn)的儀控電源備件種類(lèi)繁多、數(shù)量巨大。通過(guò)分析核電廠(chǎng)對(duì)儀控電源備件測(cè)試診斷及老化試驗(yàn)的要求，針對(duì)核電廠(chǎng)儀控系統(tǒng)中數(shù)量最多ACDC類(lèi)電源設(shè)計(jì)該測(cè)試系統(tǒng)，具有自動(dòng)化程度高、可靠性、安全性等特點(diǎn)。

電源測(cè)試；Labview；核電站

0 引言

核電廠(chǎng)運(yùn)行中儀控系統(tǒng)負(fù)責(zé)了整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集與處理、控制與調(diào)節(jié)、診斷、通訊等功能，是核電廠(chǎng)的神經(jīng)中樞；當(dāng)出現(xiàn)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故或超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)仍要求其能正?？煽窟\(yùn)行，因此其供電電源就尤為重要。核電廠(chǎng)儀控電源備件種類(lèi)繁多、數(shù)量巨大，在電廠(chǎng)大修以及日常維護(hù)中需對(duì)所有電源備件進(jìn)行檢測(cè)、診斷以及老化試驗(yàn)，其投入人力大，記錄耗時(shí)繁瑣，由人為因素導(dǎo)致不可靠性增大。

通過(guò)分析核電廠(chǎng)在電源備件管理中的實(shí)際需求，針對(duì)大亞灣核電站數(shù)量最多的儀控AC/DC電源設(shè)計(jì)該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于CPCI平臺(tái)搭建，Labview環(huán)境下開(kāi)發(fā)，一次側(cè)電源與負(fù)載通過(guò)GPIB實(shí)現(xiàn)程控，具有高自動(dòng)化程度、可靠性安全性高等特點(diǎn)。該系統(tǒng)可用作核電站儀控電源備件的日常檢測(cè)診斷與管理的工具，對(duì)核電廠(chǎng)通用電源檢測(cè)與老化試驗(yàn)平臺(tái)的搭建有借鑒意義；同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)核電廠(chǎng)電源檢測(cè)專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及指導(dǎo)性文件缺失[2]的現(xiàn)狀是以補(bǔ)充。

1 核電廠(chǎng)AC/DC儀控電源特性分析

壓水堆核電站包括大小20余類(lèi)系統(tǒng)[3]，以大亞灣核電站為例，其中AC/DC類(lèi)儀控電源大概有32種，分布于RGL、GRE、RPN等10余種系統(tǒng)中。這些儀控電源輸入/輸出特性與數(shù)量以及接口形式各異，輸入主要以220V、110V及20V交流供電為主，輸出電壓主要以5V、12V、24V設(shè)備電源為主但輸出電流差異較大，有幾十毫安到幾十安不等；其接口形式分為邊緣連接（金手指）、旋擰及壓接3種形式。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮到配置的靈活性與安全性以及接口形式匹配的通用性。

2 核電廠(chǎng)AC/DC儀控電源測(cè)試參數(shù)分析

根據(jù)針對(duì)核電廠(chǎng)儀控電源日常維護(hù)中測(cè)試診斷實(shí)際需求的分析調(diào)研，并參閱《GB/T14714-2008微小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備用開(kāi)關(guān)電源通用規(guī)范》和《SJ20825-2002軍用裝備直流供電電源總規(guī)范》相關(guān)內(nèi)容[4,5]，確定核電廠(chǎng)AC/DC儀控電源測(cè)試參數(shù)表1所示。

表1 核電廠(chǎng)AC/DC儀控電源測(cè)試參數(shù)Table1 Nuclear power plant AC/DC instrument control power supply test parameters

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System structure diagram

圖2 測(cè)量原理示意Fig.2 Measuring principle

圖3 電壓/電流采集卡原理示意圖Fig.3 Voltage/current acquisition card principle diagram

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)基于CPCI總線(xiàn)平臺(tái)搭建完成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)以被測(cè)對(duì)象為中心劃分為一次側(cè)與二次側(cè)，一次側(cè)為直流程控電源，為被測(cè)電源供電；二次側(cè)為電子負(fù)載，可工作于恒流/恒壓/橫阻模式下以實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試目標(biāo)下的拉載動(dòng)作。程控電源與電子負(fù)載均通過(guò)GPIB級(jí)聯(lián)方式與PXI主機(jī)進(jìn)行通訊；電子負(fù)載的負(fù)載變化速率須滿(mǎn)足SR≥0.2A/us，并且提供相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)動(dòng)作下的參數(shù)測(cè)試。根據(jù)核電廠(chǎng)AC/DC儀控電源輸出數(shù)量多、參數(shù)差異較大的特點(diǎn)，負(fù)載單通道參數(shù)以及通道數(shù)量需涵蓋50%以上的被測(cè)對(duì)象并且具有方便的可拓展性。示波器通過(guò)拾波器連接于被測(cè)對(duì)象輸出端根部以進(jìn)行紋波測(cè)量與瞬態(tài)變化波形的抓取。為保證核電廠(chǎng)備件的安全，其一次側(cè)與二次側(cè)兩端都需要進(jìn)行必要的限值保護(hù)并且有報(bào)警功能。

4 測(cè)量原理

本測(cè)試系統(tǒng)的基本電氣設(shè)計(jì)遵循工業(yè)測(cè)量的四線(xiàn)制方式，功率線(xiàn)與信號(hào)線(xiàn)分開(kāi)以實(shí)現(xiàn)電流電壓的單獨(dú)測(cè)量，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，如圖2中所示實(shí)線(xiàn)為功率線(xiàn)，虛線(xiàn)為信號(hào)線(xiàn)。核電廠(chǎng)儀控電源絕大多數(shù)都有較為良好的輸入特性，但為了保證測(cè)量結(jié)果的有效性同時(shí)也為了保護(hù)儀控電源備件及系統(tǒng)設(shè)備，要求一次側(cè)供電電源精確補(bǔ)償輸出電壓至被測(cè)電源根部。在電壓/電流測(cè)量單元中電壓信號(hào)與電流信號(hào)通過(guò)獨(dú)立端口接入，而輸出端仍然保持四線(xiàn)的方式連接電子負(fù)載以保證其就地顯示值準(zhǔn)確。

5 硬件設(shè)計(jì)

本測(cè)試系統(tǒng)硬件部分主要包括控制主機(jī)、直流程控電源、電子負(fù)載以及電壓/電流測(cè)量卡、示波器以及測(cè)試轉(zhuǎn)接臺(tái)。

5.1控制主機(jī)

主機(jī)機(jī)箱選用PXI總線(xiàn)機(jī)箱，配有標(biāo)準(zhǔn)14槽PXI底板，1個(gè)系統(tǒng)槽和13個(gè)外設(shè)槽；控制器支持32bit/33MHzPXI總線(xiàn)，配有2.2GHz主頻CPU，2GB/DDRII內(nèi)存以及320G系統(tǒng)硬盤(pán)。主機(jī)另配有1塊GPIB通信卡以及2個(gè)USB2.0，設(shè)備以級(jí)聯(lián)方式通過(guò)GPIB實(shí)現(xiàn)通訊。

5.2電壓/電流采集卡

電壓與電流的采集在采集卡原理示意圖如圖3所示，其內(nèi)部分別由0.1%，10ppm精密電阻網(wǎng)絡(luò)以及霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)，其中霍爾傳感器精度優(yōu)于0.5%，線(xiàn)性度優(yōu)于0.1%。采集的電壓/電流信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后經(jīng)由12bit/1MHz的ADC與隔離模塊后進(jìn)入FPGA處理。電壓/電流采集卡通過(guò)本地總線(xiàn)橋接芯片與CPCI總線(xiàn)匹配，板卡直接在控制主機(jī)機(jī)箱可插拔。電壓與電流信號(hào)通過(guò)高速開(kāi)關(guān)切換使用ADC，其最終的采樣速率為200KHz，電壓測(cè)量精度為0.1%，電流測(cè)量精度為0.5%。

5.3程控電源與電子負(fù)載

本測(cè)試系統(tǒng)中程控電源選用的交流程控電源為220VAC常規(guī)供電，輸出單相交流電壓150/300V自動(dòng)量程切換，精度0.2%F.S.，功率1500VA，頻率范圍15～1KHz；支持輸出電壓狀態(tài)變化觸發(fā)，VSR可到10V/ms，帶有超值超限保護(hù)功能，支持GPIB及RS232控制。電子負(fù)載為模塊化可擴(kuò)展組件，單通道參數(shù)為20A/80V/100W與80A/80V/400W兩種，可在恒流/恒壓/恒功率/恒阻抗模式下工作，可編程電流斜率、負(fù)載周期及拉載電壓，電流斜率可到2A/us；帶有過(guò)電

流/功率、超溫報(bào)警以及反向極性報(bào)警功能。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)Fig.4 Test system software design

圖5 開(kāi)機(jī)時(shí)間測(cè)試流程Fig.5 Boot time testing process

5.4示波器與測(cè)試轉(zhuǎn)接臺(tái)

本測(cè)試系統(tǒng)中示波器選用200M帶寬，4通道隔離輸入，1M存儲(chǔ)深度，1.25G采樣率泰克示波器，配有7英寸液晶顯示器并能進(jìn)行29種自動(dòng)參數(shù)測(cè)試；其在系統(tǒng)中的功能是進(jìn)行紋波測(cè)量以及抓取瞬態(tài)階躍響應(yīng)以及開(kāi)關(guān)機(jī)特性的波形。

測(cè)試轉(zhuǎn)接臺(tái)由臺(tái)架、適配器背板、功率端接口、信號(hào)端接口以及觸發(fā)端接口組成，其功能是為適應(yīng)核電廠(chǎng)AC/ DC儀控電源形式多樣的接口，將被測(cè)對(duì)象快速便捷并準(zhǔn)確可靠接入本測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試轉(zhuǎn)接臺(tái)架適用邊緣連接方式以及壓接旋擰方式的被測(cè)對(duì)象；通過(guò)航插方式與系統(tǒng)資源實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確對(duì)接。觸發(fā)端口用以轉(zhuǎn)接設(shè)備提供的觸發(fā)信號(hào)供給示波器使用。

6 軟件設(shè)計(jì)

考慮到核電廠(chǎng)AC/DC類(lèi)儀控電源種類(lèi)繁多、各項(xiàng)參數(shù)差異化大并且待測(cè)項(xiàng)較多，參數(shù)配置繁復(fù)，因此采用流程化、模塊化的思路設(shè)計(jì)本測(cè)試系統(tǒng)軟件。本測(cè)試系統(tǒng)軟件基于Labview環(huán)境開(kāi)發(fā)，其對(duì)虛擬儀器概念支持的特點(diǎn)[6]切合前述設(shè)計(jì)思路。

6.1功能設(shè)計(jì)

面向用戶(hù)的功能性設(shè)計(jì)方面需考慮到核電廠(chǎng)日常維護(hù)對(duì)儀控電源備件管理特點(diǎn)，數(shù)量巨大的各類(lèi)儀控電源隸屬于不同專(zhuān)業(yè)科管理，負(fù)責(zé)日常測(cè)試診斷的工程師面向的是全廠(chǎng)各類(lèi)備件，因此用戶(hù)不一定對(duì)每一塊被測(cè)電源熟悉；并且備件數(shù)量巨大，記錄與數(shù)據(jù)整理繁瑣，因此本測(cè)試系統(tǒng)軟件功能方面需實(shí)現(xiàn)定制化、流程化的一鍵測(cè)試并提供詳細(xì)的被測(cè)電源信息[7]。

從圖4可看到本系統(tǒng)軟件面向用戶(hù)分為用戶(hù)管理模塊、測(cè)試項(xiàng)配置模塊、測(cè)試監(jiān)督模塊、報(bào)表模塊以及自檢模塊。

1）用戶(hù)管理模塊：實(shí)現(xiàn)用戶(hù)登錄控制、報(bào)表以及被測(cè)電源信息管理。

2）測(cè)試項(xiàng)配置模塊：針對(duì)具體測(cè)試需求用戶(hù)自由組合待測(cè)的測(cè)試項(xiàng)目，然后可進(jìn)行一鍵測(cè)試。

3）測(cè)試監(jiān)督模塊：用戶(hù)可實(shí)時(shí)觀(guān)察并監(jiān)督測(cè)試過(guò)程，可隨時(shí)暫?；蛘咄Ｖ?，也可根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)提示進(jìn)行一些輔助操作。

4）報(bào)表模塊：自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)表，用戶(hù)可方便進(jìn)行備注與管理。

5）自檢模塊：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備自檢。

6.2底層模塊及流程設(shè)計(jì)

該部分設(shè)計(jì)由5部分組成，其中程控電源控制模塊、電子負(fù)載控制模塊與示波器控制模塊屬于設(shè)備控制模塊，其給出了系統(tǒng)設(shè)備在測(cè)試過(guò)程中使用到的所有功能接口。參數(shù)配置模塊包含針對(duì)設(shè)備控制模塊所有參數(shù)配置接口對(duì)接的資源，并針對(duì)核電廠(chǎng)每一種AC/DC儀控電源都建立一份配置文件，以.xml形式保存在系統(tǒng)文件夾中，高階用戶(hù)可在參數(shù)配置模塊中對(duì)配置文件進(jìn)行修改。測(cè)試流程模塊定義了執(zhí)行某一項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目中設(shè)備控制模塊需要進(jìn)行的每一步動(dòng)作，高階用戶(hù)也可在該模塊中根據(jù)具體測(cè)試需求調(diào)整某具體測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試流程。

以開(kāi)機(jī)時(shí)間測(cè)試為例，如圖5中所示測(cè)試流程模塊定義了每一步測(cè)試動(dòng)作，每一步測(cè)試動(dòng)作通過(guò)設(shè)備控制模塊執(zhí)行設(shè)備動(dòng)作，在該過(guò)程中參數(shù)配置模塊給每一步動(dòng)作賦值。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)核電廠(chǎng)AC/DC類(lèi)儀控電源的數(shù)量、種類(lèi)、電氣參數(shù)、結(jié)構(gòu)、接口形式等特性進(jìn)行分析，結(jié)合對(duì)核電廠(chǎng)大修及日常維護(hù)中對(duì)儀控電源測(cè)試診斷的具體需求，設(shè)計(jì)了本電源自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有高自動(dòng)化程度、可靠性安全性高等特點(diǎn)；目前已在現(xiàn)場(chǎng)投入使用，是核電站儀控電源備件日常檢測(cè)診斷與管理的工具，同時(shí)對(duì)核電廠(chǎng)通用電源檢測(cè)與老化試驗(yàn)平臺(tái)的搭建有借鑒意義。

[1]張東宏．核電廠(chǎng)DCS系統(tǒng)供電電源的方案的應(yīng)用分析[J]．西北水電,2013．

[2]董寧．工業(yè)電源通用型測(cè)試平臺(tái)研究[D]．北京：北京交通大學(xué),2012．

[3]廣東核電培訓(xùn)中心．900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M]．北京：原子能出版社,2005．

[4]GB/T 14714-2008微小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備用開(kāi)關(guān)電源通用規(guī)范[S]．

[5]SJ 20825-2002軍用裝備直流供電電源總規(guī)范[S]．

[6]杜紅霞．基于LabVIEW的DC/DC性能測(cè)試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]．西安：陜西科技大學(xué),2013．

[7]鞠文耀．電源自動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究[G]．第十八屆全國(guó)電源技術(shù)年會(huì)論文集．

Auto-Testing System for AC/DC Power Supplies of I &C System of Nuclear Power Plants

Zeng Zerong，Wang Jian，Tao Changxing
（Beijing Division, China Nuclear Power Research Technology Institute, Beijing 100086,China）

I&C Systems are the nerve center of the nuclear power plants, which is required to function good of data-acquisition and processing, control and regulation, diagnostic, communication etc. in hash environments, thus it's extremely strict for its power supply. In the overhaul and regular maintenances of nuclear power plant, the I&C system power supplies under testing or diagnostic and aging test are in various sorts and in large number. By analyzing the requirements of nuclear power plants, here presence a design of auto-testing system for AC/DC power supplies, which have features of highly automatic, reliability, safety etc.

power supplies testing; Labview; nuclear power plant

TK

A

1671-1041(2014)06-00039-03

2014-09-15

曾澤嶸（1988-），男，碩士，從事電氣儀控設(shè)備、板件、電子元器件故障診斷、老化與可靠性分析以及相關(guān)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。