趙季紅，孫永濱，張亞棟，趙 娜，裴紅偉

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

核電廠安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)是核電廠的神經(jīng)中樞系統(tǒng)，核電廠機(jī)組的可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行很大程度上取決于安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)的性能水平，而設(shè)備鑒定技術(shù)又是保障其在經(jīng)受正常、異常運(yùn)行條件及事故條件時(shí)能正常運(yùn)行的必要技術(shù)手段，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)核電自主化的核心技術(shù)之一。

型式試驗(yàn)是設(shè)備鑒定的首選方法，型式試驗(yàn)中由于受到試驗(yàn)場地條件限制導(dǎo)致鑒定樣機(jī)規(guī)模不宜太大，而核電廠安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)整套設(shè)備規(guī)模往往都較大，以典型壓水堆保護(hù)系統(tǒng)為例，整套設(shè)備規(guī)模約在100 個(gè)機(jī)柜左右。針對安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)整套設(shè)備實(shí)施型式試驗(yàn)不太現(xiàn)實(shí)，不具備可操作性，并且核電廠安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)為提高系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了大量的冗余設(shè)計(jì)，互為冗余的部分其軟硬件配置都非常相似，甚至完全一致。所以按照與安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)1:1 的規(guī)模進(jìn)行設(shè)備鑒定也沒有必要，經(jīng)濟(jì)上將造成很大浪費(fèi)。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能代表核電廠安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)的鑒定樣機(jī)，對其實(shí)施型式試驗(yàn)，從而達(dá)到驗(yàn)證整個(gè)核電廠安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)在規(guī)定的環(huán)境條件及運(yùn)行條件下是否能完成其預(yù)期功能的目的。

1 鑒定樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)狀

GB/T 12727 規(guī)定可對有代表性的樣本設(shè)備及其接口進(jìn)行一系列試驗(yàn)，提出了典型性概念[1]。IEEE 7-4.3.2 和RG1.209 規(guī)定型式試驗(yàn)要執(zhí)行具備典型軟件及診斷程序的儀控系統(tǒng)功能，試驗(yàn)應(yīng)覆蓋實(shí)現(xiàn)安全相關(guān)功能所必須的那些設(shè)備或其故障能影響安全相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的那些設(shè)備[2,3]。TR-107330 規(guī)定鑒定樣機(jī)要覆蓋每種類型產(chǎn)品，每種類型至少一個(gè)樣本；電源樣本需在額定負(fù)載下運(yùn)行；機(jī)箱空余槽位插滿板卡且供電；抗震鑒定用樣機(jī)應(yīng)考慮模塊的安裝高度；環(huán)境鑒定用樣機(jī)應(yīng)考慮未來應(yīng)用時(shí)的最大溫升；樣機(jī)應(yīng)用軟件應(yīng)覆蓋未來應(yīng)用時(shí)的典型功能塊[4]。如上標(biāo)準(zhǔn)都只是提出了鑒定樣機(jī)的功能、設(shè)備類型方面的概括性要求，雖TR-107330 提出了一些鑒定樣機(jī)硬件配置方面的具體設(shè)計(jì)要求，但就標(biāo)準(zhǔn)層面整體而言，對鑒定樣機(jī)設(shè)計(jì)都缺乏系統(tǒng)性的具體指導(dǎo)。

國際上開展的設(shè)備鑒定活動(dòng)也主要針對一系列實(shí)現(xiàn)基本功能的產(chǎn)品，如輸入輸出模塊、運(yùn)算處理模塊、控制顯示模塊等，并非直接針對某一特定核電廠安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)，其鑒定樣機(jī)設(shè)計(jì)思路：依據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格以及產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的典型系統(tǒng)架構(gòu)要求搭建一個(gè)最小的典型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全級儀控系統(tǒng)的基本安全功能，硬件配置盡可能代表未來應(yīng)用時(shí)的配置，通過驗(yàn)證產(chǎn)品功能性能指標(biāo)來證明產(chǎn)品鑒定特性是否滿足要求。但此種樣機(jī)設(shè)計(jì)無法完全覆蓋某一核電廠安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)的典型要求，如系統(tǒng)架構(gòu)特點(diǎn)、系統(tǒng)典型功能性能、典型產(chǎn)品尤其是外購品以及具體應(yīng)用中的如供電方式、機(jī)柜內(nèi)部布局排列、溫升等硬件配置。

圖1 鑒定樣機(jī)典型性設(shè)計(jì)過程示意圖Fig.1 Map of the typical design process of the identification prototype

基于如上現(xiàn)狀，本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)總體要求，結(jié)合核電廠安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)典型特點(diǎn)，提出了一種典型性設(shè)計(jì)方法，為鑒定樣機(jī)的設(shè)計(jì)提供了全面的、明確的具體指導(dǎo)。

2 鑒定樣機(jī)典型性設(shè)計(jì)方法

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對鑒定樣機(jī)提出的總體要求，對核安全級儀控系統(tǒng)的典型特點(diǎn)如設(shè)備組成、架構(gòu)、功能性能、硬件配置等進(jìn)行研究，提出了涵蓋設(shè)備類型、功能性能、系統(tǒng)架構(gòu)、硬件配置及應(yīng)用軟件5 個(gè)方面的鑒定樣機(jī)典型性設(shè)計(jì)方法。1）設(shè)備類型典型性：設(shè)備鑒定是考察安全級儀控電子設(shè)備在正常、異常運(yùn)行條件及事故條件時(shí)是否能保持正常運(yùn)行的方法之一，被鑒定對象為電子設(shè)備。因此，鑒定樣機(jī)應(yīng)包括安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)安全相關(guān)功能或其故障影響安全相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的所有設(shè)備類型。每種設(shè)備類型應(yīng)至少選取一個(gè)試驗(yàn)樣本。2）功能、性能典型性：鑒定樣機(jī)應(yīng)包括安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)的典型功能及性能。如保護(hù)系統(tǒng)的停堆功能、控制與顯示功能等。一般地，更復(fù)雜、更重要的功能及性能可作為典型功能及性能。3）系統(tǒng)架構(gòu)典型性：鑒定樣機(jī)應(yīng)體現(xiàn)安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)的架構(gòu)特點(diǎn)，以體現(xiàn)安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)的主要組成部分及其之間的通信方式。4）硬件配置典型性：鑒定樣機(jī)應(yīng)具有與安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)相同或更嚴(yán)酷的硬件配置。硬件配置主要考慮如機(jī)箱或模塊的安裝位置及高度、供電方式、安裝方式、接地方式等方面。5）應(yīng)用軟件典型性：鑒定樣機(jī)應(yīng)具有安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中使用的具有代表性的軟件及診斷程序，包括系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件主要考慮實(shí)現(xiàn)典型功能及性能、CPU 負(fù)荷等方面。

圖2 典型功能性能確定過程示意圖Fig.2 Typical functional performance determination process diagram

根據(jù)以上要求，結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)施過程，鑒定樣機(jī)典型性設(shè)計(jì)的5個(gè)方面按照如下過程開展，其過程如圖1所示。

2.1 確定設(shè)備類型

確定安全級儀控系統(tǒng)安全相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)所必須的設(shè)備類型及其故障影響安全級儀控系統(tǒng)安全相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的設(shè)備類型，即為鑒定樣機(jī)應(yīng)該覆蓋的設(shè)備類型。如用于實(shí)現(xiàn)硬件、軟件、人機(jī)接口以及數(shù)據(jù)通信等功能的模塊以及為了實(shí)現(xiàn)這些功能的輔助設(shè)備。

2.2 確定典型功能性能

確定典型功能及性能，從而確定設(shè)備之間的邏輯關(guān)系以及電氣連接關(guān)系。系統(tǒng)功能是由硬件設(shè)備為載體通過軟件邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，并且設(shè)備鑒定要求樣本設(shè)備與其接口一起進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。因此，通過以下3 個(gè)原則確定典型功能性能：1）需覆蓋確定的設(shè)備類型；2）需覆蓋安全功能的所有表決邏輯類型以及典型軟件功能塊；3）需覆蓋安全級儀控系統(tǒng)所有接口類型。一般地，首先選取最有特點(diǎn)的安全功能為典型功能，如運(yùn)算最復(fù)雜、觸發(fā)方式特殊等，再按照如上3 個(gè)原則進(jìn)行典型功能性能的最終確定。

具體過程如圖2 所示。

2.3 確定系統(tǒng)架構(gòu)

首先，鑒定樣機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)體現(xiàn)安全級儀控系統(tǒng)的主要組成部分。若某些組成部分內(nèi)部為冗余結(jié)構(gòu)，由于冗余結(jié)構(gòu)不管從硬件還是軟件上來說，都幾乎一樣，而設(shè)備鑒定主要考察硬件在如溫度、濕度、振動(dòng)等應(yīng)力施加下的能力，所以鑒定樣機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮冗余。如壓水堆核電廠的RPS 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)停堆的架構(gòu)為4 個(gè)互相冗余的通道，每個(gè)通道所使用硬件類型一樣，只是應(yīng)用軟件略有不同，其中第三通道應(yīng)用軟件最復(fù)雜，所以鑒定樣機(jī)只實(shí)現(xiàn)第三通道即可。當(dāng)然為能夠驗(yàn)證該通道的停堆功能，另外3 個(gè)通道的硬接線或網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)需通過測試裝置進(jìn)行模擬，并且傳輸方式要與實(shí)際應(yīng)用保持一致。其次，鑒定樣機(jī)內(nèi)部通信應(yīng)具備安全級儀控系統(tǒng)中實(shí)際使用到的所有通信方式。

2.4 硬件配置設(shè)計(jì)

1E 設(shè)備按照一定的原則進(jìn)行機(jī)柜內(nèi)部排列布局，例如機(jī)柜內(nèi)機(jī)箱或模塊的布局、機(jī)箱內(nèi)各板卡的布局設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)鑒定樣機(jī)的硬件配置。鑒定樣機(jī)的硬件配置主要從5 個(gè)方面進(jìn)行：1）從機(jī)箱安裝位置、模塊安裝高度等方面的硬件布局考慮鑒定樣機(jī)的典型應(yīng)用硬件配置：同類機(jī)箱、模塊中，至少有1 個(gè)的安裝位置及安裝高度要與實(shí)際應(yīng)用時(shí)保持一致；2）鑒定樣機(jī)機(jī)箱板卡配置應(yīng)不小于同類機(jī)箱中板卡及模塊的數(shù)量配置?？紤]到將來現(xiàn)場應(yīng)用板卡可能達(dá)到滿配，所以鑒定樣機(jī)各類機(jī)箱至少要有1 個(gè)機(jī)箱的板卡達(dá)到滿配；3）鑒定樣機(jī)采用的供電方式要與安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求一致；4）鑒定樣機(jī)的接地方式應(yīng)與安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求一致；5）鑒定樣機(jī)中所有設(shè)備的安裝方式應(yīng)與安全級儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求設(shè)備的安裝方式一致。

2.5 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

確定鑒定樣機(jī)硬件配置后，需要為鑒定樣機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，從3 個(gè)方面進(jìn)行：1）鑒定樣機(jī)應(yīng)用軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)典型功能性能；2）鑒定樣機(jī)應(yīng)用軟件應(yīng)覆蓋安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)中的典型應(yīng)用軟件功能塊；3）鑒定樣機(jī)應(yīng)用軟件規(guī)模應(yīng)使得主處理設(shè)備的CPU 負(fù)荷不小于安全級儀控系統(tǒng)中主處理設(shè)備的CPU 負(fù)荷。

3 實(shí)踐

海上小堆的緊急停堆保護(hù)系統(tǒng)主要執(zhí)行反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)功能，當(dāng)保護(hù)參數(shù)達(dá)到或超過整定值時(shí)，觸發(fā)緊急停堆。對該緊急停堆保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施設(shè)備鑒定活動(dòng)，其鑒定樣機(jī)設(shè)計(jì)按照本文提出的典型性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并得到了國內(nèi)監(jiān)管機(jī)構(gòu)及業(yè)主單位的認(rèn)可。

1）確定設(shè)備類型

執(zhí)行緊急停堆功能的設(shè)備包括安全級平臺(tái)產(chǎn)品以及外購品。安全級平臺(tái)產(chǎn)品設(shè)備：主處理單元板卡；通信單元板卡；信號采集/輸出板卡；轉(zhuǎn)接板卡；熱電阻調(diào)理隔離模塊；機(jī)柜、機(jī)箱等。

外購品：24V 電源；濾波器；浪涌保護(hù)器；空氣開關(guān)；端子；線纜等。

2）確定典型功能性能

圖3 配置示意圖Fig.3 Configuration diagram

緊急停堆安全功能中△T 超溫、△T 超功率功能最復(fù)雜，因此選為典型功能。汽輪機(jī)導(dǎo)致停堆（DI 觸發(fā)信號）與其他模擬量觸發(fā)停堆信號的觸發(fā)方式不同，因此也選為典型功能。分析其余緊急停堆安全功能信號路徑并根據(jù)典型功能選取原則1 ～3 確定其他典型功能，最終選取的全部典型功能為：①源量程高中子注量率高；②功率量程高中子注量率正變化率高；③△T 超溫；④△T 超功率；⑤汽輪機(jī)導(dǎo)致停堆（DI 觸發(fā)信號）。通常核電廠都必然關(guān)注停堆保護(hù)系統(tǒng)輸入通道的采集精度以及停堆響應(yīng)時(shí)間，因此選其為典型性能。

3）確定系統(tǒng)架構(gòu)

該緊急停堆保護(hù)系統(tǒng)包括3 個(gè)通道，3 個(gè)通道互為冗余通道，配置基本一致，尤其是硬件配置，而且基于功能多樣性設(shè)計(jì)，一個(gè)通道內(nèi)的兩個(gè)子組的配置也基本一致。因此，設(shè)備鑒定樣機(jī)選取其中一個(gè)通道的一個(gè)子組。為使能夠驗(yàn)證該通道的典型停堆功能，來自另外兩個(gè)通道的網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)需通過測試裝置進(jìn)行模擬，并且傳輸方式要與實(shí)際應(yīng)用保持一致。其次，鑒定樣機(jī)內(nèi)部通信應(yīng)具備該緊急停堆系統(tǒng)中實(shí)際使用到的所有通信方式。

4）硬件配置設(shè)計(jì)

結(jié)合鑒定需覆蓋的設(shè)備類型、鑒定樣機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)的典型功能性能，以及緊急停堆系統(tǒng)供電方式為集中供電。因此，鑒定樣機(jī)包括：1 臺(tái)實(shí)現(xiàn)典型停堆功能的功能柜和1 臺(tái)電源柜。根據(jù)硬件配置設(shè)計(jì)相關(guān)要求，對功能柜、電源柜進(jìn)行硬件配置設(shè)計(jì)，其配置示意圖如圖3 所示。

5）應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

通過軟件功能塊的搭建來實(shí)現(xiàn)典型功能以支持典型功能及性能的測試。

4 總結(jié)

本文提出的核電廠安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)鑒定樣機(jī)的典型性設(shè)計(jì)方法，對核電廠安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)備鑒定中樣機(jī)的設(shè)計(jì)具有直接指導(dǎo)意義。通過該典型性設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的鑒定樣機(jī)在設(shè)備類型、功能性能、系統(tǒng)架構(gòu)、硬件配置及應(yīng)用軟件5 個(gè)方面都具有與被鑒定的安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)的典型性。采用該典型性設(shè)計(jì)后的鑒定樣機(jī)規(guī)模一般在5 個(gè)機(jī)柜以內(nèi)，完全可滿足試驗(yàn)場地相關(guān)要求，進(jìn)而實(shí)施型式試驗(yàn)，對其開展的鑒定試驗(yàn)結(jié)果可以證明核電廠安全級數(shù)字儀控系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求及其在規(guī)定的運(yùn)行條件和環(huán)境條件下是否能完成其預(yù)定功能。該鑒定樣機(jī)典型性設(shè)計(jì)方法已在國內(nèi)諸多核電廠安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)備鑒定中成功應(yīng)用，如海上小堆緊急停堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備鑒定、陽江5/6 號機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備鑒定，并得到了來自國內(nèi)監(jiān)管機(jī)構(gòu)、業(yè)主以及行業(yè)專家的一致認(rèn)可。