基于EDPF-NT+的RP...自动测试试验装置研制与应用_徐如敬.pdf

第2期基于EDPF-NT+的RPS响应时间自动测试试验装置研制与应用徐如敬，宋雪军，桑明，李彦廷（国能智深控制技术有限公司，北京102200）摘要：为实现核电站反应堆保护系统响应时间自动测试，提高试验精度、节省试验人力和缩短试验周期，研制专用于反应堆保护系统响应时间自动测试的试验装置。此试验装置基于EDPF-NT+DCS平台，通过硬接线接入DCS保护系统，进行仿真保护系统输入信号的变化和触发相应的反应堆保护信号；通过对比仿真输入信号阶跃变化时间与保护信号触发时间的差值，测试出反应堆保护通道的响应时间。测试结果表明：该试验装置验证的保护系统响应时间满足核电站相关规定的测试要求和精度要求。此试验装置能够应用于自动测试核电站反应堆保护系统的响应时间。关键词：EDPF-NT+；响应时间；自动试验装置；反应堆保护系统中图分类号：TL364文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）02-063-04作者简介：徐如敬（1985），男，硕士，工程师，现任职于国能智深控制技术有限公司，主要从事DCS控制系统设计工作。Tel：[phone]，E-mail：引用格式：徐如敬，宋雪军，桑明，等.基于EDPF-NT+的RPS响应时间自动测试试验装置研制与应用 J.能源科技，2023，21（2）：63-66.0引言反应堆保护系统是核电站DCS系统中重要的安全系统，简称RPS，其作用是保护三大核安全屏障的完整性1。当反应堆运行参数危及安全阈值时，保护系统自动发出紧急停堆信号，使反应堆紧急停堆，必要时启动专设安全设施2。为保障核电站安全运行，核电站规定了保护系统进行响应时间定期验证3和测试的要求和方法4-5。RPS响应时间的定期验证是要确定保护通道的响应时间是否满足相应安全准则的要求。以往的响应时间验证方式是通过手动注入激励信号，使用示波器、高速记录仪或价格高昂的国外设备记录响应时间。因保护系统逻辑多冗余且回路复杂，每次验证测试记录数据少、精准度不高，造成验证任务繁重、效率低、工期长，并且响应时间的验证窗口期较短，不易满足工程需要。国能智深控制技术有限公司依据中广核工程有限公司的CPR1000/CPR1000+/EPR等机组反应堆保护系统调试工程需求，研制出一套理念先进、操作方便，可适用于不同DCS平台的保护系统响应时间测试的自动试验装置。此套装置能够实现多信号、多任务自动测试反应堆保护系统响应时间，测试精度提高至0.1 ms。装置能够按照设定的测试步骤，自动依次触发相应保护通道动作，采集、记录相应保护通道的响应时间，并与基准时间进行比较分析，形成试验结果报表。1设计方案1.1响应时间试验原理为了实现自动测试反应堆保护系统响应时间功能，首先将基于EDPF-NT+平台的试验装置通过硬接线接入到反应堆保护系统机柜内，模拟核电站功率运行平台信号建立非跳堆跳机运行环境，通过仿真输入信号的变化，触发相应的反应堆保护信号，并通过高速采集卡记录仿真输入信号阶跃变化时间t1与保护信号触发时间t2，计算出保护系统响应时间。1.2硬件结构与布置试验装置采用结构化通用设计，包含多个机柜、试验计算机，每个机柜均包含控制器模块、IO模块、通信模块、调理模块以及高速采集卡，可根据所需仿真信号的数量调整IO模块数量，同时多个装置可通过高速网络通信组合应用于多个保护序列，如图1所示。第21卷 第2期Vol.21 No.22023年4月Apr.2023第2期DPU控制器AO输出模块DO输出模块RO输出模块CH切换模块网格线网格线输入信号通道选择模块通道选择高速采集卡计算机TR调理模块反馈信号响应时间T=t2-t1网格线t1t2反应堆保护系统图1响应时间试验原理试验计算机安装有EDPF-NT+分散控制系统软件以及专用试验软件，用于完成维护功能及试验功能。控制器模块及 IO 模块采用 EDPF-NT+P2 系列DCS设备，支持热插拔，输出精度小于0.1%。主要IO模块类型为DO、AO、RO，用于仿真保护系统中的输入信号。高速采集卡可完成时间同步，实现不同模块里不同通道采集信号时间的比较。每块高速采集卡为4 路采集通道，具有高抗干扰能力，且时间精度10 s，可与控制终端实现通信，控制终端通信调用高速记录卡采集的数据进行二次处理。调理卡件根据试验需求，专门进行优化设计，实现将PT100信号、K型TC信号、420 mA电流信号、048 V DC电压信号以及无源干接点信号调理转化为高速记录卡可清晰识别的信号。1.3软件组成试验装置的基础软件为EDPF-NT+，用于完成试验装置的一层和二层功能开发，以及项目工程搭建、硬件定义、软件组态编译、通信设置等。EDPF-NT+软件同时具备系统状态监视、故障诊断、强制等基础功能。可进行模块化设计，新增硬件设置、自定义组态模块等。针对反应堆保护系统响应时间测试试验的特殊性，设计开发了基于EDPF-NT+平台的响应时间测试专用试验软件KCSSimuManager，具备可视化操作界面，一键批量仿真功能，能够多仿真信号、多试验任务的响应时间自动测试；此软件可实现一键式批量强制信号点，以完成反应堆保护系统建立非跳堆跳机工况或其他所需环境；能够存储40 个预定义模板，模板可手动选择试验装置信号点名、强制状态、强制顺序和实现方式（阶跃变化、斜坡变化、脉冲信号），也可以批量导入试验用例。KCSSimuManager按照设定的试验用例和步骤，自动依次输出仿真信号，触发逻辑保护通道动作；自动执行保护通道的响应时间测量和分析，记录相应保护通道的响应时间；计算仿真信号阶跃变化时间与保护信号触发时间的差值，得出反应堆保护通道响应时间和试验图表，将结果与安全规定的标准时间要求对比，分析得出响应时间是否合格，并自动形成试验结果报表。反应堆保护功能响应时间测试自动试验流程如图2所示。试验提示：本试验项是否影响机组运行状态仿真初始条件：所有试验用例同一先决条件选定试验项目顺序执行取消所有强制点，恢复初始条件导出所有测试结论及曲线试验提示：试验项前提条件是否满足执行本试验项初始条件设置根据试验设定触发仿真信号产生逻辑输出，记录波形和时间差执行本试验项恢复条件设置试验提醒：检查试验结束是否已恢复初态顺序执行列表中试验直至完成所有试验项根据设定触发仿真信号产生阶跃输出，并记录波形和时间差图2反应堆保护功能响应时间测试自动试验流程反应堆保护响应时间试验根据信号输入、保护输出的不同，分为N个试验项，每个试验项包含初始条件设置、试验用例项和恢复条件设置。试验前提条件设置和恢复条件均采用批量仿真强制形式，设定强制点与强制值。执行试验时可单独执行一个或多个试验项执行，每一步试验均可手动逐步执行，也可顺序执行，可实时观测到步骤执行情况以及执行结果，且具备暂停、继续和终止试验功能。试验用例项包含输出信号和输入信号，在执行试验时输入信号按照一定逻辑关系6（3选2，4选2，2选1，N选1等），依次阶跃输出信号达到设定值，触发保护逻辑动作产生反馈输入信号，高速采集卡记录输出和输入信号的波形，并自动计算两者的时间差。2试验装置精度验证2.1理论分析响应时间试验信号传递流程如图3所示。试验装置通道选择TaTbTdTf调理电路高速采集卡试验计算机试验指令跳堆信号反应堆保护系统反馈信号选择TcTeTgThTi图3响应时间试验信号传递流程徐如敬等：基于EDPF-NT+的RPS响应时间自动测试试验装置研制与应用64第2期试验信号主要通过 TaTf 环节传输，其中信号的延时发生在TaTg 环节中，延时环节理论分析7如下：Ta、Tc、Te、Tg、Th环节为短距离电路回路，延时0 s。Th为反应堆跳堆信号。Tb、Ti环节中的通道选择在信号传输前已将信号通路选择好，延时0 s。Ti为重要设备跳闸信号。Tf环节中的高速采集卡采样速度设置为100 K，所以Tf=10 s。Ti环节中高速采集卡的通道在同一时钟下以定时采样的方式进行时间标记，因此通道间延时为0 s。Td环节中调理模块电路中需要处理AO（420mA）、DO、RO（PT100）3 种信号，此环节延时分析如下：（1）AO信号延时理论分析。AO信号处理电路原理如图4所示。AO_OUT_+4AO_OUT_-4C10104R1ORAO+1AO-1AO_OUT_+1AO_OUT_-1C1104D1SMBJ10CA21图4AO信号处理电路原理为滤除信号噪声，在采集卡的信号选择端增加0.1 F滤波电容C10。根据RC滤波的计算方法，电阻即为传输电缆的线阻理论为0。截至频率为无限大，所以在1 k频率下的延时为0 s。实际中，导线存在一定的线阻，线阻和电容产生RC滤波，会对信号产生一定的延时。线阻R=电阻率导线长/导线横截面积，其中电阻率=0.017 241（mm2/m）8，导线长度=40 m，导线横截面积=1 mm2，线阻R=0.68964，截止频率F=1/（2RC）=1 154 484 Hz。其中C1和C10距离较近，所以电容值C=C1+C10。将示波器观察纹波频率设置为200 kHz以上，测得阻容滤波的延时时间为814.461 ns。AO信号的综合误差为：T（AO）=Ta+Tb+Tc+Td+Te+Tf+Tg+Ti=0+0+0+0.814 s+0+10 s+0+0=10.814 s（2）DO信号延时理论分析。DO信号处理电路的原理如图5所示。D0 1+D0 1-R2180 kR436 kD2TVS 10 VDO OUT1-DO OUT1+图5DO信号处理电路原理电路中R2和R4为分压电阻，D2为TVS管均无时间延时，所以DO信号电路延时误差为：T（DO）=Ta+Tb+Tc+Td+Te+Tf+Tg+Ti=0+0+0+0+0+10s+0+0=10s（3）RO信号处理电路的原理，如图6所示。PT_+1PT_-1R21ORPT_OUT_-1D13SMBJ10CAC8104GNDGNDGNDC20106U1OP775 V+PT_OUT_+1R2420 KTAPGND12346723AB图6RO信号处理电路原理RO模块输出信号阻值为0400，提供1 mA电流，电压00.4 V，跳变温度为20，阻值约7，为准确捕捉跳变电压值，将RO电压信号放大10倍，跳变值放大到0.07 V。信号输入端中R21和C8组成阻容滤波电路，其中R21阻值约0，C8容值为0.1 F。一阶RC低通滤波的截止频率F=1/（2RC）=，理论阻容滤波的延时时间为0 s。输出端10 F滤波电容C20用于滤除高频噪声。RC截止频率F=1/（2RC）。其中，R为运放输出阻抗与线阻之和，运放输出阻抗约1，线阻=0.689 64，C=10 F。将示波器观察纹波频率设置为50 kHz以上。测得RO信号的阻容滤波的延时时间50 s。AO信号的综合误差为：T（RO）=Ta+Tb+Tc+Td+Te+Tf+Tg+Ti=0+0+0+50 s+0+10 s+0+0=60 s综上所述，以上3 种仿真信号的响应时间测量误差均小于100 s。2.2试验验证针对DO、AO、RO仿真信号，分别抽样10组典型逻辑回路进行验证。将仿真信号和反应堆跳堆信号通过硬接线接入试验装置中，并接入标准电子计量仪中，同时测量反应堆响应时间。在验证过程中，以电子计量仪测量的响应时间Tb为基础，试验装置测量的响应时间为Ta，通过对比两者的测量结果，得出试验装置的测量精度，误差应小于0.1 ms。装置精度试验原理如图7所示，精度验证数据结果如图8所示。65第2期A01A02A03A04A05A06A07A08A09A010D01D02D03D04D05D06D07D08D09D010R01R02R03R04R05R06R07R08R09R0101 2001 1001 0009008007006005004003002001000响应时间/ms试验装置测量时间Ta/ms电子计量仪测量时间Tb/ms试验装置测量精度Tp/ms0.50.40.30.20.1测量精度/ms图7装置精度试验原理试验装置S1S2Ta1Ta2Time/msTime/msTb1Tb2电子计量仪S1S2SignalSignalTa1：仿真信号阶跃时间Ta2：跳堆信号阶跃时间Ta：试验装置测得反应堆响应时间Ta=Ta2-Ta1试验装置精度Tp=|Ta-Tb|Tb1：仿真信号阶跃时间Tb2：跳堆信号阶跃时间Tb：电子计量仪测得反应堆响应时间Tb=Tb2-Tb1图8精度验证数据结果3结果从30 组仿真信号的验证结果可以得出，试验装置的综合理论精度与实际测量精度相符，反应堆响应时间的测量精度均在0.1 ms以内，完全满足核电站对反应堆响应时间的技术要求和相关安全法规。此套响应基于EDPF-NT+的响应时间试验装置适用于核电站反应堆响应时间的测量，并且具有高精度、多任务、性能领先、质量可靠、性价比高的特点。4结语本文研究与开发的响应时间自动测试试验装置已应用于某核电站的反应堆保护系统的响应时间验证试验中，在实际应用中的测量精度达到了0.1 ms，达到了国际领先水平，显著提高了响应时间自动测试试验装置的数字化、自动化水平，大量节省了试验人力，缩短了试验周期，取得了良好的应用效果。此套试验装置具有高性价比、高可靠性的特点，同时适用于其他对时效性要求较高的工业控制系统，具有广泛的应用场景。参考文献：1马刚，康礼鸿.核电厂数字化反应堆保护系统T2响应时间分析及测试 J.自动化博览，2015（1）：72-76.2郑伟智，李相建，朱毅明.核电站数字化反应堆保护系统停堆响应时间分析 J.自动化博览，2010，27（8）：74-76.3GB/T 52042021，核电厂安全系统定期试验与监测 S.4EJ/T 10191996，核电厂安全重要仪表通道响应时间试验 S.5HAD102/162004，核动力厂基于计算机的安全重要系统软件 S.6汪绩宁，周爱平，郄永学，等.核电厂反应堆保护系统紧急停堆响应时间分析及测试 J.核动力工程，2012，33（2）：5-10.7王明星，孙诗炎，伍巧凤，等.数字化反应堆保护装置响应时间分析及设计 J.科技视界，2017（7）：266-267.8孙克军.电工手册 M.北京：化学工业出版社，2012.Development and Application of RPS Response Time Automatic TestDevice Using EDPF-NT+XU Rujing,SONG Xuejun,SANG Ming,LI Yanting(Beijing SP Zhishen Control Technology Co.,Ltd.,Beijing 102200)Abstract:In order to enable automatic testing of the response time of the reactor protection system in nuclear power plants,improve testing accuracy,perform test at the least manpower and shortest cycle,a dedicatedautomatic testing device for the response time of the reactor protection system has been developed.This testdevice using EDPF-NT+DCS system is wired to DCS protection system via cable so as to vary the simulation protection system input signal and trigger the necessary reactor protection signal;By comparing the difference between the step change time of the simulation input signal and the triggering time of the protectionsignal,figure out the response time of the reactor protection channel via test.Test results indicate that theresponse time of the protection system obtained from the test device meets the testing requirements and accuracy requirements as specified by the nuclear power plant.This test device can be applied to automaticallytest the response time of the reactor protection system in nuclear power plants.Key Words:EDPF-NT+;response time;auto test device;reactor protection system（收稿日期：2022-11-30责任编辑：马小军）徐如敬等：基于EDPF-NT+的RPS响应时间自动测试试验装置研制与应用66