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★北京廣利核系統工程有限公司張國勝，王慶明

摘要：目前，CPR1000核電站應急柴油發電機儀控系統大多由傳統繼電器和模擬設備搭建而成。隨著繼電器老化，系統故障率增高，同型號繼電器市場逐漸停產，面臨無備件可用的情況。繼電器搭建的系統一旦發生故障，事件無法記錄且不可追溯，對運行維護造成很大的不便。

1   引言

核電站應急柴油發電機組作為6.6kV應急母線的后備電源，為核電機組實現安全停堆功能所需的中低壓核輔助設備供電。

核電站應急柴油發電機控制保護系統目前多采用傳統繼電器和模擬設備搭建，缺點是系統運行不穩定、故障率較高、維護不方便，已嚴重影響到柴油機的可用性及核電安全參數指標。本文分析某核電站應急柴油發電機現狀，將基于廣利核的安全級儀控系統FirmSys平臺技術和應用經驗，使用先進的數字化系統進行整體替換，以提高系統可靠性，方便運行和維護。

2   現狀分析

2.1 典型功能

核電站應急柴油發電機控制保護系統主要實現如下功能：

（1）1E級控制保護功能，包含應急柴油發電機緊急運行模式下的啟動、運行、停機和連鎖控制；

（2）NC級控制保護功能，包含輔助系統設備控制、定期試驗啟停、常規跳閘及連鎖、報警及事故記錄；

（3）轉速控制功能，實現速度控制，并在轉速超過保護閾值后發出保護命令；

（4）發電機電壓勵磁調節功能，實現發電機的電壓勵磁調節；

（5）電氣保護功能，實現發電機電氣參數測量顯示、發電機差動保護與綜合故障。

2.2 系統架構

應急柴油發電機控制保護系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架

2.3 實現方式

（1）繼電器柜，主要由瞬態繼電器、雙穩態繼電器、時間繼電器組成，用于實現NC和1E控制保護邏輯功能；

（2）控制顯示盤，主要包含開關、按鈕、指示燈、報警光字牌及顯示儀表，用于實現參數顯示、報警和操作指令功能；

（3）速度調節柜，一部分由引擎控制器和超速保護盒組成，實現速度調節和保護輸出功能；一部分為事故記錄儀和打印機，實現報警記錄和打印功能；

（4）電壓勵磁調節柜，實現發電機的電壓勵磁調節；

（5）電氣保護柜，實現發電機電氣參數測量顯示、發電機差動保護與綜合故障報警功能。

3   改造原則及約束條件

3.1 改造的原則

因涉及在役機組的改造，改造實施需采用成熟可靠的產品，不能影響機組的正常運行；不能降低原設備的安全性，要提高機組的可靠性和可用性，提供更好的人機操作界面，以方便維護，所以在項目改造中遵循了如下原則：

（1）安全性原則

數字化改造需采用成熟可靠技術，減少整個系統的風險，提高總體安全性。提供完善的權限管理手段，并考慮在極限負荷下的安全性，具備雪崩過濾處理能力，防止由于過多的、不可預知的事件序列發生而記錄大量的無用事件，進而可能導致整個系統性能顯著下降，嚴重影響操作員的正常信息獲取，干擾正常監控。

（2）故障安全準則

數字化系統中，單一設備的故障均不會導致系統性能缺失。開關量和模擬量輸出卡件具有帶電復位時輸出保持原則。

（3）可靠性和可用性原則

數字化系統在配置時，控制器、通信總線、網絡、電源等關鍵設備均需采用1：1全面冗余技術，保證系統的可靠穩定運行。采用高裕度設計和器件降額使用，提高系統硬件的固有可靠性和可用性。

3.2 改造約束條件

（1）在現有穩定運行的基礎上進行系統的改造，原有操作方式不變、原有功能不變；

（2）改造后的現場布局不發生變化；

（3）現場電纜不改變、進線方式不變；

（4）系統采用通用、成熟、經過驗證的技術，原

則上不采用單獨開發的產品；

（5）根據機柜內部接線，機柜重新布置。

4   改造預期效果

對比繼電保護系統和Firmsys數字化系統優缺點，可預期改造后的效果，對比結論如表1所示。

表1 改造預期效果

主要是實現控制柴油機的正常啟動、停機、運行聯鎖及應急啟動、停機等功能；監視機組進排氣、壓縮空氣、滑油、燃油、冷卻水系統以及發電機熱工參數等，并輸出報警；同時采集電流、電壓、頻率、功率因數、有功功率、無功功率等信號。

5   數字化控制系統功能實現

5.1 系統架構

EDG主控制器采用主備冗余CPU和單I/O結構，主備冗余的控制器之間實現無擾切換，當主處理器故障時可切換到備用處理器進行控制，系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖

5.2 控制站功能實現

(1)信號處理與傳輸

采集來自于傳感器的模擬量信號和幵關量，模擬量信號采集后需要經過調理分配板卡將不同類型的信號轉換成標準的4~20mA信號(強電信號需先經過變送器轉換后進入調理分配板卡)，幵關量信號通過隔離分配模塊進行隔離和分配，然后由1/。傳遞給主處理器，幵關量信號輸出，經過處理后直接發出設備驅動指令，進行現場設備的驅動；發出報警信號，進行指示和報警。

(2)數據處理

主處理器模塊對來自不同工藝系統的控制信號進行數據處理。如機組控制所需的閾值運算，保護或其他控制功能的2/3邏輯運算，就地/遠控、運行/維護、額速/怠速、手動/自動轉換的邏輯實現，其他符合邏輯運算，及各智能板卡狀態監視、門幵報警監視等。邏輯處理算法根據LD/AD的功能來實現。

(3)性能參數

運行周期可在10~200ms范圍內進行設定；模擬量輸入采集精度、CPU負荷、1/。裕量、內存裕量可充分滿足現場應用。

(4)通信

將需要記錄和指示的信號通過通訊方式傳給觸摸屏。

5.3 故障診斷功能

數字化控制系統的自診斷功能是發現系統故障的一個重要手段，它能保證安全級功能的正常執行。系統提供足夠的自診斷功能來快速發現故障，探測到不正常時進行指示報警，同時不正常數據不能參與保護指令的運算。

(1)系統內所有智能板卡或模塊都要求具備自診斷功能，模塊上提供電源、運行、故障、通信狀態以及故障碼等報警和顯示信號，便于發現和解決問題。

(2)主處理器模塊、通信模塊、總線模塊和I/O模塊通過異常處理程序來監視處理器中執行過程的各種異常情況，異常處理程序對非預期的情況做出響應，然后顯示故障狀態并向外部輸出故障信號，最后停止運行。如果異常處理程序失效，就由看門狗觸發動作，直接顯示故障狀態并向外輸出故障信號。

(3)所有模塊的故障信號除了模塊本身的故障狀態顯示外，還通過總線傳至主處理器模塊，經主處理器模塊判斷后送到主控室顯示。

5.4 操作、顯示功能

操作顯示功能由廣利核自主研發的產品實現，產品的顯示屏為19寸觸摸屏，觸摸屏可實現報警顯示、日志、歷史趨勢、操作功能等，鑲嵌在安全級的柜門上。考慮到緊急操作要求，部分操作使用硬幵關操作；事件記錄功能主要是對模擬量參數和重要幵關量信號進行顯示和記錄，此功能由19寸觸摸屏實現，且可接收全廠時鐘系統授時。如圖3所示。

圖3趨勢畫面示例

5.5 系統運行維護

數字化控制系統可通過報警指示燈實現故障的定位和排除，安全系統支持在線設備維護與更換，當故障發生時，維護工作應該按照運行維護手冊程序進行設備的更換。

6   結論

本工作完成了應急柴油發電機控制系統的現狀分析，制定了基于北京廣利核系統工程有限公司Firmsys平臺產品數字化控制系統的實現方案，此方案已在大亞灣新增柴油機和惠州柴油機項目實際供貨應用，可以解決目前應急柴油發電機控制系統設備故障率高，事件不能記錄、不可追溯，運行維護不便等問題，從而提高應急柴油發電機控制系統的可用性、可靠性，保障核電站安全穩定的運行。

作者簡介：

張國勝(1983-)，男，山東濟南人，工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電站安全級DCS改造等工作。

王慶明(1982-)，男，山東德州人，工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電站安全級DCS改造等工作。

參考文獻：

[1]王常力，羅安.分布式控制系統(DCS)設計與應用實例[M].北京：電子工業出版社,2004.

[2]廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電站系統與設備[M].北京:原子能出版社,2004.

摘自《自動化博覽》2022年第三期