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★ 北京廣利核系統工程有限公司楊廣振，郄永學，武方杰，馬維

摘要：本文研究對象是核電廠應急柴油機數字化控制系統廠內測試驗證方案。核電廠應急柴油機系統作為核電廠的應急電源，為核電廠重要設備和系統提供應急電源，其系統質量直接影響著核電廠的安全穩定運行，因此對于應急柴油機系統質量要求很高。當核電廠出現緊急工況（如廠內常用電源和備用電源突然失去的緊急事件）時，應急柴油機系統必須立即啟動，為核電廠中關乎核安全的重要設備和系統提供可靠穩定電源。在應急柴油機系統中，控制系統是一個非常重要的環節，其質量高低直接決定著應急柴油機是否正常啟動，進而保障核電廠安全穩定運行，所以對于核電應急柴油機控制系統質量要求更高，絕不能出現任何異常。通過分析多個柴油機系統的工藝特點及結合現場調試經驗，（主語）提出一套基于模塊化方法的通用用例庫的驗證方案。經過多個項目機組的實施驗證，此方案能夠全面高效的驗證柴油機控制系統，并能確保應急柴油機控制系統的質量，同時也為其他系統的質量驗證提供了很好的借鑒意義。

關鍵詞：數字化控制系統；模塊化；用例庫

1 概述

在核電廠眾多控制系統中，有一個很特殊的系統——應急柴油機系統。與核電廠中工藝控制系統和反應堆保護系統不同，它不直接控制現場設備（如閥門、泵等），一般狀況下不會被使用，一旦被啟用，表明核電廠已經出現了影響核安全運行的非常緊急狀況，必須確保其能夠正常啟動并為核電廠提供可靠穩定的電源，否則會造成非常嚴重的核安全事件。核電廠應急柴油機系統是為了在核電廠運行期間工作電源和輔助電源都發生故障時，為核電機組反應堆運行重要設備和關鍵設備提供可靠穩定電源，從而保護燃料元件不受損壞和保證核電廠安全可靠停堆。應急柴油機系統作為核電廠的應急電源而存在，絕對不允許出現無法正常啟動的狀況，故對其質量要求非常高，尤其是對其控制系統的質量要求更高。

目前我國現有的核電應急柴油機系統主要為法國ALSTOM、德國MTU/AREVE等廠家的，其配套的控制系統也均為模擬控制系統（其內部由大量繼電器和硬接線搭建而成）。經過核電廠長時間的運行，其模擬控制系統逐漸暴露出來了很多弊端，問題頻發，直接影響了核電廠安全穩定運行，如由于元器件老化，其繼電器出現接觸觸點表面氧化，接觸電阻過大，導致控制信號時有時無；由于控制線纜老化及線纜松動，需要更換線纜等問題，急需新的技術方案進行更新或者替換原有的控制系統，減小甚至避免上述風險，保障應急柴油機系統正常穩定運行。鑒于上述狀況，國內核電廠家對于現有的應急柴油機控制系統改造已經迫不及待。鑒于當前國內數字化儀控技術快速發展，并且已經有眾多核電基地的應用案例，尤其是安全級系統的成功應用，故核電廠家傾向數字化控制系統的改造，減少由于大量內部線纜和元器件老化暴露出的問題，進而確保應急柴油機系統正常運行，保障核電廠的核安全穩定運行。

2 面臨的問題

當前國內核電廠中的應急柴油機控制系統均為模擬控制系統且為國外廠家生產的，而對于國內核電儀控廠家來說，此領域還沒有踏足過或者介入非常少，對核電應急柴油機系統的工藝特點和控制特性了解不足，怎樣確保核電應急柴油機控制系統質量是一個比較棘手的問題，怎樣保障在儀控廠家內部的調試或工廠測試驗證質量也是急需解決的問題。因此，尋找或建立一套有效的、可實施的、高質量的應急柴油機控制系統的工廠測試驗證方案，已成為當前國內核電儀控廠商首要解決的問題。

目前面臨問題如下：

2.1 缺少一套核電應急柴油機控制系統的廠內驗證方案

對于國內核電儀控廠商來說，由于首次介入應急柴油機領域及首次應用數字化控制方案，對核電應急柴油機系統的工藝特點了解不足，對其控制系統關鍵特性挖掘不深，對核電應急柴油機控制系統的工廠測試經驗不足，對首次使用數字化系統潛在風險識別不太充分，并且對核電應急柴油機控制系統的驗證策略，在國內還是一片空白。目前急缺一套完善的應急柴油機驗證方案，來指導核電儀控廠商開展廠內測試驗證，充分驗證數字化儀控系統的質量，并能及時發現其存在的潛在風險，保障應急柴油機控制系統的質量，為現場核電機組安全穩定運行保駕護航。

2.2 如何確保驗證方案的高質可行

對于應急柴油機控制系統的廠內測試驗證方案，不僅要驗證柴油機控制系統功能的正確性，也要能及時發現系統存在的潛在隱患，同時要確保其方案具體可實施，也是新方案要解決的問題。

2.3 怎樣保障測試設計質量，進而保障系統驗證質量

基于當前國內核電儀控廠商現狀，核電儀控驗證領域的驗證專家人力資源緊張，尤其是具有豐富經驗的高級測試設計人員更為稀缺，怎樣在有限資源下提高測試方案的設計質量，也是一個急需解決的問題。

2.4 機組類型多樣，怎樣在確保驗證質量的前提下，提高驗證效率也是要考慮的問題

基于當前核電應急柴油機廠家多樣，機組類型眾多的特點，新方案也應考慮其驗證方案的效率。即在保障系統的驗證質量前提下，其新方案應盡可能地提高測試驗證效率，盡可能地縮短廠內驗證周期，為后續核電現場應急柴油機調試及核電機組聯調做出盡可能大的貢獻。

3 問題分析

鑒于以上狀況，核電應急柴油機控制系統的廠內測試驗證方案，應能緩解甚至解決上述問題，故其廠內新測試驗證方案應解決如下問題：

問題1：需要建立一套通用的、標準的廠內驗證體系，以確保廠內控制系統驗證質量，進而保障應急柴油機控制的質量。

問題2：新方案應能確保高質量，并且在實施中有效可用。

針對此問題，新方案應盡可能地多次驗證確認，以確保測試驗證方案高質量，并且能夠可靠有效實施推進，全面、有效地驗證控制系統的質量。

問題3：新方案應能保障測試設計正確性、可靠性，并能提高測試設計質量。

針對此問題，新方案的測試設計應能實現驗證設計原則固化，并減弱測試難度，減弱對人員能力的要求，進而提高測試設計質量。

問題4：新方案應考慮驗證效率，盡可能縮短驗證周期，為核電應急柴油機現場調試和核電機組調試留出盡可能多的時間窗口。

針對此問題，新的方案也應考慮測試方案的測試設計和執行效率，特別是考慮多機組的整體驗證效率，盡可能提高效率，為整個核電應急柴油機的改造周期提供最大的共享。

4 新方案

經總結分析應急柴油機機組類型和工藝特性，以及結合之前核電儀控機組的廠內驗證經驗，提出了一種基于模塊化技術的通用測試驗證方案：

通用標準工藝工況庫→驗證類型集合→功能單元→細胞功能單元→固化的驗證原則→細化的驗證步驟設計。

其具體方案思路如下：

4.1 提出一套通用工藝工況庫測試驗證方案

根據應急柴油機機組類型和工藝特點以及現場調試經驗，對柴油機系統工藝工況和重要功能進行梳理分類，并進行歸納提煉，形成一套通用應急柴油機系統的測試驗證工藝工況庫，依據此通用工藝工況庫開展后續廠內測試驗證工作。此通用工藝工況庫的內容不是固定不變的，而是動態變化不斷更新的，是隨著機組類型不同而及時更新的。當識別到新工藝工況時，就需要更新工況庫（表1）。此通用工況庫，需經過儀控廠商內部測試專家、工程設計人員、應急柴油機廠商和核電現場用戶多角度、多方位的評審討論，確保其方案的覆蓋全面性、可靠性和高質量，同時也為其他機組的使用奠定了很好的基礎，并提高了多機組的測試效率。

4.2 各種應用場景工況的驗證類型集合

針對每類工藝工況庫，結合現場運行維護經驗、柴油機廠商建議和儀控廠商的測試經驗，設計出涵蓋各種場景和現場工況的測試驗證類型集合，包含現場各類型模型的功能單元，如極限邊緣驗證的功能單元、正常工況驗證功能單元、事故工況驗證功能單元、瞬變工況驗證單元、漸變工況驗證單元和故障工況驗證功能單元等，形成全范圍覆蓋的場景工況的功能單元驗證集合。

4.3 固化的細胞單元設計原則，提高測試質量和效率

每個驗證功能單元被進一步細化為多個細胞功能單元（如啟動功能細胞單元、停機功能細胞單元等）。對每個細胞子單元實施固化測試設計原則的策略（如“與”邏輯驗證原則，“或”測試設計邏輯，復雜邏輯測試設計原則等），并給出預期輸出，形成固化測試原則，使后續測試人員明確細胞單元的設計及驗證原則，提高了測試設計質量和測試效率(表2)。

4.4 建立一對一的模塊化通用功能單元庫的使用導則，指導后續測試人員正確使用通用用例庫，提高測試設計效率和測試執行效率（表3）。

4.5 為了保障測試方案高質量，對測試方案驗證實施全面系統一體化的驗證思路（測試專家實施驗證方案設計→多方會議評審→方案優化改進→最小化模擬推演驗證→小范圍適用→多項目推廣），進而確保測試驗證方案的高質全面可靠。

5 新方案的優勢

新方案采用通用工藝工況用例庫，既保障了測試方案的質量，又提高了測試方案復用性，大大提高了測試效率；新方案采用模塊化通用用例庫，其測試設計的難度大大降低；新方案采用基于模塊化用例庫，經過專家評審（測試專家、設計專家、廠家和現場調試人員），其保障了用例庫高質量；新方案采用基于模塊化功能用例，降低了對測試設計人員能力的要求；新方案采用通用用例庫，測試設計效率得到了大大提高。基于模塊化的通用用例庫的測試方案，還具有如下優勢：

（1）首次提出標準化的柴油機控制系統廠內驗證方案，提高了測試方案復用性，提高了測試效率和測試質量。

通過分析測試對象特點，在柴油機領域中首次提出基于模塊化的通用測試驗證方案，既保障了測試方案的質量，又提高了測試方案的復用性，大大提高了測試效率。

（2）首次提出工藝工況庫通用測試驗證方案，提高了多個機組測試方案質量，進而確保了系統驗證質量。

通過分析測試對象特點，在柴油機數字化控制系統中首次提出基于模塊化的工藝工況庫、驗證類型集合庫和功能單元庫及子細胞單元設計思路，固化了測試設計和使用原則，提高了驗證方案的質量，降低了測試設計難度。通用測試驗證用例庫，固化了測試設計經驗，在保證通用庫的質量的基礎上，提高了測試效率，降低了測試設計難度，減少了人因失誤，提高了測試驗證方案的驗證效率。

（3）形成功能單元庫的“全類型集合+子細胞單元+使用導則”的通用設計原則，解決了測試設計如何開展及如何使用用例庫的問題。

根據不同現場應用場景和工藝控制特點，確定每類工況下的驗證類型集合，針對驗證類型又劃分為多個功能單元及子細胞單元；結合覆蓋率設計原則，確定子細胞功能單元輸入邏輯組合，并給出預期判斷輸出；設計出涵蓋各種功能場景和工況的子細胞功能單元輸入邏輯組合全集，形成模塊化功能單元設計原則的通用用例庫，同時形成通用使用導則，解決了測試設計人員如何編制通用的用例庫和選用用例庫的問題。

（4）形成通用用例庫的質量控制方法，保障了測試設計質量高。

保證用例庫的質量措施：專家分析及提煉、技術評審、模擬推演、小范圍適用及項目應用推廣，解決了用例要求質量高的問題。

（5）建立一組核電柴油機控制系統的廠內測試驗證數據庫，填補了核電應急柴油機控制系統的廠內驗證數據空白的問題。

基于多個核電廠柴油機項目實踐，建立了一組核電應急柴油機控制系統工廠測試驗證數據庫，提高了后續柴油機數字化控制系統的測試效率和質量，對其他項目具有一定的借鑒意義。

6 新方案的意義

此新測試方案已經在多個核電柴油機數字化控制系統中進行了實施應用，并取得了很好效果：減弱了對測試設計人員能力的需求，降低了測試設計難度，減少了高級專業人員的資源投入，提高了測試效率，同時也為后續項目的工程實施提供了很好的借鑒意義。

作者簡介：

楊廣振（1981-），男，河北保定人，工程師，本科，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電DCS儀控系統的設計與驗證工作。

郄永學（1973-），男，河北石家莊人，高級工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電DCS儀控系統的設計與驗證工作。

武方杰（1984-），男，江蘇連云港人，工程師，本科，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電DCS儀控系統的設計與驗證工作。

馬維（1978-），男，北京人，工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電DCS儀控系統的設計與驗證工作。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2022年12月刊