核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機監(jiān)控報警系統(tǒng)的研究

李明鋼，張 波

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機組作為全廠應(yīng)急安全電源，與核電安全直接相關(guān)。在核電廠用供電電源和輔助電源都發(fā)生故障時，能夠自動快速啟動并按照程序帶載應(yīng)急交流電源，以提供應(yīng)急照明和為保證反應(yīng)堆安全停堆所需的設(shè)備用電，使其繼續(xù)運轉(zhuǎn)，保證一回路壓力邊界的完整性，確保反射性物質(zhì)不向大氣泄漏。世界各核電廠的概率安全評價表明：應(yīng)急電源系統(tǒng)失效導(dǎo)致電廠完全失電，進而喪失堆芯冷卻能力是導(dǎo)致堆芯損壞最為可信的事件序列之一，可見應(yīng)急柴油發(fā)電機組的重要意義。

當(dāng)前核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機組的安全級控制保護系統(tǒng)廣泛采用以繼電器為主的模擬電路控制[1]或PLC進行控制[2]，在工況參數(shù)的監(jiān)控、報警系統(tǒng)上存在監(jiān)控和報警分辨率低，監(jiān)控參數(shù)數(shù)量少，歷史記錄時間短，設(shè)備自身自診斷功能差等弊端。以某電廠為例：

1）由于記錄變量的數(shù)量限制，核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機組監(jiān)測和報警系統(tǒng)僅采集記錄少量且重要信號，無法查看相關(guān)信號日志信息。

2）在應(yīng)急柴油發(fā)電機組啟動或者運行期間出現(xiàn)報警時，往往同時出現(xiàn)多個報警信息，無法排查出首出故障，并最終定位故障出現(xiàn)的真正原因。所以，對應(yīng)急柴油發(fā)電機組監(jiān)控報警系統(tǒng)的改造升級成了當(dāng)前一個重要需求。

3）數(shù)據(jù)記錄采用事件記錄儀，僅能記錄瞬態(tài)的開關(guān)量信號，且由于存儲容量限制僅能記錄兩周左右，存儲設(shè)備沒有冗余設(shè)置，一旦存儲設(shè)備發(fā)生故障，記錄的數(shù)據(jù)全部丟失。

本文以某電廠新增應(yīng)急柴油發(fā)電機組的監(jiān)測報警系統(tǒng)為研究對象，實現(xiàn)核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測和報警。

1 整體架構(gòu)設(shè)計

在實現(xiàn)監(jiān)控和報警系統(tǒng)的過程中，一方面要構(gòu)建反應(yīng)靈敏、回應(yīng)快速的數(shù)據(jù)采集體系，確保能夠在故障發(fā)生時及時捕捉和獲取故障信息，做出有效處理；另一方面，要對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)予以科學(xué)規(guī)劃，系統(tǒng)要具備較高的信息處理水平之外，還要秉持線路簡潔原則，迎合用戶對于靈活快速調(diào)整的需求。

對于應(yīng)急柴油發(fā)電機組來說，其安全分級屬于核級設(shè)備，內(nèi)部控制系統(tǒng)分1E級控制系統(tǒng)和NC級控制系統(tǒng)。構(gòu)建應(yīng)急柴油發(fā)電機組數(shù)字化監(jiān)控和報警系統(tǒng)監(jiān)控、報警系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)來源離不開底層控制站的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。通過使用核級DCS控制平臺和睦系統(tǒng)取代傳統(tǒng)繼電器用于實現(xiàn)1E級控制，通過SH_N平臺取代傳統(tǒng)PLC實現(xiàn)NC級控制。監(jiān)控報警系統(tǒng)實現(xiàn)柴油機整體的參數(shù)顯示、記錄、報警、故障日志、報警日志、操作日志、軟操作等功能。其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture

1）接收NC級柴油機控制柜SNET網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，配置兩臺并行冗余的服務(wù)器進行數(shù)據(jù)處理和存儲，保障數(shù)據(jù)的可靠性。當(dāng)一臺服務(wù)器出現(xiàn)問題時，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)記錄時間在兩年以上，數(shù)據(jù)記錄間隔時間為1s，最快可設(shè)置為200ms。

2）兩臺服務(wù)器共用一臺一體化顯示器（KVM），便于日常的維護。

3） 操作員站的19寸觸摸屏安裝在柜門上，用于實現(xiàn)參數(shù)、畫面顯示和事件記錄等功能，將數(shù)據(jù)直觀地呈現(xiàn)給運行維護人員。

4）監(jiān)控系統(tǒng)可連接全廠時鐘進行系統(tǒng)校時，便于全廠時間統(tǒng)一。

5）配備一臺激光打印機，用于實時打印參數(shù)和報表。

6）可對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，生成統(tǒng)計日志報表。

7）具有系統(tǒng)日志功能，對系統(tǒng)的登錄、操作日志、報警日志進行記錄，并可進行追溯，所有日志支持打印和導(dǎo)出。

8）采用信號趨勢圖表對柴油機各類溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行展示。

9）系統(tǒng)具有安全防護功能，對USB、網(wǎng)絡(luò)等進行鎖定和防護。

10）具有報警屏蔽、通訊自診斷等功能。

2 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理及信號處理方法

2.1 高精度數(shù)據(jù)采集的研究與實現(xiàn)

傳統(tǒng)應(yīng)急柴油發(fā)電機組的信號監(jiān)控和報警分辨率低，無法實現(xiàn)1ms的采集和記錄。

采用SOE功能對報警信號進行監(jiān)控，為Sequence Of Event的縮寫，即事件順序記錄功能。它能以毫秒級的分辨率獲取事件信息，能更加準確地反映事件情況，為設(shè)備狀態(tài)分析、故障診斷及事故分析系統(tǒng)提供可靠有力的數(shù)據(jù)，它以高分辨率分辨各個信號狀態(tài)變化的先后次序，在事故情況下幫助分辨故障的產(chǎn)生原因，準確定位故障發(fā)生的時間。因此，SOE成為分析事故的主要記錄手段。

為了獲取毫秒級的分辨率，SOE都需要專門的硬件支持[3]，NC級控制系統(tǒng)采用SH_N平臺具有SOE功能IO采集模塊（HCME01A），實現(xiàn)1ms分辨率的IO采集。

由于為了防止共因故障，核級控制系統(tǒng)不允許時標功能，采用如下方案實現(xiàn)：一般1E控制系統(tǒng)的掃描周期設(shè)定為25ms（最低設(shè)定為15ms），當(dāng)主控單元（MPU）第一次上電時，內(nèi)部TICK值變?yōu)?，每經(jīng)過一個掃描周期其TICK值增加1。當(dāng)開關(guān)量測點發(fā)生變化時，程序獲取當(dāng)前MPU內(nèi)部TICK數(shù)值，將該TICK值作為本次掃描周期SOE記錄的時間標簽。通過與bool_signal（數(shù)據(jù)位和質(zhì)量位的組合數(shù)據(jù)形式）數(shù)據(jù)整合形成bool_signal_tick類型的數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)Fig.2 Data type structure

圖3 試驗驗證架構(gòu)圖Fig.3 Experimental verification architecture diagram

MPU每個掃描周期完成一次所有SOE的測點檢測。對于任意一測點的狀態(tài)變化，都生成一條SOE記錄。記錄內(nèi)容包括開關(guān)量變位通道號、開關(guān)量變位時刻及變位狀態(tài)[4]。每隔200ms將生成的SOE轉(zhuǎn)存至通訊存儲區(qū)，并通過網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸給NC控制器，由NC控制系統(tǒng)通過SNET網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控報警系統(tǒng)服務(wù)器，服務(wù)器對該數(shù)值進行解析并記錄，以實現(xiàn)類似SOE功能。

通過歷史服務(wù)器的數(shù)據(jù)記錄，可實現(xiàn)高分辨率的數(shù)據(jù)采集記錄功能。

2.2 數(shù)據(jù)記錄與存儲功能的實現(xiàn)

原有監(jiān)測和報警系統(tǒng)采用控制顯示盤，主要包含開關(guān)、按鈕、指示燈，報警光字牌及顯示儀表，用于實現(xiàn)參數(shù)顯示、報警和操作指令功能[5]。通過故障錄波儀實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和存儲，監(jiān)控的參數(shù)數(shù)量很少，且僅為開關(guān)量。

通過應(yīng)急柴油發(fā)電機組數(shù)字化監(jiān)控和報警系統(tǒng)，可實現(xiàn)所有進入到控制系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)控和歷史記錄功能，同時對一些計算的中間過程參數(shù)也可進行記錄，實現(xiàn)更為精準的故障的分析。歷史數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)存儲2000個模擬量點，7000個開關(guān)量點。服務(wù)器支持最快200ms的存儲周期，對模擬量歷史數(shù)據(jù)進行存儲。服務(wù)器按狀態(tài)變化（包括數(shù)值和質(zhì)量信息的變化）保存開關(guān)量數(shù)據(jù)，保存信息包括：變位時間（到毫秒）、值及其數(shù)據(jù)質(zhì)量信息（無效標記、強制標記、隔離標記、試驗標記）。歷史數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)端口從實時數(shù)據(jù)庫獲取全面歷史數(shù)據(jù)，傳輸協(xié)議遵循整個管理網(wǎng)的傳輸協(xié)議。

同時對開關(guān)量、模擬量的日志信息進行監(jiān)控。

開關(guān)量日志信息：

◇ 開關(guān)量狀態(tài)變化信息。

◇ 開關(guān)量強制開始／結(jié)束信息。

◇ 開關(guān)量信號抖動開始／結(jié)束信息。

模擬量日志信息：

◇ 模擬量超電量程開始／結(jié)束信息。

◇ 模擬量越限開始／結(jié)束信息。

◇ 模擬量報警開始/結(jié)束信息。

◇ 模擬量強制開始／結(jié)束信息。

◇ 模擬量超物理量程開始/結(jié)束信息。

2.3 歷史數(shù)據(jù)記錄周期短

傳統(tǒng)的繼電器+PLC的應(yīng)急柴油機控制系統(tǒng)，采用HMI一體機（如西門子SIMATIC 19寸HMI面板）。由于該類設(shè)備存儲空間和后期拓展的限制，往往對于大量的參數(shù)和高頻記錄僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)幾天或者幾周的記錄。這遠遠不能滿足現(xiàn)場運維的需求，增加了現(xiàn)場運維人員的工作負擔(dān)。一旦未及時備份數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)就會被堆棧替換。同時，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)無法及時進行存儲，如果硬盤出現(xiàn)故障，所有數(shù)據(jù)均會丟失，給現(xiàn)場造成很大的影響。

新的監(jiān)控報警系統(tǒng)采用雙冗余的歷史服務(wù)器架構(gòu)，服務(wù)器采用兩塊6TB高可靠的工業(yè)級硬盤進行數(shù)據(jù)的存儲，后期存儲空間擴展方便，能夠?qū)崿F(xiàn)不少于兩年的數(shù)據(jù)存儲，這極大滿足了現(xiàn)場的需求。同時，采用冗余架構(gòu)也保證了數(shù)據(jù)的可靠性。當(dāng)一臺服務(wù)器出現(xiàn)問題時，另一臺還能夠同時記錄數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)的丟失和中斷。

2.4 設(shè)備自身自診斷功能差

繼電器控制模擬系統(tǒng)自身設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，而繼電器+PLC控制系統(tǒng)也僅通過PLC控制器實現(xiàn)部分設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。一旦設(shè)備自身出現(xiàn)故障，尤其是閃發(fā)故障，運維人員無法對問題進行定位、跟蹤和排查。

通過使用核級DCS數(shù)字化控制平臺和睦系統(tǒng)取代繼電器等模擬元器件，用于實現(xiàn)1E級控制，通過SH_N平臺取代傳統(tǒng)PLC控制器。應(yīng)急柴油發(fā)電機全數(shù)字化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，能夠有效減少系統(tǒng)內(nèi)的故障點，保障系統(tǒng)運行穩(wěn)定，對CPU、RAM、ROM、時鐘、看門狗、程序順序、采集板卡、板卡內(nèi)采集通道、通信端口和網(wǎng)絡(luò)通訊、服務(wù)器、操作站、網(wǎng)關(guān)、打印機、控制器、設(shè)備故障、供電電源、空開狀態(tài)、隔離模塊等設(shè)備進行故障全覆蓋，實現(xiàn)故障診斷和報警輸出，有效解決發(fā)生故障時儀控設(shè)備自身及時定位問題。

3 系統(tǒng)的整機調(diào)試與運行狀態(tài)分析

搭建了與實際供貨完全一致的1:1工程樣機，并設(shè)計了全范圍仿真機，針對工藝模型和現(xiàn)場傳感器進行了仿真。通過仿真機和測試裝置與工程樣機連接，對上述問題實現(xiàn)閉環(huán)測試驗證，在信號監(jiān)控和報警分辨率、監(jiān)控參數(shù)數(shù)量少，歷史數(shù)據(jù)記錄周期短，設(shè)備自身自診斷功能差等方面有了很大的提升，可有效地解決當(dāng)前存在的問題。

表1 測試項和測試結(jié)果Table 1 Test items and results

4 結(jié)論

本文所闡述的核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機監(jiān)控報警系統(tǒng)的解決方案對目前應(yīng)急柴油機組所遇到的監(jiān)控系統(tǒng)的一些弊端進行了分析，并針對這些弊端給出了具體的解決方案，為排除系統(tǒng)故障和分析故障原因提供了強有力的保障。

監(jiān)控和報警系統(tǒng)提供了良好的人機對話單元，可方便修改控制器的控制參數(shù)和系統(tǒng)配置信息。監(jiān)控和報警系統(tǒng)提供了形象和直觀的報警信號，為避免一些故障的發(fā)生和擴大化提供了可能。同時，對新建應(yīng)急柴油機組的儀控設(shè)計和在役應(yīng)急柴油發(fā)電機組的改造提供了參考。