核电厂数字化仪控系统基础

核电厂数字化仪控系统基础核电厂仪控系统的特点
控制对象的工艺流程复杂，监测和控制的参数多而且各种过程参数联系密切，1000MW典型的核电站仪控系统的参数信息量和指令大约是7000~9000个。
系统安全性、可靠性要求高，运行质量直接与仪控系统性能相关。
反应堆工作或停堆后一段时间内，大部分设备人员无法接近。
控制和监测核燃料裂变链式反应及堆芯状态监测的必要性。
大量核物理、热工、水力及其它一些直接测量无法得到的参数计算多，且精确性和实时性要求高。数字化仪控系统简介数字化仪控系统是以计算机、网络通讯为基础的分布式控制系统的系统，它进一步引入和开发面向状态的诊断技术、智能化报警技术、数据库技术、符合人因工程要求的人机界面、先进的主控室等现代技术，并采用系统化的控制室功能分析和分配、操纵员作业分析等设计技术，以及面向核电厂运行安全状态的操作员支持系统包括智能诊断与智能报警为基础的计算机化操作规程等。数字化仪控系统应用我国从96年开始在田湾核电站（俄罗斯VVER-428）引进数字化仪控系统(AREVA/SIEMENS--TelepermXP+TelepermXS)，至今系统已成功运行。目前在建核电站如岭澳二期，已开工和纳入计划开工的红沿河、宁德、阳江等CPR1000系列核电项目也全部采用数字化仪控系统（安全级DCS采用三菱MELTAC平台，非安全级DCS采用和利时公司的HOLLiAS平台）。只是在田湾核电站和岭澳二期核电站的基础上通过红沿河、宁德、阳江等核电项目为依托基本实现核电站数字化仪控系统的国产化（与国内DCS生产厂家成立广利核公司）。同时对于今后的三代EPR和AP1000核电站也将全部采用数字化仪控系统。核电站的仪控系统分类仪控技术核电站备注二代仪模拟量仪表采用小规模集成电路和运算放大器，逻辑量仪表则采用常规继电器等硬逻辑电路来控制秦山一期FOXBORO公司的SPEC200反应堆保护系统升级为TXS秦山二期KIT/KPS采用HSCAS2000大亚湾Baily9020岭澳一期（1、2号机组）汽轮机控制采用ALSTOM的P320核电站的仪控系统分类仪控技术核电站备注二代加常规仪表加分散控制系统（DCS）的方式岭澳秦山二期翻板核电站第三代全数字化技术VVER-428田湾AREVA/SIEMENS--TelepermXP+TelepermXSCPR1000岭澳二期（3、4号机组）CPR1000红沿河（1、2号机组）、宁德、阳江三菱MELTAC平台，非安全级DCS采用和利时公司的HOLLiAS平台EPRAREVA/SIEMENS--TelepermXP+TelepermXSAP1000爱默生公司的OVATION和ABB公司的COMMONQ（AC160）中国核电中国核电中国核电中国核电/仪控系统发展仪控系统发展仪控系统发展仪控系统发展历程历程历程历程秦山一期1984大亚湾1987.8田湾一期1999.12岭澳二期1997.5岭澳一期2005.121991.121994.52003.12007.52010.52007.8红沿河一期宁德一期2008.22009台山EPR常规模拟式仪控系统数字化仪控系统主控室自主化设计FCD时间商运时间全部数字化仪控自主化设计/国产化开始
具有很好高的控制精确性和很强大的逻辑运算处理、计算能力，能显著提高了仪控系统的综合性能，完成以往模拟仪控系统所无法实现的复杂逻辑运算处理和计算功能；
以通信网络连接各系统设备，大大减少了连接电缆的数量，提高了数据传输的可靠性；
能方便有效的实现具有多重冗余、故障安全和容错等功能，提高了系统可用性和可靠性；数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比模拟仪控系统模拟仪控系统模拟仪控系统模拟仪控系统-优点优点优点优点继电器控制机柜—岭澳一期（数量大、检修靠人工）岭澳一期核电站模拟主控室岭澳二期核电站先进主控室照片（三维绘制）
能方便、有效的实现具有系统在线检查和自诊断功能，有助于故障分析和判断；
系统扩展灵活性好、可组态性强，便于维护；
具有强大的数据处理、数据和存储能力，改善了人机接口。数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比模拟仪控系统模拟仪控系统模拟仪控系统模拟仪控系统-优点优点优点优点核电厂数字化仪控系统功能设计原则
故障安全原则；
单一故障原则；
多样性原则；
独立性原则；
冗余性原则；
共模故障最小原则；
节能降耗原则；
经济性原则。三代堆型数字化I&C•ESBWR–GENUMACandGE/INVENSYSTRICONdigitalI&CplatformsforRPSandESFAS,respectively–StaffI&Creviewofdesigncertificationapplicationandtopicalreportsunderway•ABWR–DigitalI&Carchitectureyettobeidentified•AP1000–WestinghouseCommon-QdigitalI&CplatformforRPS/ESFAS–StaffI&Creviewofpre-applicationtopicalreportsunderway•US-EPR–TELEPERMXSdigitalI&CplatformforRPS/ESFAS–StaffI&Creviewofpre-applicationtopicalreportsunderway•US-APWR–MitsubishiMELTACplatformforRPS/ESFAS–StaffI&Creviewofpre-applicationtopicalreportsjustbegunAP1000核电厂的仪表控制系统主要特点（1）采用非能动的专设安全系统，专设安全设施驱动系统的设计有很大的变化和改进；（2）AP1000核电厂的仪表控制系统采用数字化分布式控制系统（Ovation和CommonQ平台），使AP1000的仪表控制系统得到全面的改进；（3）人机接口系统设计采用先进的人因工程学原理，改善了人机接口和运行环境，降低了操纵员的人因错误和负荷强度；（4）采用灰棒控制组件，负荷跟踪时不需要调硼，不仅增强了核电厂的负荷跟踪能力，也减少了放射性废水量；（5）采用轴向偏移（AO）控制棒组件，使轴向功率分布控制达到完全自动化；AP1000核电厂的仪表控制系统主要特点（6）采用固定式堆芯自给能探测器，它与BEACON系统数据处理器相结合能生成完整的反应堆堆芯核功率分布的三维图形，可以实时监测堆芯核功率分布情况；（7）采用快速降功率系统，降低了对蒸汽排放能力的要求(AP1000核电厂的蒸汽排放总量仅为40%）；（8）AP1000设置的多样化驱动系统（DAS），其功能不仅针对不能停堆预期瞬态事件（ATWS），而且扩大到了不能执行专设安全系统的情况，增大了核电厂的安全性；（9）采用大的稳压器容积，在正常的瞬态工况（包括负荷跟踪、变负荷和调频等）情况下有较好的自稳定性能力。总体总体总体总体结构结构结构结构AP1000数字化仪表控制系统总体结构以实时数据网为界将整个仪表控制系统划分为四层。（1）第0层和第1层执行核电厂的保护、控制和监测功能。第0层(处理接口层)，包括以下的执行部件和设备：核电厂的执行部件（泵和阀控制柜、开关柜等），敏感元件、一次仪表等以及反应堆停堆断路器；第1层（处理层），包括以下的系统：保护和安全监测系统(PMS)、核电厂控制系统（PLS）、汽轮机控制和监测系统(TOS)、堆芯仪表系统(IIS)、特殊监测系统(SMS)、多样化驱动系统(DAS)；总体总体总体总体结构结构结构结构AP1000数字化仪表控制系统总体结构以实时数据网为界将整个仪表控制系统划分为四层。（2）第2层（通信层）为非安全级的实时数据网，属于，它是一个多重的100M高速以太网络，一些重要的系统都连接在该网络上；（3）第3层（操作员操作和监视层）为主控制室在内的运行和控制中心系统和数据显示和处理系统。包括以下系统：运行和控制中心系统(OCS)、数据显示和处理系统（DDS）。WestinghouseProprietaryClass2CRemoteShutdownPanelDistributedPlantNetworkMonitorBusDataDisplayandProcessingSystem(DDS)RPIGateways(Typical)SafetyNetInfoBusOperatorWorkstationsRodControlSystemIncoreSystem(existing)NSSSControlSystemTurbineIslandControlSystemPlantComponentsControlLogicSystemToNISSystemI/OCabinetMCCandSwitchgearToMCR/R諴諴諴諴IndicatorsIIIIIIIVPAMSTrainAIntegratedProtectionCabinetsNISI/OCabinetESFACPlantComponentsIntegratedControlLogicCabinets(ILC)InfoLogicBusPlantComponentsIntegratedControlLogicCabinets(ILC)InfoLogicBusToMCR/R諴諴諴諴IndicatorsPAMSTrainBPlantMonitoringSystemsDiverseActuationSystem(DAS)Motor-GeneratorSetReactorTripBreakersPlantControlSystem(PCS)ProtectionandSafetyMonitoringSystem(PMS)DiverseActuationSystem(DAS)SpecialMonitoringSystemsSoftwareDevelopmentHistoricalandRetrievalComputation/AlarmServersLogServerInterfacetoPlantInformationSystemDatalinkInterfaceRIOESFACMainControlRoomHybidControlDesksTraditionalStandupPanelsOperatorControlandMonitoringLevelCommunicationLevelProcessingLevelProcessInterfaceLevelNon-1EFunctionsNon-1EFunctions1EFunctions1EFunctionsNon-1EFunctionsNon-1EFunctions两个控制系统两个控制系统两个控制系统两个控制系统平台平台平台平台•AP1000数字化仪表控制系统由Ovation和CommonQ分布式控制系统两个平台组成。Ovation平台用于组成AP1000核电厂非安全的运行、数据显示、控制和监测系统。CommonQ平台用于组成AP1000核电厂保护和安全监测系统（PMS）。（1）CommonQ平台CommonQualified（简称CommonQ）安全级仪表与控制系统平台组成AP1000安全级的仪表与控制系统，即AP1000保护和安全监测系统(PMS)。CommonQ平台是CE核能（CENP）从欧洲ABB自动化产品公司Gmbh的标准AC160（可编程逻辑控制器PLC）系统发展而来的，由经过IE级合格鉴定的、专用于核电厂的商业级硬件和核电厂专用软件组成的计算机系统。CommonQ平台装载各种核电厂专用应用软件，以完成核电厂安全系统的应用。两个控制系统两个控制系统两个控制系统两个控制系统平台平台平台平台•AP1000数字化仪表控制系统由Ovation和CommonQ（CommonQualifiedPlatform）分布式控制系统两个平台组成。Ovatio