《核工程+数字化仪控+核安全+核动力》@EnzoReventon

核电站数字化仪控系统与传统控制系统的比较

1 传统反应堆控制保护系统结构

RPR 反应堆保护系统，从广义上说，它是由仪表系统和逻辑系统组成，包括了那些为保护反应堆，根据电站参数变化而操作紧急停堆短路器和专设安全设施执行机构的全部电气设备。

仪表系统包括了核仪表系统（RPN 系统，又名 SIN 系统）和过程仪表系统（KRG系统，又名 SIP 系统）。

逻辑系统 RPR 如下图所示，显示了 RPR 系统在反应堆安全系统中所处的位置。

仪表系统监测的是如下基本系统的有关参数：RCP，VVP，ARE，GRE，ETY，PTR，RPN。

安全动作指令主要涉及：

（1）跳闸：反应堆停堆断路器断开；反应堆冷却剂泵断路器断开； 汽轮机跳闸。
（2）安全设施：蒸汽管道隔离； 安全壳隔离，第一阶段（A）； 安全壳隔离，第二阶段（B）； 安全注入； 安全壳喷淋；主给水隔离； 辅助给水泵启动； 柴油发电机启动。

在核电厂在 RPR 系统控制范围内的系统，即执行核电厂安全功能的系统包括：
APA/APG/APP/APD/ARE/ASG/DEG/DVW/DVK/EAS/EPP/ETY/LHA/LHB/RAZ/RCP/RCV/REA/REN/RGL/RIC/RIS/RPE/RPN/RRI/SAR/SEC/VVP 等。

反应堆紧急停堆执行机构是 RPR 系统的断路器。

仪表控制系统：

传统反应堆控制保护仪控系统如图 1-2 ：有四个保护通道：ⅠP、ⅡP、ⅢP、ⅣP。
供电是在过程仪表机柜（KRG）或在核仪表机柜（RPN）中四条独立的应急支持的220V AC 产生的电源。

24V DC、48V DC 供给仪表机柜的各种组件，并且也用于传递探测器模拟信号和用于发送阈值继电器开关量信号至保护继电器。

这样，相同的保护电源在 RPR 两个系列 A 和 B 中完成它的功能。

RPR 仪表接口由阈值继电器提供的信息和由保护电源产生的信息，经二个接线端子排（在仪表机柜顶端）多路传输到系列 A 和 B。提供给整流器(Mutators)的信息完成：
（1）输入和输出之间的物理分离。
（2）A 和 B 部件之间的电气隔离。
（3）针对干扰可能触发假的指令的保护。

逻辑系统：

逻辑系统详细结构如下图：

逻辑矩阵线路的输出信号送到“矩阵”继电器，它是按失电原则动作的（除了安全壳喷淋和第二阶段安全壳隔离继电器以外。这是为了避免不适宜的投入而产生的严重后果）。

（1）反应堆紧急停堆

反应堆紧急停堆电路断电状态是由反应堆紧急停堆信号通过低压脱扣线圈开启而实现的。由 2 个 1/2 逻辑 X 和 Y 发出的反应堆紧急停堆指令经放大器和输出继电器控制主断路器和旁通断路器的低压线圈开启。

反应堆紧急停堆指令也可由操纵员在控制室手动按纽发出。手动控制直接作用在主断路器开-关主脱扣线圈，也可直接作用在旁路跳闸系统的 1/2 逻辑 X，Y 线路上，控制旁路断路器的 2 个低压紧急停堆线圈的开启。

反应堆紧急停堆信号的各种功能分为七组，可以参考上一章节的逻辑图进行功能理解，具体的反应堆紧急停堆信号停堆示意图见下图。

（2）安全装置系统逻辑

RPR 安全装置自动动作可以分成两部分：

• 各个安全装置逻辑处理功能是依据 RPR 反应堆紧急停堆同样的原理，即由整流器传来的安全信号切断 1/2 逻辑 X 和 1/2 逻辑 Y 电路。 安全动作指令是一个 1/2 逻辑输出的失电信号。
• 放大器和普通继电器接受从 1/2 逻辑来的信号，存贮并向执行器分配安全设施动作信号。向执行器传输的安全设施动作信号是一个经过处理的信号，即“带电动作信号”。

反应堆紧急停堆断路器

停堆断路器主体结构如下图所示。逻辑系列 A 和 B 通过低压脱扣线圈（或“失电触发脱扣线圈”）都能分别开启主断路器 RPA300JA 和 RPB300JA。电动机发电机组三相交流电通过两个串联主断路器连到控制棒驱动配电机柜，电站正常运行期间，每个停堆断路器上由直流低压线圈 UV 吸住一个被弹簧拉着的跳闸柱塞，这样控制棒驱动配电柜有电流通过，停堆时，由于受控低压线圈失去直流电流，跳闸柱塞弹回而打开主断路器，只要一个停堆断路器打开，控制棒驱动电源失去电源，控制棒在重力作用下，实现紧急停堆。

此外，对主断路器和旁路断路器的控制还有与低压脱扣线圈并联的“有电触发脱扣线圈”它由主控制室发出控制信号。是为断路器的测试而设置的。

2 数字化仪表控制系统与传统控制系统的比较

与传统的反应堆控制保护系统比较，数字化仪控系统安全级 DCS 具备如下优点：

1、通过软件的多样性、独立性和硬件的多样性、独立性相互结合的方式，实现反应堆控制保护功能的纵深防御，提高反应堆的可靠性。核电厂反应堆控制保护，一般依据功能分级搭建非安全级 DCS 平台和安全级 DCS 平台。这两个平台，采用不同的设备，不同的规范要求，从而消除软件共模故障的影响。但是，由于非安全级软件平台不具有抗震要求，在地震情况下，只有安全级平台可用。此时，必要的基于硬件设备的后备盘可提供给操纵员使用，从而形成了这样一个纵深防御的机制。每道屏障互相独立，不会因为一个屏障的失效，其故障传播到更高级别的屏障，而导致该级别失效。两个软件平台互相独立，软件平台之间采用单向传输（安全级向非安全级传输）的网关相联，非安全级平台的故障不会传播到安全级平台；软件平台和后备盘互相独立，后备盘由硬接线直接连到传感器和执行机构，软件故障不影响后备盘的操作；主控室和副控室互相独立，主控室因火灾等原因导致不可居留时，可切换到副控室操作。

2、安全级 DCS 提供了可视化的人机界面，并配以系统故障诊断、首初报警识别、参数状态监测和趋势分析等功能。对操作员进行机组控制接受的大量的参数信息进行优先级识别，为操作员对机组状态、以及进行的控制操作提供必要辅助判断功能。

3、控制逻辑和保护逻辑可以实现在线修改，维护的操作性更高、成本更低。传统的逻辑功能通过大量的继电器搭建，如修改具体的控制逻辑，需涉及电源设计、电缆敷设到继电器的接线等等现场工作实现逻辑的变更。采用 DCS 技术后，控制保护逻辑功能在软件平台中实现，可以通过在线的软件操作实现逻辑修改，对于电厂来说更易操作实现，设备和人力成本也有所降低。

由于核电厂的安全性要求更高，在控制保护系统设计更多的考虑系统的安全性，因此系统的设计和应用多偏保守。反应堆控制保护系统的设计，需要在满足传统反应堆控制保护的逻辑、操作功能外，需要更多的应用单一故障、多样性、独立性、逻辑符合等原则，在设计中主要表现在设立多种独立的操作系统、冗余的通道、电源系统的电气隔离、控制通道的网络隔离等实体隔离。在软件的设计表现在设立多种控制逻辑如 4 取 2、3 取 1、2 取 1 并考虑单一通道的故障的逻辑降级，控制保护功能的分级、分组，功能隔离实现模块化，降低出现复杂瞬态的概率。

传统的反应堆控制保护系统包括逻辑系统、仪表系统、停堆断路器等设备。研究分析并熟练掌握传统反应堆控制系统的结构、设计原则、思路，对于设计反应堆数字化仪控系统具有最基础的指导意义，也是非常必要的一个环节。

郑志兴.核电站反应堆控制保护系统的设计与研究[D].广东:华南理工大学,2018.