核电厂反应堆功率控制系统测试研究范文

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摘要：反应堆功率控制系统是核电厂DCS系统的重要组成部分，本文阐述了其基本原理，并详细介绍了在工厂测试阶段完成其功能测试的实现方案。该方案以LabVIEW为基础，并结合相应的硬件设计，实现了反应堆功率控制系统信号的采集、处理和发送，以及测试结果的存储、计算和分析。通过在阳江核电厂反应堆功率控制系统工厂测试中的应用，该方案得出的测试结果表明，各工况参数符合理论及实际运行值，满足工厂测试的全部要求，并可为仪控行业中类似的测试提供参考和借鉴。

关键词：反应堆功率控制；虚拟仪器；DCS；LabVIEW

反应堆功率控制系统是核电厂DCS控制系统的重要组成部分，在工厂测试阶段，要对其进行全面测试，以验证其是否满足核电厂运行控制的要求。在测试中，为了尽可能地模拟反应堆运行状态及验证某一参数对功率控制的影响，需要同时注入与反应堆功率控制相关的所有信号。传统测试方法既需要大量的人力和物力，同时也无法准确地分析信号变化的时序关系。本方案利用虚拟仪器技术，以LabVIEW为软件平台，通过设计相应的硬件板卡，实现了现场信号的模拟和逻辑关系的传递，进而达到了测试目的。

1反应堆功率控制介绍

反应堆功率控制系统主要包括功率调节系统和温度调节系统，需要指出的是，温度调节的实质仍是功率调节，只是温度调节是将温度作为控制变量，其引起反应堆功率变化较小，是功率调节的微调和补充。本文只以功率调节系统为理论基础，对温度调节系统不做介绍。

1.1反应堆功率控制原理在“堆跟机”模式（即G模式）下，反应堆功率调节系统要迅速跟踪二回路的功率变化。同时，根据二回路工况和控制模式等信息选择待跟踪的功率。在核电厂运行期间，功率整定值的变化会引起棒位整定值的变化，当棒位整定值和棒位实际值不一致时，会产生棒位偏差信号，根据该偏差信号的正负和大小产生棒向和棒速信号，这些信号会输出给功率棒组执行单元，控制功率棒的提插，以跟踪负荷。反应堆功率控制原理如图1所示[1]。由图可见，反应堆功率控制系统的目的就是实现反应堆热功率与电功率相匹配，其本身是一个开环系统的跟踪控制。

2反应堆功率控制系统测试

反应堆功率控制是核电厂功率控制的核心环节，在工厂测试阶段对反应堆功率控制系统的测试提出了很高的要求（见图2），包括：（1）反应堆功率控制系统的功能逻辑需满足RGL系统的系统需求；（2）对反应堆功率控制系统性能及功能逻辑需进行100%覆盖率的验证；（3）注入系统的信号要与现场信号相一致。为了达到以上要求并提高测试效率，本文设计了具有自动测试功能的测试平台。在实际测试中，将反应堆功率控制系统分为互有重叠的三部分进行验证，分别是功率调节、温度调节和功率失配报警。其中功率调节最为复杂，本文即以功率调节作为对象阐述工厂测试阶段测试方案的设计与实现。

2.1测试平台设计方案2.1.1测试平台整体设计根据反应堆功率控制系统功能测试的需要，工厂测试平台要达到如下基本要求：（1）结构设计：机柜要符合GB19520—2007并具有便携性和可扩展性；（2）性能指标：I/O通道指标要高于DCS系统指标，整体技术指标要达到NC级设备的要求；（3）软件：人机界面友好并能模拟被控对象，提供准确有效的测试数据，可支持人工更改测试程序。与传统测试仪器不同，虚拟仪器由工控机和功能化硬件模块组成，不仅设备操控和测量结果借助于计算机以虚拟面板实现，而且数据传送、分析、处理和存储均由计算机软件完成，大大提高了测试的质量和效率。以功率控制功能测试为例：按照功率控制功能测试大纲的要求，仅满足100%FP工况的需要就添加了124个硬接线点，其中多为4～20mA信号，即使单个测试小项也需同时接入多个变量来满足试验条件，需要多块仪表配合，但同时，仪表的稳定性和受干扰强度也在一定程度上影响了参数精度，进而影响测试质量。在实际测试中，用传统测试仪器完成功率控制功能测试需要420个工时/人。如果能将虚拟仪器应用在测试平台的构建上，则不仅能满足上文三个要求，还能节省大量的人力物力，这也是我们引入虚拟仪器的原因。根据以上总体要求，在硬件架构方面，本平台采用了易扩展的PXI总线技术。基于该技术构成的自动测试平台功能全面且易实现，只需在计算机上挂接PXI接口的功能模块，配合相应的软件，就可以实现信号的采集和处理功能；在软件设计方面，采用了面向最终用户的LabVIEW2011平台，采用虚拟仪器技术，通过软件配置，灵活实现各项测试功能。本平台的整体结构示意图如图3所示，其中①为硬件设计部分，②为软件设计部分。2.1.2硬件设计采用了PXI系列数据采集卡，其数字量为5VTTL/CMOS信号，模拟量信号最大范围为±10V，并不能直接接收现场的信号，同时其对外驱动能力比较有限，因此需设计合理的信号调理板作为现场侧与数据采集卡的转换接口。此外，为避免工业现场侧各信号的串扰，得到高精度的测量结果，各通道相互独立。为了提高信号调理板单板的稳定性和通用性，本硬件设计采用了模块化设计思想，即将信号调理板分为分线板和调理板两部分。信号调理板结构示意图如图4所示。2.1.3软件设计采用基于图形程序设计语言的LabVIEW软件，其基本程序单位是VI（VirtualInstrument虚拟仪器），每个VI模块完成指定功能，通过软件程序的调用，既可以完成指定的测试功能，也可以集成通用的测试平台，从而实现全部功能的测试。软件层次结构如图5所示。按软件层次结构图，设计反应堆功率控制测试系统软件；针对功率控制系统的功能和实际需求，进行针对性的开发；按实际控制原理，设计内部逻辑；按人机界面要求，设计人机接口；通过实际信号的注入与变化，验证反应堆功率控制系统逻辑的正确性并作记录。软件组成如图6所示。2.1.4数据验证测试平台搭建后，为验证平台的准确性和精度，选取了功率控制功能测试的4个I/O点进行了数据比对。结果如表1，经计算，该表中观测值满足表2中对I/O通道指标的要求。

2.2功率控制功能测试实现在测试中需要验证二回路各参数的变化对反应堆功率以及功率棒运行方式的影响。根据验证条件的不同，测试内容分为19个小项。下文以其中1个小项—“验证校准模式下功率棒运行方式”为例，具体说明功能测试的过程。该测试项的测试需求为：通过改变汽机工作模式和汽机功率，来验证实际的棒位跟踪值和棒位速度、方向是否与理论设计相同？是否满足功率控制的需要？“验证校准模式下功率棒运行方式”测试步骤如下：（1）按照设计要求，初始化100%工况参数。（2）确定功率棒的运行模式及棒速分布曲线。本小项测试在校准模式下，无插棒闭锁信号，当偏差小于1步时，棒速为0；当偏差大于1步时，棒速为72步/min。其速率曲线如图7所示。（3）根据核电厂详细技术参数，确定电厂满功率值、棒位整定值以及模式切换按钮等具体信息，进而确定测试内容，编写测试用例。本项测试用例又分四步：一是，验证100%工况下初始参数正确性；二是，改变汽机工作模式，由正常模式向校准模式切换；三是，改变汽机功率值，根据图8所示的棒位值功率值曲线降低功率至911MW。四是，将汽机功率调整至792MW。实际采用的测试用例如图9所示。（4）依据运行模式及测试用例，有针对性的开发出软件测试程序。通过调用棒速控制程序、数据处理程序等子程序完成信号的采集发送和数据的处理记录等功能。将软件及数据库下装到已完成硬件配置的测试平台中，通过硬接线和网线将测试平台与反应堆功率控制系统相连接。（5）执行测试，按照相关操作规范和测试用例执行测试。实际测试过程，依据开发的人机界面为测试主界面，同时结合功率控制程序，对输出值进行验证。在某些测试项中，还要结合BUP上的硬线输出和仪表一并验证功能测试的正确性。本测试的实际执行过程如下：（a）运行测试程序，使汽机工作在正常模式下（204KG=RESET，100%FP=990MW，013KG&016KG=NORM）；（b）汽机切换到校准模式（204KG=SET，100%FP=990MW，013KG=CALIB，016KG=VALID），由于此时C22信号生效，会产生最高棒速信号72步/min，但由009GD产生的棒位整定值等于迭步计数器产生的棒位实际值，此时不能产生棒位自动下插信号；（c）将汽轮机降功率至911MW，根据功率-棒位整定值曲线，棒位整定值由615降为535，该值与迭步计数器产生的棒位实际值比较，生成棒位偏差信号，在插入信号没有被闭锁信号闭锁的情况下，它将会被传输出去，控制棒开始下插，反应堆功率跟随汽机功率开始下降；（d）继续降功率至792MW，控制棒继续以72步/min下插，直至实际棒位值降为480。其测试平台的人机界面如图10所示。通过记录实际操作和测量值的状态，判定测试结果与设计需求及测试用例一致。使用LabVIEW软件生成的人机界面，操作简便、画面友好，并且画面根据LD/AD图中的内容绘制，在做测试的过程中，更容易理解测试的原理。同时虚拟仪器的计算机化处理提高了测试的精度，摆脱了对传统测试仪器、仪表的依赖，完成功率控制功能测试仅需要112工时/人，比传统测试效率提高了近3倍。

3结论

反应堆功率控制一直是功能测试的一个重点，其涉及变量多，逻辑复杂，要模拟100%FP运行的反应堆需要加注许多信号，给测试带来困难。本文在分析了反应堆功率控制的基础上，以LabVIEW为软件平台，以PXI系列数据采集卡为硬件基础，并根据现场信号的特点设计了信号调理板，通过软硬件相结合的方式，构建了专用测试平台。通过对阳江和宁德核电厂反应堆功率控制系统进行全面深入的测试，验证了其在工厂测试中的实用性和可靠性。该测试平台覆盖了反应堆功率控制系统所要求的全部测试内容，满足测试的全部技术指标和要求。可以为仪控行业中类似的测试工作提供参考和借鉴。

参考文献：

［1］广东核电培训中心.900MW压水堆核电厂系统与设备［M］．北京：原子能出版社，2005.

作者：彭帅国 单位：北京广利核系统工程有限公司