数字化仪控通道响应时间定期试验设计

梁 玲 周叶翔 田亚杰 李公杰 刘光明

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

核电厂保护系统定期试验主要是为了验证从仪表采集至执行结构各环节的功能有效性，设计方法取决于安全级DCS 的技术平台类型及结构特征。工程上总体将定期试验划分为针对模拟继电器式仪控平台建立的定期试验和针对数字化仪控平台建立的定期试验。目前新建核电厂已普遍应用数字化仪控平台，针对数字化仪控平台的定期试验设计法律法规也逐步完善。

在各大标准体系中，对核电厂安全级系统平台的监视及功能验证，通过定期试验与系统的自诊断功能共同实现，而安全系统定期试验的范围可包括功能试验和检查、正确校准的验证和响应时间试验。

1 标准要求

标准GB/T 5204 -2008《核电厂安全系统定期试验与监测》［1］中要求，“安全系统的定期试验与监测是为了实现预期的系统可用性，应注意探测设备的运行状态是否处在规定的限制之内。规定的限制是最低的性能要求，例如响应时间、整定值准确度，以及设计基准规定的其他性能要求。”

标准IEC -60671 -2007 (Nuclear power plants -Instrumentation and control systems important to safety -Surveillance testing)［2］中也明确响应时间试验是安全系统定期试验中重要的组成部分。

针对定期试验的设计要求，在役核电厂总体上设计了相互重叠的T1、T2、T3试验。范围上，T1、T2、T3试验总体上能够覆盖完整的安全系统数字化平台的通道;功能上，T1、T2、T3试验能够验证数据采集(如参数采集的正确性)、仪控系统功能(如定值比较、逻辑退化等)、系统之间的连接及执行机构的动作(如阀门开关、动作计时等)，但不能直接验证这个试验体系对响应时间的性能。响应时间作为安全系统数字化仪控平台的一项关键性能参数，性能的测试与保证的要求是明确的，但是针对该项性能是否需要做定期试验，针对不同的数字化平台及相关自诊断功能的具体设计的区别也出现差异。特别是早期基于数字化仪控平台定期试验中，并未包含数字化仪控通道的响应时间定期试验。

2 通道响应时间定期试验

2.1 试验必要性

当前常见的安全级数字化仪控平台的自诊断功能，并不能直接验证响应时间的性能指标是否保持不变，但某些安全级DCS 平台数字化仪控通道构成简单，主要的响应时间构成来自明确的几个环节，如CPU等。通过对这些环节的定量分析标准能够高可信度地判断整个数字化通道的响应时间满足安全系统设计的要求。基于这样的定量分析，最终在设备调试验证响应时间性能与定量分析结果保持一致，且具有较大的性能冗余，最终确定针对这样的数字化平台可不要求定期开展响应时间定期试验。但是，一方面定量分析本身存在一定的不确定因素，比如环境温度对响应时间性能的影响测定;另一方面并非所有数字化仪控平台都能够完整可信地证明响应时间性能可靠性。因此，在后续二代加及三代核电厂的安全级DCS 平台设计中，更倾向于增加响应时间定期试验的设计。

2.2 试验要求

核电厂完整的响应时间测量包括从敏感元件到被驱动设备整个通道的试验。本文重点探讨数字化仪控系统平台的响应时间定期试验，图1 示意该响应时间定期试验的范围，并给出T1、T2、T3的试验范围作为比对参考。

图1 响应时间定期试验检测范围Fig.1 The detection scope of response time periodic test

响应时间测量若一次不能实现整个通道的试验，可以对通道进行合理分隔，分别测量分离部分的响应时间。分离部分之间保持重叠，或者分离之间有自诊断功能覆盖，且自诊断部分的响应时间对于整个通道的响应时间贡献较小。在确定一个系统的总响应时间时，可适当地忽略相比分离部分响应时间低于一个或以上数量级的部分。在具体执行数字化仪控通道响应时间定期试验时，需满足如下具体的要求。

(1)如功能试验，校准检查或其他试验已经验证了安全系统的通道响应时间性能，那么相关设备可不做响应时间定期试验。

(2)为了确定整个响应时间，必须同时记录输入和输出状态。试验输入应能可靠触发定值比较，以触发完全脱扣指令。

(3)如果保护脱扣功能由两个或两个以上变量触发动作，通道的响应时间必须用每个变量产生的脱扣动作来检验。试验时，其余变量的试验信号必须设置在它们的预期运行范围内，使试验产生保守的试验结果。

(4)如电站运行期间不能开展响应时间定期试验，可在停堆换料期间开展。

3 通道响应时间定期试验方案分析

3.1 试验路径说明

根据数字化仪控系统响应时间定期试验的监测范围，结合MELTAC -N Plus R3 DCS 平台特性，信号通过信号采集接口机柜RPC 的输入卡件AI 卡注入，经过专设安全设施驱动机柜ESFAC、安全逻辑处理机柜SLC，最终由SLC 机柜的输出卡件PIF 卡输出到专设驱动机构。响应时间试验计时路径如下。

停堆功能:RPC AI 卡件—RPC CPU—DO 卡件;

专设功能:RPC AI 卡件—RPC CPU—ESFAC CPU—SLC CPU—PIF 卡件。

3.2 传统响应时间测试方法

①停堆功能响应时间试验方法。通过试验路径可以看出，停堆功能响应时间试验所需信号都在RPC机柜所在房间。试验时，只需将AI 卡件输入端子和DO 卡件输出端子连接到试验端子上，然后再分别连接到信号仿真器和示波器，即可进行响应时间试验。本文重点分析专设功能响应时间试验方法。

②专设功能响应时间试验方法。试验时，将RPC机柜的AI 卡输入端子和SLC 机柜的PIF 卡输出端子分别连接到试验端子上，信号仿真器放在RPC 机柜所在房间，示波器放在SLC 机柜所在房间。仿真信号注入到AI 卡时，通过隔离分配将仿真信号同时送到示波器作为计时开始信号，仿真信号经RPC、ESFAC、SLC逻辑处理后经PIF 卡输出，该输出信号送示波器作为计时结束信号。传统响应时间试验接线如图2 所示。

在DCS 出厂前及现场调试期间，该测试方法可行。但是电站投运后，根据DCS 机柜厂房布置，RPC机柜与SLC 机柜布置在不同的楼层，需敷设跨楼层的试验电缆。在电缆敷设接近超容的情况下，增加试验电缆存在一定的难度。因该项试验在停堆换料期间开展，大修时间窗口紧张，按传统响应时间测试方法开展定期试验将严重影响大修进度。

图2 传统响应时间试验接线示意图Fig.2 Wirings of the traditional response time test

3.3 响应时间定期试验方案

为更好地解决传统响应时间测试方法中存在的上述问题，下面以MELTAC-N Plus R3 DCS 平台为例详细阐述响应时间定期试验方案。

响应时间试验接线示意图如图3 所示。

图3 响应时间试验接线示意图Fig.3 Wirings of response time test

RPC 机柜与BUP 盘台间存在备用电缆①，BUP 盘台至SLC 机柜间存在备用电缆②。

BUP 房间放置一台脉冲信号发生器，RPC 机柜房间放置一台信号仿真器和示波器X，SLC 机柜房间放置一台示波器Y。试验时，将RPC 机柜的AI 卡输入端子和SLC 机柜的PIF 卡输出端子分别连接到试验端子上。

(1)信号发生器产生的脉冲信号通过试验电缆d，备用电缆①、②和试验电缆c、e 分别送到示波器X 和示波器Y，并通过试验电缆c 触发信号仿真器发出仿真信号。

(2)仿真信号通过试验电缆a 送到AI 卡件。

(3)仿真信号通过隔离分配经试验电缆b 送到示波器X，作为计时开启时间。

(4)仿真信号经过RPC、ESFAC、SLC 逻辑处理后，由PIF 卡件输出经试验电缆e 送示波器Y，作为计时结束时间。

响应时间计算如图4 所示。

图4 响应时间计算方法示意图Fig.4 Calculation method of the response time

通过灵活的试验信号注入及试验结果记录方式，优化利用RPC 机柜与BUP 盘台之间、BUP 盘台至SLC机柜之间存在的备用电缆，可以很好地解决传统方案中存在试验电缆敷设难及时间窗口紧张的问题。通过信号发生器和两台示波器，将仿真信号送到AI 卡件的时间作为响应时间计时的启动时间，使计算得出的响应时间精度更高。

3.4 响应时间定期试验改进方案研究

上述两种定期试验方案中，试验信号直接与数字化保护系统连接。为保证机组正常运行，确保试验信号不影响电站的可用性，试验信号接入的输入、输出卡件必须保证绝对隔离，以防止试验信号造成现场设备误动。为从根本上解决试验信号可能造成现场设备误动的问题，可以通过在RPC、ESFAC、SLC 机柜中额外增加试验专用卡件、验证逻辑的方法，使试验逻辑独立于保护功能逻辑。该方案可更大程度地缩短试验时间，并降低上述两种方案中试验信号接入时人因失误的风险。但该响应时间方案对CUP 负荷和机柜配置有较大影响，可作为后续数字化仪控平台开发的研究对象。

4 结束语

本文根据标准法规要求，结合MELTAC - N Plus R3 DCS 平台特征，针对工程应用情况论述响应时间定期试验的设计原则，以及MELTAC-N Plus R3 DCS 平台及电站运行条件，提出响应时间的定期试验方案，供在役电站及后续新型数字化仪控平台开发参考。

［1］ GB/T 5204 -2008 核电厂安全系统定期试验与监测［S］.2008.

［2］ IEC 60671 -2007 Nuclear power plants-Instrumentation and control systems important to safety-surveillance testing［S］.2007.