核電廠DCS高負荷響應時間分析及測試

孫學慧，梁中起，郄永學，劉向東

(北京廣利核系統工程有限公司，北京100094)

核電廠DCS高負荷響應時間分析及測試

孫學慧，梁中起，郄永學，劉向東

(北京廣利核系統工程有限公司，北京100094)

本文對核電廠DCS高負荷工況、響應時間進行分析，使用測試裝置模擬高負荷工況并設計相應的測試方案，建立環境執行實際測試。測試結果表明：核電廠DCS響應時間測試結果與理論分析情況基本符合，抽樣測試結果符合正態分布，得出的置信區間證明了測試方案的可靠性。本設計方案可以應用至工程測試中，并對其他核電站工廠測試有一定的借鑒意義。

核電廠；數字化儀表控制系統；高負荷；響應時間

DCS系統高負荷情況下，信號大量迅速的變化給系統帶來巨大的負載，可能造成信號響應不及時或者不響應的情況，此情況可能影響操作員判斷,甚至導致核安全事故,所以必須對系統在高負荷工況下的響應時間進行驗證。

響應時間是保證核電廠安全運行的一個重要指標，是安全級和非安全級信息共享和正常通訊的一個重要保證。它反映了從輸入環節到輸出環節的時間間隔，表征了信號傳輸的速度。

在反應堆保護系統需求規格書以及合同的技術附件中都對保護系統經網關和LEVEL 2通信網絡[1]，到VDU人機界面的顯示響應時間有明確的要求，這說明對高負荷工況下的DCS響應時間的理論分析和實際測試是必要的。本文在某壓水堆核電廠DCS的設計和工廠測試階段，分析其核電廠DCS系統高負荷響應時間。

1 核電廠高負荷響應時間分析

核電廠的DCS系統按其所在系統功能對電廠安全的重要性分為安全級設備、安全相關設備和非安全級設備[2、3]，非安全級一般是完成核電站的常規控制， 而安全級則是為了保證核電站的安全提供保護控制；從數據傳輸上主要包括四部分：Level0 (現場接口層) 、Level1(系統自動化層) 、Level2(監督控制層) 、Level3(廠級 管理層)[4]。工廠測試階段主要涉及的是Level1和Level2。

1.1 高負荷工況介紹

目前核電廠工廠內高負荷測試主要分三種情況測試，分別為：垂直雪崩、水平雪崩和系統雪崩。

(1) 垂直雪崩是由核電廠Level1 層和Level2 層設備傳送大量數據流所引起的雪崩，Level1機柜CPU由于采用定周期的處理方式所以不受影響，而信號從Level1向Level2傳輸，由于Level2機柜使用UDP傳輸協議，故垂直雪崩工況會影響系統性能。垂直雪崩測試中選擇1200個數字量點和200個模擬量在一段時間內不斷變化。

(2) 水平雪崩是由核電廠安全級機柜L1層內部大量數據傳輸所引起的雪崩，因為安全級機柜的CPU 采用定周期的處理方式，每個周期內數據的傳輸量是固定不變的，所以水平雪崩對這種處理方式不會產生影響。

(3) 系統雪崩為一部分或多部分DCS系統設備的故障和恢復,在某個或某幾個系統上下電時，會產生故障報警、故障恢復等信號，此時數據傳輸量和正常情況下基本相同，故對系統負荷及性能影響較小。

綜上所述，核電廠安全級DCS垂直雪崩工況對性能指標的影響最大，所以本文主要研究垂直雪崩工況下的響應時間。

1.2 響應時間分析

1.2.1 信號傳輸路徑分析

響應時間的大小和信號的傳輸路徑有關，涉及的系統越多、路徑越長則響應時間就越大，測試的目的是驗證響應時間是否滿足預期，所以需要遵循最長路徑原則，選擇路徑最長的信號進行測試，故選擇路徑如表1 所示。

表1 響應時間傳輸路徑

信號從SLC通過Safety Bus 和COM柜經過Safety System Bus傳送至L1bGWP-1E，然后送至L1bGWP-NC，經過NI Control Network送至NI Server，再送到PICS network，經過Cal. server處理后再經過PICS network送至(NC-VDU)顯示, 如圖1所示。

1.2.2 信號傳輸指標

整個信號處理流包括：① 信號掃描周期時間(TS)；② CPU運算處理時間:(TC)=TS×S(S為CPU負荷率)；③ 網絡中的傳輸時間。各系統所需時間如表2所示。

圖1 響應時間信號傳輸路徑圖Fig.1 Route of Response time

序號系統名稱掃描周期時間(TS)/msCPU處理時間(TC)1SLC①100S1*TS12SafetyBus②50—3COM③100S3*TS34SafetySystemBus④100—5L1aGWP(Safety)⑤200S5*TS56L1aGWP(None-Safety)⑥200S6*TS67NIControlNetwork⑦10—8NIPartServer⑧500S8*TS89PICSNetwork⑨10—10Cal.Server⑩500S10*TS1011OPS(NC-VDU)250—

在實際運算中要考慮到響應時間最大延遲的情況，按照CPU在第一個周期內未掃描到輸入信號計算，所以經過系統的最大時間T=(1+S)TS[6、7]，同樣的道理，需要按照機柜的負荷率計算出相應中間設備的響應時間，故得到：

T總=(1+S1)TS1+TS2+(1+S3)TS3+TS4+(1+S5)TS5+(1+S6)TS6+TS7+(1+S8)TS8+TS9+(1+S10)TS10+TS9+TS11=170+50+170+100+340+280+10+700+10+700+10+250=2790ms

(根據各系統CPU負荷率，得到S1=70%；S3=70%；S5=70%；S6=40%；S8=40%；S10=40%)

根據以上分析計算可以得出響應時間理論分析的最大值為T總=2790ms=2.790s。

2 高負荷響應時間測試設計

2.1 測試裝置設計

使用信號發生器、過程控制儀表等傳統測試工具局限性較大，效率低，無法同時注入多通道信號。為了提高測試質量和測試效率，開發了一種接口便利、可對多通道同時注入信號的實用新型測試裝置。

測試裝置[8](Test Device)采用NI公司的PXI硬件平臺，結合Lab VIEW軟件開發能夠根據不同工況接收來自程序的信號并將其發送至DCS系統環網中。根據高負荷測試的工況，可以自定義注入信號的輸出值，向安全級DCS相關系統注入信號。

操作人員在人機界面操作測試裝置；測試裝置通過硬接線與DCS系統連接，將信號注入DCS系統機柜。根據測試需要將測試裝置的輸出端接入DCS系統機柜的相應輸入端，按照高負荷工況設定好需要變位的信號，點擊開始按鈕，測試裝置會在一段時間內開始向DCS系統機柜輸入1200個數字量點、200個模擬量點的數據變化，觸發DCS系統機柜相應數據變化，以模擬高負荷工況。此時使用精密示波器對信號傳輸的響應時間進行測試,高負荷測試示意圖如圖2所示。

圖2 高負荷測試示意圖Fig.2 The schematic diagram of Avalanche test

2.2 響應時間測試設計

使用模擬量儀表在L1機柜段注入模擬量信號，并在信號注入的同時構建測試回路(加電阻等方法)，使得輸入信號轉變成電壓信號記錄在高精度示波器上，示波器將這一時刻作為輸入時間起始點T1，信號輸入后，在DCS系統中進行處理和傳輸，最后通過網關等設備傳送到L2層顯示器上，在顯示器一側觀察數值的變化或者報警的產生，用光電倍增管來獲取輸出時刻T2，(光電倍增管的作用是把輸出變化轉變為電壓信號)記錄在同一臺示波器中，輸出時刻T2減去輸入時刻T1，即是所要的響應時間T=T2-T1。如圖3所示。

圖3 響應時間測試原理圖 Fig.3 Schematic drawing of testing response time

3 響應時間測試及結果分析

3.1 測試工況分析

以垂直雪崩工況為例,使用信號發生裝置向DCS系統中發送信號、使DCS系統中各信號點按照雪崩工況的要求進行變位，在此情況下測試系統響應時間。數字量選擇1200個點在0、1之間變化，模擬量選擇200個點在量程為0%和100%范圍內變化，各時間段內模擬量和數字量點的變位情況如圖4所示。

其中橫坐標表示時間(s),縱坐標表示單位時間內變位點的個數(n/s)。

圖4 垂直雪崩工況數據變化趨勢圖 Fig.4 Data-changing Trend in vertical Avalanche

3.2 測試準備

(1) 搭建測試環網：將信號發生裝置連接到環網中。

(2) 確認各機柜環網連接完好，通訊正常，各機柜指示燈處于運行狀態，將機柜報警消除。

(3) 將信號發生裝置的信號輸出端連接至DCS系統的相應端子上。精密示波器從信號發生裝置與反應堆保護系統之間的電阻上取輸入信號，從NC-VDU上使用光電倍增管取輸出信號，測得的時間差即響應時間。

(4) 根據高負荷工況數據變位圖可知高負荷工況時，系統在信號傳輸的15s時，數據變化量最大，故測試時機選擇在15s時進行。

(5) 為保證信號輸入輸出的準確性，專門設計了測試表格，如表3所示。

表3 高負荷響應時間測試表格

3.3 測試執行

(1) 按照上述表格搭建測試回路：

準備好可以加電流信號的模擬量儀表以及測試所需的電阻等工具并搭好測試回路，使用模擬量儀表向端子4KCS156BN-C9,C10輸入電流50mA，確認此時NC-VDU上報警點4RIC203KA狀態為OFF，將輸入電流從50mA下降到40mA，確認此時NC-VDU上報警點4RIC203KA狀態變位ON。

(2) 連接示波器

將輸入輸出信號接入精密示波器，設置好擋位及量程，輸入采集串入電阻兩端的電壓信號變化節點，輸出采集的是通過光電倍增管轉化OFF/ON狀態的電壓信號。

(3) 記錄響應時間

響應時間T等于光電倍增管采集到的輸出變化的時間點T2減去輸入變化時間點T1，對響應時間數據進行記錄，如圖5所示。

圖5 響應時間測試波形圖Fig.5 The waveform figure of testing response time

3.4 測試結果與數據處理

在高負荷工況中,數據變化事件(點)的個數是不斷波動的,所以驗證響應時間的時機至關重要，在相同時間內，數據變化事件(點)越多對響應時間的影響也就越大，所以需要在數據變化事件(點)的峰值位置進行測試。

通過前文響應時間分析，高負荷響應時間是由一系列不可預期的獨立隨機因素疊加所得，故具有很大隨機性與不確定性，因此針對高負荷響應時間連續重復測試100次，得到結果如表4所示。

表4 高負荷工況響應時間測試結果

續表

根據統計學理論[5]，該響應時間數據符合正態分布的規律，對這些數據進行正態分布擬合處理，得到正態分布的特征參數N(μ，σ)=(1.820s, 4.460),數據直方圖和正態分布擬合曲線如圖6所示。

在數據直方圖中，橫坐標代表響應時間的區間段,單位(ms),縱坐標代表在各個區間段內的數據個數(n)，由圖可知數據分布情況，其符合正態分布規律，如表5所示。

圖6 響應時間分布的直方圖和正態擬合曲線Fig.6 Column diagram and normal distribution curve of response time

序號12345678910111213區間/ms13521430150815861664174218201898197620542132221022881430150815861664174218201898197620542132221022882662個數/n11239172521117111

根據正態分布的概率密度標準方程，有：

(1)

式(1)中，μ——正態分布均值;

μ=(X1+X2+…+X100)÷100=1.820s；XMAX=2.662s;

由計算式可得置信度為95%的μ值區間為[1.586,2.288]s, 從而可得DCS系統高負荷測試響應時間在1.586s至2.288s之間的可信度為95%。理論最大值為2.790s，實測最大值為2.662s，二者相互符合較好。

4 結論

對高負荷工況下響應時間指標進行理論分析，得到其理論最大值；設計了一套高負荷測試方案及測試方法，經過實際測試并分析測試結果得到以下結論：

(1)DCS系統高負荷響應時間的抽樣測試結果在指定區間內符合正態分布規律。

(2) 響應時間理論最大值與實測最大值相互符合較好，高負荷工況下系統性能指標能夠滿足設計要求,本測試方案可以應用至工程測試中。

致謝

感謝在論文編寫過程中各位領導和同事給予的大力支持,感謝專家老師提出寶貴的指導意見。

[1] 王少威等. 基于MELTAC-N平臺的核電廠安全級DCS環網研究與測試[J].機電工程,2015,32(1):124

[2] 張冬冬，蒙海軍.紅沿河核電站安全級DCS控制系統設計[J].電力建設,2009, 6: 66-68.

[3] 鄭偉智,李相建等.核電站安全級數字化儀控系統設計標準分析研究[J].核科學,2008.6.

[4] 芶國楷等.核電站安全分級對DCS系統設計影響分析[J].核動力工程，2011,32(5):23-28.

[5] 盛驟，謝式千，潘承毅.概率論與數理統計[M].北京：高等教育出版社,2008.

[6] 汪濟寧等.核電廠反應堆保護系統緊急停堆響應時間測試[J].核動力工程，2012,33(2):6-7.

[7] 鄭偉智，李相建，朱毅明.核電站數字化反應堆保護系統停堆響應時間分析[J]. 自動化博覽，2010, 8:76.

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Analysis and test of Respond time of Nuclear Power Plant Digital Control System to Avalanche

SUN Xue-hui，LIANG Zhong-qi，QIE Yong-xue, LIU Xiang-dong

(China Techenergy Co.,Ltd, Beijing 100094)

The paper gives a brief introduction of the structure of nuclear power plant Digital Control System and theoretical analysis of the response time in avalanche condition. The related test device simulating avalanche condition was designed, the test method was established and the test work is conducted. The test result shows that the experimental data of avalanche response time accords with the theoretic data. The results of sampling test accord with normal distribution and the confidence interval can prove the reliability of the test method. The scheme can be applied to engineering tests and it has certain reference value to the factory test of the other nuclear power plant.

Nuclear power plant；Digital control system；Avalanche；Response time

2016-07-27

孫學慧(1984—)，男，黑龍江人，工程師，現主要從事核電廠DCS保護系統設計與測試方面的工作

TL362+.1

A

0258-0918(2016)06-0843-07