核電廠棒控棒位系統狀態監測診斷研究與實現

段鵬斌，張圣杰，梁 浪，許巖魯，袁艷純

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

在核電廠中，棒控棒位系統（RGL）是最核心的儀控系統之一，其在核電廠的啟動、功率轉換以及停堆過程中，通過驅動電流控制控制棒驅動機構（CRDM）來實現反應堆控制棒的保持、提升以及下插[1]。同時，系統實時監控每束控制棒在反應堆堆芯的絕對位置，從而實現反應堆反應性的控制，確保反應堆一直工作在可控狀態。因此，機組安全、可靠、經濟地運行在很大程度上取決于反應堆棒控棒位系統的性能水平。為確保系統設備各功能的正常工作，目前通常在核電廠的調試和運行維護階段，需要通過查看系統的報警來判斷系統的可用性，同時定期對棒控棒位系統進行性能試驗用以驗證功能的完整性[2]。此方法雖然能驗證系統是否正常工作，但是不能對系統的故障進行預判以及診斷控制。然而，目前國內外在此研究領域還處于起步階段，雖然國內外已有學者對其進行研究，但主要研究方向在于在試驗狀態下驅動電流的診斷[3-6]，而不能對整個棒控棒位系統進行監測診斷，現亟需研發對應狀態監測系統以提高系統的穩定性和故障預判性。

本文結合目前“智能化電廠”發展方向，對核電廠棒控棒位系統的狀態監測進行研究，以棒控棒位系統狀態監測數據為依據，通過數據分析提前發現系統的異常、缺陷，同時結合預防性維修指導手冊，對系統進行維護和保養，提高系統穩定性的同時延長系統壽命。系統同時把核電廠多機組的運行以及狀態監測數據進行存儲以及大數據分析，逐步實現由預防性維修向預知性維修方向轉變，從而實現棒控棒位系統穩定、高效地運轉，提高電站的經濟效益。

1 棒控棒位系統的組成

棒控棒位系統由棒控系統（RCS）和棒位系統（RPI）組成，其中棒控系統主要負責系統邏輯處理及控制棒的驅動；棒位系統主要負責控制棒棒位的測量以及各種失步故障處理[7]。本文以某核電廠的棒控棒位系統為對象，介紹兩個子系統的組成及主要功能，其結構圖如圖1 所示。

1.1 棒控系統（包含CRDM）

棒控系統包含兩個邏輯柜以及16 個電源柜，每個柜子都包含一套可編程邏輯控制器（PLC）系統。其中邏輯柜處理上游指令，生成動棒指令到對應的電源柜，電源柜產生時序電流驅動CRDM 動作，從而實現61 束控制棒的保持、提升和下插運動[8]。

1.2 棒位系統

棒位系統由兩個處理柜和4 個測量柜組成。系統通過測量感應線圈的變化，生成格萊碼信號到棒位PLC 系統，經過變換處理后生成測量棒位，其測量精度為8 步。同時，棒位系統實時監控61 束棒的給定及測量棒位變化，進行控制棒失步等故障的監測和處理。

2 監測診斷方法

為了不影響原系統的控制性能，本監測診斷系統不參與棒控和棒位系統的控制，僅增加部分傳感器和網絡接口，通過高速采集卡和以太網通訊對現場數據以及系統參數等進行讀取、存儲和分析，其組成結構如圖2 所示。

圖2 狀態監測系統的組成框圖Fig.2 Composition block diagram of the state monitoring system

由圖2 可知，監測診斷系統主要采集來自3 部分的數據：核電廠堆芯系統、棒控棒位系統以及新增的霍爾、溫度和振動傳感器。

1）堆芯系統參數：棒控棒位系統的控制對象為核電廠堆芯的溫度和功率，其中堆芯系統通過網絡實時發送堆芯參數到監測診斷系統，用以對棒控棒位系統診斷提供重要的上游參考。

2）棒控棒位系統參數：在棒控棒位系統的運行過程中，包含許多系統的狀態以及故障信息，如操縱員指令、系統各棒位信息、控制棒狀態、故障信息等。其囊括整個系統的運轉邏輯，通過監測其參數，可掌握整個系統的運行狀態，用于后續的分析和處理。

3）新增傳感器參數：為了監測在電流驅動以及棒束運動的特性，通過增加溫度、電流以及振動傳感器采集整個系統的各個信息，用于實時分析和診斷。

2.1 動棒時序電流監測

棒控棒位系統通過產生嚴格的電流時序驅動CRDM 線圈，實現控制棒的鉤爪動作，從而控制控制棒束的提升、下插和保持。驅動電流時序的質量對控制棒的驅動有著關鍵的作用，如實際電流時序偏離設計要求，則有可能產生控制棒的拒動和誤動，更為嚴重的可能產生落棒停堆的后果[9]。因此，能夠實時監測時序電流并給出對應的分析報警，在電廠的安全運營中有著重要的意義[10]。然而，在實際電廠的運營中，運維人員只能通過定期試驗來檢查驅動電流是否滿足系統要求，而無法做到電流的實時監測和分析。

本系統在不影響棒控棒位系統功能的前提下，通過增加電流傳感器的方式，實時高速采樣驅動電流，并進行存儲和分析。當控制棒在保持階段時，如其實際輸入電流偏離穩態值，產生報警；當控制棒在運動時，則通過讀取控制器的動棒信息對實時時序電流進行分析，如電流不滿足設計要求，則給出對應的報警，同時進行系統分析，得出對應的故障點和處理措施給予運維人員參考，從而快速實現故障的定位和排除。同時，工作人員也可調取歷史電流曲線，進行故障回溯等操作。

2.2 振動監測

在動棒過程中，棒控系統產生的時序電流通過線圈驅動控制棒的3 個鉤爪進行動作。然而每束控制棒鉤爪為機械結構，且長期處于高溫高壓的惡劣環境中，在長期的使用中會產生機械疲勞等缺陷，其會導致可靠性降低，對電廠的安全運營造成隱患[11]。然而，在實際的動棒中，棒控系統只生成電流以驅動控制棒，而沒有對應的監測系統，監測控制棒是否按照指令進行動作。因此，本系統對每束控制棒增加振動傳感器，其實時采集、存儲和分析振動信號，實現閉環監測，提升系統的可靠性。

在控制棒保持階段，系統通過時域轉頻率分析模塊，把采集到的振動信號轉換為頻域信號，對每束棒的振動信號進行頻域分析，并與其固有振動信號進行比較分析，如其偏離安全閾值，則給予相應的預警信息，用以提前發現和解決故障。

在控制棒的提升和下插階段，每動作一步，其振動都有其特有的振動曲線，系統通過分析其提棒和插棒的動作特征點進行識別來判斷實際動作是否實際被執行，從而精確地掌控系統的運轉狀態。

2.3 系統預報警及自學習

在監測診斷系統中，預報警是其重要的組成一部分。為了提高預報警的準確性，則要求系統具備模型自學習功能，通過不斷的自我學習用以更新系統模型，才能實現預報警的準確，其故障預警流程如圖3 所示。

圖3 自學習故障預警流程圖Fig.3 Self learning fault warning flowchart

智能預警是基于對故障機理和統計分布的，其中故障機理具有普適性。在棒控棒位系統中，涉及到的設備多，工藝及工況都復雜，其中電源柜數量達到16 個，控制棒棒束達到61 根，其運行參數和報警限值都因本身的差異存在不同。因此，統計分布是對每一具體的設備形成獨有的基準線，即通過系統的自學習功能，針對每一個電源柜、每一根棒束建立一個特有的模型，用于獨有的預報警及故障分析，進而實現每一臺電源柜、每一根棒束有效的預報警及故障分析。

綜上所述，棒控棒位狀態監測系統可實時在線監測棒控棒位系統多項運行狀態，自學習并評估指標的趨勢變化，為機組安全、可靠運行及健康評估，科學維修提供決策支持。

2.4 大數據分析及處理

在所有核電廠的棒控棒位系統中，特別是在同類型機組的情況下，都有著相似的模型參數及故障機理。因此，把所有電站的棒控棒位系統監測數據進行匯總處理，對電站的運行安全以及后續設備改造升級有著重要的意義。

狀態監測系統通過以太網把每個電站的數據統一上傳至數據中心。大數據分析和處理單元讀取每個電站的數據后，通過人工智能進行數據分類和擬合處理，經由大量數據分析比較，智能分析出系統的故障分布、實時狀態及設備健康狀況等，用于電站運維人員以及設備開發人員提供參考，為系統以及電站的穩定運行提供數據支撐。

3 監測系統實現

在某核電廠中，搭建了一套棒控棒位狀態監測診斷系統，其配置參數見表1。

表1 在線監測系統配置清單Table 1 Configuration list of online monitoring system

狀態監測系統結構如圖4 所示。數據處理中心通過高速采集卡電流和振動信號，其中棒控棒位系統的電流通過霍爾傳感器讀取；動棒產生的機械振動信號通過麥克風傳感器讀取。同時，其通過網絡和棒控棒位系統、群廠控制系統實時交互，讀取和記錄系統運行狀態、系統報警及核反應堆狀態等信息。

圖4 狀態監測系統結構圖Fig.4 Structure diagram of state monitoring system

在動棒過程中，其線圈電流波形和振動信號存在相互關聯。以提棒時序為例，其電流波形和振動信號如圖5 所示，其中振動信號為鉤爪動作產生。系統會自動識別動棒過程中各個動作點，并給出具體的動作點數值及建議。

圖5 實際動棒電流及振動波形Fig.5 Actual moving rod current and vibration waveform

監測診斷系統會自動分析電流和振動信號的關系，智能判斷動棒是否正常，如出現動棒不到位、滑步等異常情況，則會在上位機中給出相應報警。

CRDM 系統會隨著使用時間及動作次數的增多其特性也會發生變化，監測系統通過機理及自學習模型，根據當前系統投入時間及動作次數來估算設備壽命，動態調整報警閾值及相關參數，提前給出預警信息。

4 結論

本文對核電廠棒控棒位監測診斷系統進行研究，通過對棒控棒位系統的組成以及主要存在的問題進行分析，并在此基礎上闡述了狀態監測系統的組成、工作原理及分析處理方法。同時，在現場搭建了實際監測診斷系統，實現了系統的實時監控和分析，對電站的運維以及系統的升級開發有著重要的參考意義。