一種核電站安全級DCS 網絡故障分析及處理方法

陳迪新，潘 宇，楊 超

（中廣核工程有限公司調試中心，廣東深圳 518124）

0 引言

某核電廠1 號機組熱態功能試驗（以下簡稱“熱試”）期間執行第3 保護組不間斷電源系統（LNC）失電試驗，以驗證機組LNC失電后仍能維持熱停堆工況至少30 min。LNC 失電后發現第2、第3、第4 保護組（RPC II、III、IV）的相關信號顯示故障，機組重要參數在主控室屏幕上失去監視。操作員切換至BUP（Back-Up Plate，后備手操盤）以監視一、二回路的狀態。經現場初步判斷，該故障是由安全級DCS（KCS）網絡通信引起的，為確保熱試正常開展和機組安全穩定運行，須及時查找出故障原因，并予以解決。

1 安全級DCS 網絡通信原理

基于MELTAC 平臺的KCS（Keyboard Controller Style）網絡由安全級總線A 列、安全級總線B 列、安全級系統總線和人機總線構成。為實現快速穩定的通信，該網絡采用W-net 雙環網拓撲結構[1]，通過網關接收（L1a）和網關發送（L1b）與非安全級DCS（KCP）進行單向通信。

其中，W-net 使用光纖作為傳輸介質，各個網絡節點上的OSU（Optical Transport Unit，光切換單元）實現其對應網卡（Wnet I/F Card）與通信網絡的聯通[1]。當某一網絡節點發生嚴重故障（如掉電）或W-net I/F Card 被拔出時，該節點通過OSU 實現自動旁路，以確保環網通信的連續性。

DCS 安全級（1E）側至非安全級（NC）側的信號傳輸及CPU故障判斷原理：現場傳感器信號和參數經KCS（包括KCS 機柜自身狀態參數）采集后，通過L1b 網關傳輸至NC 側KIC（電站計算機和控制系統）。L1b 網關所處環網是安全級系統總線，如果某個KCS 機柜無法通過安全級系統總線與L1b 網關進行通信，L1b 網關將判斷該機柜CPU 故障，并將信息傳輸至KIC 用于顯示和報警。

2 故障分析

正常運行狀態下，RPC III 機柜由LNC（實驗室網絡控制器）供電，當LNC 失電后RPC III 機柜也將掉電。由于OSU 自動旁通功能，即使機柜掉電也不會影響其所在安全級系統總線上的其他設備間的通信。

本實例中LNC 失電后，除了RPC III 機柜以外，安全級系統總線上其他設備都在KIC 上出現了故障報警，包括RPC IIIIV、反應堆功率控制柜（RPCC）、通信柜（COM）、事故后檢測系統（PAMS）、L1a 網關等。

2.1 設備狀態排查

（1）就地檢查安全級系統總線上除RPC III 外的其他設備的供電和運行狀態，確認正常。

（2）由于KCS 采集的信號和機柜狀態均由L1b 網關傳輸至KIC，需現場確認L1b 網關未掉電，并通過調取網關日志排除了其自身故障的原因。

（3）通過工程師站軟件檢查KCS 硬接線發送至NC DCS 的信號參數正常，排除了其他設備硬件故障的原因。

2.2 故障定位及驗證

根據對安全級系統總線網絡拓撲的分析，結合上述硬件故障排查，該故障現象與通信故障癥狀一致，最終故障原因推斷安全級系統總線環網功能失卻，導致環網中部分節點的通信中斷。安全級系統環網分成兩個區域：①通信正常區，物理連接距離L1b 網關較近，不通過RPC III 與L1b 網關通信的區域；②通信中斷區，通過RPC III 與L1b 網關通信的區域（圖1）。

圖1 安全級總線網絡拓撲圖

為驗證故障定位的準確性，選取A、B 列CPU 分別在上述不同區域（通信正常區和通信中斷區）的機柜進行切換，并觀察CPU 在KIC 上的狀態變化進行判斷。考慮機組處于熱停堆狀態，可選取RPCC 進行CPU 切換驗證。由于RPCC 的A、B 列CPU采用主從冗余配置，A、B 列CPU 的切換不會引起數據變化，最大限度避免對機組運行的影響。具體操作方法如下：①確認RPCC機柜A 列CPU 為運行狀態，B 列CPU 為備用狀態；②在LNC 失電情況下，執行CPU 切換操作；③切換成功后，B 列CPU 和KIC均顯示為主CPU，運行正常，RPCC 采集相關數據在KIC 上顯示正常，A 列CPU 就地顯示運行正常，但KIC 顯示故障。上述實際情況與故障推斷結論一致。

2.3 旁通功能失效原因分析

自動旁通功能失效一般從兩個方面考慮——OSU 異常或光纖異常。其中，OSU 旁通功能異常一般與其光路上填充的油未充盈有關，如內部含有氣泡，只要OSU 的光路信號衰減不超過1.8 dB 的標準，其旁通功能仍可正常實現[2]。本例中，經測量OSU的光路信號衰減均小于0.5 dB；光纖信道衰減高亦可導致旁通功能失效，當光經過OSU 連續鏡面反射傳輸功率有所損耗，同時疊加光纖信道衰減過高，導致光信號到達W-net I/F Card 時，強度低于接收器件靈敏度。

進一步調查后發現，對光纖備用線芯進行普查，現場實際測試單模光纖為164 芯，其中126 芯光纖衰減超標，不合格率達到72.8%。通過追溯分析，發現現場光纖安裝及測試過程存在以下4 個問題：

（1）原光纖測試報告中，工作波長為850 nm 的光纖，驗收標準為不大于0.9 dB；工作波長為1310 nm 的光纖，驗收標準為不大于1.34 dB，驗收標準偏大。

（2）熔接工藝的光纖在盤線盒中的靜態曲率半徑過小[3]，衰減增加，特別是熔接點和接頭處衰減較為明顯，并可能對光纖造成物理損傷，產生斷點和漏光，導致恢復光纖彎曲半徑至正常范圍和外力取消后，衰減無法復原（圖2）。

圖2 假定接頭內斷點位置

（3）光纖研磨過程中，加熱溫度不夠導致膠水固化程度不足，透明度和折射率不滿足要求，從而使衰減增大；

（4）原流程在尾纖盤線前測試記錄光纖衰減數據，未考慮盤線可能影響熔接類光纖衰減值因素，導致完工報告中的部分數據與最終現場狀態不符。

3 解決措施

3.1 修正衰減限值驗收標準

根據設計技術規范要求，光纖信道指標要求與光纖材料、連接工藝、接頭數量、長度等存在對應關系：

式中 βmax——光纖鏈路衰減限值，dB

αf——光纖衰減常數，dB/km

L——光纖長度，km

αj——熔接點損耗系數，dB

N——熔接點數量，個

αc——轉接頭損耗系數，dB

C——轉接頭（測試適配器）數量，個

根據上述的光纖衰減計算方法，綜合考慮安全級系統總線/安全總線/人機總線/維護網絡/數據鏈路使用不同類型的光纖和接頭，采用單跳線和雙跳線測試校準連接方式[2]。對比原測試報告中的衰減限值驗收標準，經重新計算修正后的結果如表1 所示。

表1 光纖信道衰減計算參數

3.2 優化光纖尾纖布線方案

為保護尾纖和熔接點，安全級DCS 機柜背面設置了盤線盒，用于預留長度尾纖的固定，根據電纜描述文件要求，現場光纖盤線曲率半徑標準不小于30 mm，制定新的盤線盒內布線方案（圖3）：①每個光纖盤線盒內光纖不超過6 芯；②每芯光纖在盒內繞2 圈；③光纖剝線后，白色線芯應全部盤整在光纖盒內，黑色尾纖每芯僅盤整1 圈；④盤線盒外的光纖，根據光纖自然彎曲方向，2 根為1 組盤成小圈（半徑不小于30 mm）并固定。

圖3 盤線盒內新布線方案

3.3 固化接頭研磨工藝

光纖研磨是指將光纖連接器和光纖進行接續，然后磨光的過程，包括壓接、注膠、熱固化和研磨等步驟。現場膠水固化時研磨機溫度顯示為115 ℃，但實際存在可能未達到該溫度的情況。如果溫度未達標且加熱時間不足，可能導致膠水固化不足，使光纖信道衰減變大。二者關系如表2 所示。

表2 膠水固化時間與溫度的理論關系

由于膠水固化溫度無法直接測量，現場通過顯微鏡觀察和測試比較，最終確定研磨光纖的膠水固化工藝標準為：①加熱溫度120 ℃，固化時間6 min；②膠水固化后顏色由淡黃變為茶色。

3.4 改進光纖信道和鏈路測試流程

原光纖測試流程的數據記錄在盤線前進行，未考慮盤線安裝對光纖衰減影響，根據前文分析，盤線曲率半徑會直接導致光纖衰減增大。為避免此類因素影響，參照標準光纖信道和鏈路測試方法[2]，修正后的光纖衰減率測試流程增加盤線安裝后測量步驟，并將數據記錄放在最后，以確保數據記錄準確性（圖4）。

圖4 光纖信道和鏈路測試流程

本實例中按上述4 項措施對126根問題光纖進行處理后，安全級DCS 運行穩定，通信故障得以解決，220 V 不間斷電源失電試驗一次合格，保證該核電廠1 號機組順利實現熱試。

4 結束語

目前國內核電廠大型DCS 網絡大多數情況下采用光纖搭建，光纖信道衰減高對DCS 通信的影響具有隱蔽性強、危害性高的特點，且故障現象不易診斷，常與通信元器件故障、軟件故障等混淆，由此引起的旁通功能失效只在某種特定工況下才能出現。本文對此類現象列舉出故障分析、定位方法，并針對光纖信道衰減高提出了一套解決方案，目前本方案應用于國內多個核電廠DCS 網絡安裝和調試中，結合實際應用效果，可有效解決光纖信道衰減問題，降低DCS 網絡通信故障率。但是更廣范圍內的適用性，仍需進一步的驗證。