★北京广利核系统工程有限公司张国胜，王庆明

摘要：目前，CPR1000核电站应急柴油发电机仪控系统大多由传统继电器和模拟设备搭建而成。随着继电器老化，系统故障率增高，同型号继电器市场逐渐停产，面临无备件可用的情况。继电器搭建的系统一旦发生故障，事件无法记录且不可追溯，对运行维护造成很大的不便。

1   引言

核电站应急柴油发电机组作为6.6kV应急母线的后备电源，为核电机组实现安全停堆功能所需的中低压核辅助设备供电。

核电站应急柴油发电机控制保护系统目前多采用传统继电器和模拟设备搭建，缺点是系统运行不稳定、故障率较高、维护不方便，已严重影响到柴油机的可用性及核电安全参数指标。本文分析某核电站应急柴油发电机现状，将基于广利核的安全级仪控系统FirmSys平台技术和应用经验，使用先进的数字化系统进行整体替换，以提高系统可靠性，方便运行和维护。

2   现状分析

2.1 典型功能

核电站应急柴油发电机控制保护系统主要实现如下功能：

（1）1E级控制保护功能，包含应急柴油发电机紧急运行模式下的启动、运行、停机和连锁控制；

（2）NC级控制保护功能，包含辅助系统设备控制、定期试验启停、常规跳闸及连锁、报警及事故记录；

（3）转速控制功能，实现速度控制，并在转速超过保护阈值后发出保护命令；

（4）发电机电压励磁调节功能，实现发电机的电压励磁调节；

（5）电气保护功能，实现发电机电气参数测量显示、发电机差动保护与综合故障。

2.2 系统架构

应急柴油发电机控制保护系统框架如图1所示。

图1 系统框架

2.3 实现方式

（1）继电器柜，主要由瞬态继电器、双稳态继电器、时间继电器组成，用于实现NC和1E控制保护逻辑功能；

（2）控制显示盘，主要包含开关、按钮、指示灯、报警光字牌及显示仪表，用于实现参数显示、报警和操作指令功能；

（3）速度调节柜，一部分由引擎控制器和超速保护盒组成，实现速度调节和保护输出功能；一部分为事故记录仪和打印机，实现报警记录和打印功能；

（4）电压励磁调节柜，实现发电机的电压励磁调节；

（5）电气保护柜，实现发电机电气参数测量显示、发电机差动保护与综合故障报警功能。

3   改造原则及约束条件

3.1 改造的原则

因涉及在役机组的改造，改造实施需采用成熟可靠的产品，不能影响机组的正常运行；不能降低原设备的安全性，要提高机组的可靠性和可用性，提供更好的人机操作界面，以方便维护，所以在项目改造中遵循了如下原则：

（1）安全性原则

数字化改造需采用成熟可靠技术，减少整个系统的风险，提高总体安全性。提供完善的权限管理手段，并考虑在极限负荷下的安全性，具备雪崩过滤处理能力，防止由于过多的、不可预知的事件序列发生而记录大量的无用事件，进而可能导致整个系统性能显著下降，严重影响操作员的正常信息获取，干扰正常监控。

（2）故障安全准则

数字化系统中，单一设备的故障均不会导致系统性能缺失。开关量和模拟量输出卡件具有带电复位时输出保持原则。

（3）可靠性和可用性原则

数字化系统在配置时，控制器、通信总线、网络、电源等关键设备均需采用1：1全面冗余技术，保证系统的可靠稳定运行。采用高裕度设计和器件降额使用，提高系统硬件的固有可靠性和可用性。

3.2 改造约束条件

（1）在现有稳定运行的基础上进行系统的改造，原有操作方式不变、原有功能不变；

（2）改造后的现场布局不发生变化；

（3）现场电缆不改变、进线方式不变；

（4）系统采用通用、成熟、经过验证的技术，原

则上不采用单独开发的产品；

（5）根据机柜内部接线，机柜重新布置。

4   改造预期效果

对比继电保护系统和Firmsys数字化系统优缺点，可预期改造后的效果，对比结论如表1所示。

表1 改造预期效果

主要是实现控制柴油机的正常启动、停机、运行联锁及应急启动、停机等功能；监视机组进排气、压缩空气、滑油、燃油、冷却水系统以及发电机热工参数等，并输出报警；同时采集电流、电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率等信号。

5   数字化控制系统功能实现

5.1 系统架构

EDG主控制器采用主备冗余CPU和单I/O结构，主备冗余的控制器之间实现无扰切换，当主处理器故障时可切换到备用处理器进行控制，系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

5.2 控制站功能实现

(1)信号处理与传输

采集来自于传感器的模拟量信号和幵关量，模拟量信号采集后需要经过调理分配板卡将不同类型的信号转换成标准的4~20mA信号(强电信号需先经过变送器转换后进入调理分配板卡)，幵关量信号通过隔离分配模块进行隔离和分配，然后由1/。传递给主处理器，幵关量信号输出，经过处理后直接发出设备驱动指令，进行现场设备的驱动；发出报警信号，进行指示和报警。

(2)数据处理

主处理器模块对来自不同工艺系统的控制信号进行数据处理。如机组控制所需的阈值运算，保护或其他控制功能的2/3逻辑运算，就地/远控、运行/维护、额速/怠速、手动/自动转换的逻辑实现，其他符合逻辑运算，及各智能板卡状态监视、门幵报警监视等。逻辑处理算法根据LD/AD的功能来实现。

(3)性能参数

运行周期可在10~200ms范围内进行设定；模拟量输入采集精度、CPU负荷、1/。裕量、内存裕量可充分满足现场应用。

(4)通信

将需要记录和指示的信号通过通讯方式传给触摸屏。

5.3 故障诊断功能

数字化控制系统的自诊断功能是发现系统故障的一个重要手段，它能保证安全级功能的正常执行。系统提供足够的自诊断功能来快速发现故障，探测到不正常时进行指示报警，同时不正常数据不能参与保护指令的运算。

(1)系统内所有智能板卡或模块都要求具备自诊断功能，模块上提供电源、运行、故障、通信状态以及故障码等报警和显示信号，便于发现和解决问题。

(2)主处理器模块、通信模块、总线模块和I/O模块通过异常处理程序来监视处理器中执行过程的各种异常情况，异常处理程序对非预期的情况做出响应，然后显示故障状态并向外部输出故障信号，最后停止运行。如果异常处理程序失效，就由看门狗触发动作，直接显示故障状态并向外输出故障信号。

(3)所有模块的故障信号除了模块本身的故障状态显示外，还通过总线传至主处理器模块，经主处理器模块判断后送到主控室显示。

5.4 操作、显示功能

操作显示功能由广利核自主研发的产品实现，产品的显示屏为19寸触摸屏，触摸屏可实现报警显示、日志、历史趋势、操作功能等，镶嵌在安全级的柜门上。考虑到紧急操作要求，部分操作使用硬幵关操作；事件记录功能主要是对模拟量参数和重要幵关量信号进行显示和记录，此功能由19寸触摸屏实现，且可接收全厂时钟系统授时。如图3所示。

图3趋势画面示例

5.5 系统运行维护

数字化控制系统可通过报警指示灯实现故障的定位和排除，安全系统支持在线设备维护与更换，当故障发生时，维护工作应该按照运行维护手册程序进行设备的更换。

6   结论

本工作完成了应急柴油发电机控制系统的现状分析，制定了基于北京广利核系统工程有限公司Firmsys平台产品数字化控制系统的实现方案，此方案已在大亚湾新增柴油机和惠州柴油机项目实际供货应用，可以解决目前应急柴油发电机控制系统设备故障率高，事件不能记录、不可追溯，运行维护不便等问题，从而提高应急柴油发电机控制系统的可用性、可靠性，保障核电站安全稳定的运行。

作者简介：

张国胜(1983-)，男，山东济南人，工程师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电站安全级DCS改造等工作。

王庆明(1982-)，男，山东德州人，工程师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电站安全级DCS改造等工作。

参考文献：

[1]王常力，罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社,2004.

[2]广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备[M].北京:原子能出版社,2004.

摘自《自动化博览》2022年第三期