★ 北京广利核系统工程有限公司 肖明，王志嘉，李振林

关键词： 安全级DCS；用电负荷评估；需要系数法；FirmSys平台；优化设计

1   引言

核电站通常采用数字化控制系统（DCS）实现机组的正常运行控制和事故工况下的安全保护功能。为了保障DCS设备的正常稳定运行，核电站工程设计过程中，需要基于DCS的用电负荷设计服务于DCS设备的电气系统和暖通系统。

DCS用电负荷的评估需要结合种类繁多、数量庞大的DCS设备运行特性进行分析，在设计初期阶段，由于系统规模及详细硬件配置未最终确定、负载设备的动态特性未知，因此基于DCS设备实际运行功耗进行评估通常存在困难。为了降低评估的复杂度，工程实践中通常采用较为保守的用电负荷评估方法，即以DCS所有设备满载运行为评估基准，采用功耗叠加计算完成负荷评估。该方法可满足DCS正常用电需求和散热需求，但评估值与实际运行值偏差较大，导致上游电气系统、暖通系统设计容量偏大，不仅造成设备带载率偏低、项目成本增加的问题，还会降低电气系统保护灵敏性，当DCS用电端发生过载或者短路时，其上游断路器可能无法及时、准确地动作，对DCS系统甚至核电站的安全稳定运行构成潜在威胁。

为解决DCS用电负荷评估值与实际运行值偏差过大的问题，本文以基于FirmSys平台的核电站安全级DCS为研究对象，通过分析各类DCS设备的实际运行功耗特性与负载率规律，提出一种基于需要系数法（用电设备功率乘以需要系数和同时系数）的DCS用电负荷精细化评估和计算方法， 并通过工程实地调研与实测数据予以验证。

2   系统构成及用电负荷特性分析概述

2.1   安全级DCS构成

基于纵深防御设计原则，核电DCS通常由执行不同防御层次功能的DCS组成。以某华龙一号核电站为例， DCS包括执行正常运行控制功能的非安全级DCS、执行反应堆保护功能的安全级DCS、执行多样性保护功能的多样性保护系统以及执行缓解严重事故后果功能的严重事故系统。不同防御层次功能的DCS系统架构不同，但是控制原理类似。以安全级DCS为例，仪控系统可以分为三个层级，即Level 0（现场层）、Level 1（控制层）和Level 2（监控层），各级主要配置如下：

图1 安全级DCS层级

（1）现场层（Level 0）：由与DCS交互的现场传感器、变送器、电磁阀、执行机构等组成，是DCS系统信号采集与设备控制的基础，部分设备需由DCS系统提供工作电源；

（2）控制层（Level 1）：为DCS系统核心控制单元，由电源柜、调理柜、I/O柜、设备接口柜、功能柜等功能机柜组成，分别实现电源分配、信号调理隔离、 I/O信号处理、控制指令优先级管理、逻辑运算与控制信号生成等功能，控制层的各类设备占据DCS大部分用电负荷；

（3）监控层（Level 2）：为人机交互与系统管理界面，包含安全控制显示单元、维护工程师站、网关单元， 实现运行状态监控、安全操作执行、系统维护诊断及与非安全级DCS等其他系统的网络通信。

基于上述架构，采用国产核级DCS平台FirmSys的华龙一号堆型安全级DCS系统，单机组配置机柜156台，各类用电硬件设备约15000个，按功能与用电特性可划分为5类：主控类设备（主处理板卡、网络通信板卡等）、I/O类设备（信号调理板卡、各类AI/AO/DI/ DO板卡等）、光电转换类设备（光/电信号转换板卡/模块）、安全控制显示单元（含主机、触摸显示屏）、辅助设备（开关电源、机柜风扇、交换机等）。

2.2   安全级DCS用电负荷特性分析

在核电厂日常运行中，安全级DCS的总体功耗保持相对稳定，不会像电机、加热器等辅机类设备那样随着启停或出力变化而产生剧烈波动，但会随着电厂工况调整、设备切换及参数调节等操作产生变化。此外，不同设备电气特性各异，部分设备满载功耗与空载功耗之间也存在较大差距。

基于安全级DCS运行特点，对不同DCS设备的用电负荷特性分析如下：

（1）主控类设备：主控类设备的功耗主要源自于CPU、内存等核心元器件，在稳态运行时其功耗相对稳定，当工艺系统发生瞬态工况时需执行大量逻辑运算或复杂算法， CPU占用率会有一定升高。但是在实际工程设计中通常为CPU负荷率预留约30%的裕量，确保任何工况下CPU负荷率不超过70%。此外，基于FirmSys平台的DCS主要采用并行冗余与热备冗余两种运行模式。在并行冗余机制下，主控单元始终保持异步运行。而在热备机制下，备用系实际上也同步执行逻辑运算，其工作负荷与主系的差异在3%以内，该微小差异在系统整体用电负荷评估时可忽略不计。综上分析，主控类设备的实际用电负荷率总体上处于比较平稳的状态。

（2）I/O类设备：I/O模块的功耗水平直接取决于现场工艺过程的实时状态，功耗水平与工艺过程中信号的“同时率”（同时动作的通道比例）及“带载率” （通道输出电流/负载大小）密切相关。基于核安全所要求的纵深防御、独立性等原则，核电厂安全级DCS通常分为实现不同功能的子系统，例如基于FirmSys平台的安全级DCS通常分为保护系统、专设安全设施驱动系统等子系统，系统一旦上电后持续运行，但是I/O类设备对应的Level 0层设备并不会持续处于高负荷状态。电厂正常运行时，工艺参数和设备状态基本稳定，而机组启停或事故工况下，就地设备动作频率或参数会发生显著变化。以停堆工况为例，当停堆条件满足时，安全级DCS的反应堆保护系统将触发自动停堆信号。停堆后若事故继续发展，专设安全设施驱动系统将按序启动安注、安全壳隔离等功能。这些动作过程高度依赖I/O设备的响应，其功耗也随之波动。因此，对I/O类设备的功耗评估不宜简单按最大功耗累加，而应结合实际工况动态考量。

（3）光电转换类设备：其核心用电器件在通电后即进入基本稳定运行状态，功耗与数据传输量的关联度较低，功耗主要取决于硬件固有配置（如端口数量、传输速率），与实时数据流量无关联。

（4）安全控制显示单元：核心电路在工作期间始终处于稳定运行状态，其主要功耗部件是显示屏，无论数据传输负载高低，其电负荷均相对恒定。

（5）用于支持DCS正常运行的开关电源、风扇、交换机等辅助类设备数量较多，且单机功耗通常高于一般板卡/模块，因此总体能耗贡献显著，需在系统设计中予以充分考虑。

综上所述，安全级DCS用电负荷特性可概括为： “整体负荷稳定，局部动态叠加”。即系统功耗在以主控、通信及显示类设备构成的稳定基底上，叠加由I/O设备响应工艺变化所引起的动态波动，同时辅助设备的持续能耗构成系统中不可忽视的组成部分。在进行DCS用电负荷评估时，需要结合以上设备用电负荷特性，充分考虑DCS设备实际运行中的负荷情况，合理评估其功耗范围。

3   用电负荷需求评估

3.1   需求评估的思路

3.1.1   标准分析

经文献调研，目前DCS用电负荷计算方法研究较少，可参考资料有限。现有研究多集中于电力系统中压配电网规划领域，所涉及的用电负荷的评估方法主要有：需要系数法、单位指标法和利用系数法[2]。需要系数法是其中最主要、最实用的计算方法。相对其他方法，需要系数法充分考虑了设备的具体构成以及同时使用情况，更加适用于DCS的初期功耗评估设计。用电负荷评估原则对比如表1所示。

表1 用电负荷评估原则对比

除 此 以 外，《 民 用 建 筑 电 气 设 计 标 准 》 （GB 51348-2019）第3.5节也明确规定“在初步设计及施工图设计阶段，宜采用需要系数法”[3] ，进一步确立了该方法在工程设计中的适用性。

3.1.2   行业现状分析

为确保高可靠性，在核电领域的设计普遍遵循保守原则。核电安全级DCS设计亦是如此，对用电负荷的评估往往会偏保守（即取值相对实际需求要大），确保即使出现某些极端工况，所属系统或设备的电源容量依然充足。此外，尽管部分标准对核电仪表与控制系统的供电冗余和独立性提出了明确要求[4,5] ，但尚未对DCS用电负荷的具体计算方法做出详细规定。

通过对核电行业其他单位进行调研发现：目前对于用电负荷的评估普遍倾向于采用基于最大功耗叠加的保守计算方法，而非需要系数法，其主要原因如下：

（1）设计准则的保守导向：核电安全级DCS的设计遵循极高的可靠性标准，为确保在可预见工况下供电容量均绝对充裕， DCS在设计阶段就通常被设计为在任何可预见的工况下都需要100%满足负荷需求。因此，在实际提资中对于功耗计算往往采用保守策略，将不同设备的最大功耗进行叠加，确保DCS的供电不会因为电厂的极端工况受到影响；

（2）设计验证的确定性：采用基于最大功耗的叠加方法，得出的负荷需求是一个明确的固定值，而非一个依赖工况分析的概率性范围。这种确定性结果简化了供电系统的设计选型、安全评审与认证流程，为电厂在整个生命周期内应对各种极端工况提供了清晰且无需置疑的供电容量边界；

（3）规避工况分析的复杂性：核电厂工况复杂，精确评估DCS系统内各类设备（尤其是I/O模块）在特定瞬态下的“同时率”与“带载率”存在较大难度。采用保守的叠加法，实质上规避了对复杂运行场景进行精细化建模的需求，从方法上消除了因参数设定偏差可能带来的供电容量不足风险。

综上，目前国内核电DCS在用电负荷计算方面仍偏于保守，方法缺乏系统性支撑。本研究基于“需要系数法”，结合DCS实际运行特征与设备负载特性，开展供电需求的理论分析，并通过实地调研进行论证。旨在探索更为精准的DCS用电负荷计算方法，并推动建立合理、实用的用电负荷评估体系，为系统设计与电源配置提供可靠依据。

3.2   算法选择与改进

DCS供电负荷评估面临的核心问题在于：通常采用设备额定功耗简单叠加的方式进行估算，而未充分考虑现场工况动态变化、设备实际运行特性等因素对功耗的影响。因此，构建能够系统纳入相关影响因素的负荷评估方法是提升DCS供电设计准确性的关键。下文将围绕该问题展开深入分析。

3.2.1   计算原则

在系统用电负荷需求的评估中，通常需同时考虑有功功率与无功功率，二者共同构成系统的总视在功率需求。然而，对于基于FirmSys平台的DCS而言， 其核心负载主要由高功率因数的阻性和容性元件构成。尽管系统中存在如开关电源、继电器等感性设备，但由于此类设备具有功率因数较高（开关电源典型值为0.82～0.94）单设备功耗极低（如单个继电器功耗约为0.2瓦） 的特点， 其所产生的感性无功分量数值较小。综合评估表明， 系统整体功率因数接近于1， 无功功率对视在功率的影响可忽略。因此，在本文的负荷计算中，将不再单独分析无功功率部分，而主要围绕有功功率的计算方法展开讨论[6]。

3.2.2   计算方法

3.2.2.1   识别供电范围并进行分类

为确保DCS供电系统设计的准确性与可靠性，首要工作是全面识别供电范围并科学分类。该过程需要对DCS设备清单进行全面梳理，明确型号、空载功率、满载功率与数量。在此基础上基于不同设备的用电负荷特性对设备进行分类。结合前文分析，设备通常被划分为三类：

第一类是恒定负荷设备，主要包括主控单元、通信单元（光电转换器、交换机）、安全控制显示单元等，相关设备功耗取决于硬件固有参数，运行中极为稳定，可视为恒定功率负载。在计算时，可直接将其额定功耗作为计算负荷。

第二类是动态负荷设备，主要包括（AI/AO/DI/ DO、调理等I/O类设备），其功耗与现场工艺过程的“同时率”和“带载率”强相关，是系统中主要的波动源，也是功耗评估的重点与难点，适宜结合需要系数进行评估。

第三类是支持性负荷设备，如机柜风扇和开关电源，它们数量多且持续运行，总能耗显著，是设计中必须充分考虑的固定负载。

除此以外，评估时应充分考虑设计裕量、未来扩容及改造需求， 一并核算硬件功耗。

3.2.2.2   确定同时系数

结合前文分析，非I/O类设备（如主控单元、通信及显示单元）是DCS持续运行的基础，其功耗由硬件固有特性决定，与实时数据处理量关联度低，状态稳定。它们作为系统必须全程运行的“固定负载”，不存在部分运行、部分待命的情况。因此，在负荷评估中无需引入针对动态工况的“同时率”，直接采用额定功耗叠加即可准确反映其真实需求[7]。

对于I/O类设备，其基础功耗（即设备自身工作所需功耗）较低，但受现场运行工况及外部回路影响显著，例如为变送器供电或驱动执行机构所产生的功耗，会随信号状态（如AI/AO的电流大小、DO点的通断）发生剧烈波动。以FirmSys平台的某型调理板卡为例，其空载功耗为1.2瓦，满载功耗为3.98瓦，带载功耗达2.78瓦。然而，实际运行中持续满载的工况较为罕见，因此， I/O类设备的功耗评估需引入同时系数进行修正。

在实际核电厂运行中，工况持续变化，涉及数以万计的I/O信号，难以对每个I/O设备的实时负载情况进行详尽统计，也不具备可操作性。但是，通过对电厂实际运行工况、设备负载特性、设计要求以及实地调研数据进行分析，可确定I/O同时系数的合理经验值。

（1）工艺过程分析：研究发现，在稳定工况下，大部分控制回路处于微调状态。例如， 一个调节阀为了维持液位或压力，只会进行小幅调整，不会在全开/全关间频繁切换。这意味着大部分执行机构不会同时动作，更不会同时达到最大功耗。即便是在机组启停或者极端工况下，不同的设备也是按时间顺序启停或动作的，它们的动作在时间上是错开的，不会产生功率叠加的峰值。

（2）负载特性分析： DCS系统存在部分感性负载，尤其是电磁阀和继电器，动作瞬间启动电流可达稳态电流数倍。但是，此类设备的动作时间非常短暂（几十到几百毫秒）。而且，设备对应不同信号，全部同时得电的工况几乎不会出现。

（3）实际项目验证：针对某项目运行期间的实地调研发现， I/O机柜的电源负荷在理论计算值（额定功耗叠加）的29%～48%之间。

（4）极端工况风险应对：DCS的电源模块通常采用1+1冗余配置[8] ，这意味着即使一个电源模块失效，剩下的模块仍然能够承担全部负载。在正常运行时，每个电源模块的负载率通常设计在60%以下，如果采用双电源冗余配置，其实际负载率还要更低，理论计算值为30%左右。因此，即使瞬时负载超过了预估值，但只要不超过单个电源模块的容量，系统仍然是安全的。

综上分析，对于I/O设备，虽然难以明确判断何种工况将导致整体I/O同时率达到峰值，同时系数取值0.5～0.6，既能确保供电可靠，又保留足够安全裕量，具有较高的可行性。

3.2.2.3   确定功耗需要系数

结合前文分析，对于非I/O类设备（如网络通信板卡），其空载（待机或低负载）与满载（满负荷运行）状态下的功耗差异通常较小，波动范围一般介于额定功率的72%至100%之间，不会出现数量级变化。因此，此类设备可直接按额定功耗进行评估，其需要系数可取1。

对于I/O类设备，其需要系数主要取决于其带载功耗与满载功耗之比，因此其需要系数计算原则为：

式中：

K──需要系数；

P_min──设备空载功耗；

P_max──设备满载功耗；

K_t──同时系数。

3.2.2.4   负荷计算公式

DCS系统用电负荷计算的核心思想是：设备并非同时以满功率运行。因此，系统的最大预期计算负荷必然小于所有设备额定容量总和，其计算公式为：计算负荷=设备负荷×需要系数

式中：

P_c──系统有功功率之和，单位为瓦；

Ki──系统不同型号设备的需要系数；

Pi──系统不同型号设备的满载功耗，单位为瓦；

αi──系统不同型号设备的使用总数（含预留扩展数量）。

3.3   实际项目调研分析

为充分验证上述计算方法的可行性，选取某个应用FirmSys平台的核电项目为研究对象开展实地调研验证。该项目正处于运行前调试阶段，涉及各个生产环节以及大量生产设备投用， DCS系统全程在线，承担着对整个生产过程的监控和保护任务，其运行状态接近实际运行工况，具备验证代表性。

3.3.1   验证方法

对项目中的7台典型机柜（覆盖控制柜、I/O柜、调理柜等核心机柜类型）的用电负荷进行了实地测量，同时分别采用传统叠加法与改进型需要系数法对7台机柜的用电负荷进行理论计算，对比分析三类数值的差异，以验证改进型需要系数法的计算精度以及包络性。

3.3.2   验证结果与分析

7台典型机柜的负荷计算值与现场实测值的对比结果如表2所示。

表2 典型机柜用电负荷计算值与现场实测值对比

对表2分析可得出以下结论经济性：基于改进型需要系数法的总负荷为2289.54W， 较传统叠加法的3310W缩减1020.46W，平均缩减比例达30.83%，可有效降低供电系统（UPS、断路器等）与暖通系统的设计容量，减少项目初期投资与长期运行成本；准确性与包络性：需要系数法的计算值均大于现场实测值，现场实测值总和与需要系数法计算值总和的比值为77.24%，平均偏差控制在22.76%，计算结果可精准反映DCS系统实际用电需求，且具备足够的安全裕量，能确保系统在正常及极端工况下的安全稳定运行；

工程适用性：需要系数法的计算结果既规避了传统叠加法的过度保守问题，又未因精细化计算降低系统安全冗余，兼顾了核电工程的安全性与经济性。相关方法已在各项目全面推广应用，实践情况已证明基于该方法的用电负荷评估结果契合工程需求，具备实际工程推广价值。

4   结论

本研究针对核电安全级DCS系统用电负荷计算保守、裕量过大的行业痛点，提出基于改进型需要系数法的精细化计算方案。通过深入分析DCS系统结构组成、设备用电特性及运行工况影响，建立了涵盖设备分类、功耗评估、需要系数确定的完整计算方案，突破了传统叠加法的局限。

实际项目验证表明，该优化计算方法能够较为精准反映DCS系统实际用电需求，计算结果与现场实测值偏差控制在合理范围，既保障了系统运行安全性，又有效缩减了用电负荷需求。采用该方法可显著降低供电设备与暖通系统的过度配置，减少项目初期投资与长期运行成本，同时提升电气系统保护灵敏性，为核电厂安全经济运行提供技术支撑。后续研究可基于更多核电项目的长期运行实测数据，进一步优化I/O类设备在不同工况下的同时系数与需要系数取值，从而提升当前方法的计算精度。

作者简介：

肖   明（1982-） ，男，湖南人，工程师，本科，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电安全级DCS系统工程设计工作。

参考文献：

[1] GB 50174-2017 数据中心设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2018.

[2] 吴晓斌, 孙美君, 卞铠生. 工业与民用供配电设计手册[M]. 4版. 北京: 中国电力出版社, 2016.

[3] GB 51348-2019 民用建筑电气设计标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2019.

[4] IEEE. IEEE Standard Criteria for Class 1E Power Systems for Nuclear Power Generating Stations: IEEE Std 308TM[S]. New York: IEEE,2020.

[5] GB/T 12788-2021 核电厂安全级电力系统准则[S]. 北京: 中国计划出版社, 2021.

[6] 谭玲玲, 于玉铭, 李可军. 涉外工程中厂用电负荷统计计算方法的探讨[J]. 工程建设, 2012, 44 (1) : 43 - 47.

[7] 缪波波, 万谦. 中小型化工厂用电负荷及配电设计[J]. 化工设计, 2012, 12 (1) : 31 - 33.

[8] GB 50052-2009 供配电系统设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2010.

摘自《自动化博览》2026年8月刊