★北京广利核系统工程有限公司马崔烨暄

某高温气冷堆由于实际供货的核测量装置的信号输出范围比技术规格书中规定的量程范围宽，存在当反应堆初装堆或零功率状态时，模拟量信号低阈值，保护系统判断信号为坏质量位，进而误触发紧急停堆信号的情况。针对该问题，本文提出了一种通过开发算法块的方式修改保护系统判断逻辑的方案，实现了闭锁信号低阈值产生的坏质量位、重新生成新的质量位，满足了修改信号质量位阈值的需求，给在运机组的升级改造和工程机组的设计优化提供了参考。

关键词：高温气冷堆；反应堆保护系统；质量位；算法块；安全级

高温气冷堆是一种先进的第四代核电技术，具有安全性好、发电效率高、冷却剂氦气性能稳定、小容量模块化建造等特点，在经济效益、可持续发展上具有一定的竞争性。我国已基本掌握了高温气冷堆设计和建造的关键技术，正在稳步推进先进堆型的应用和发展^[1]。

某高温气冷堆核电厂的反应堆核测量系统由一家美国公司供货，其中的核测量系统设备技术规格书中对核功率信号的输出范围定义为4～20mA，但是在某些特定情况下输出的核功率信号会出现低于3.8mA的情况。

在详细设计反应堆保护系统时，提出了对模拟量信号是否处于有效量程范围内（3.8mA～21mA）的判断方案，超出有效量程范围判断模拟量信号无效并置Bad质量位^[2]。而实际上核测量系统在启停堆期间会输出低于3.8mA的核功率信号，此时信号超出有效量程范围，被置Bad质量位。在不考虑通道旁通的情况下，对于“1/2”逻辑，反应堆保护系统只要有一个通道数据质量位为Bad就会触发停堆。为从根本上解决该问题，需要合理下调反应堆保护系统中核功率信号质量位的低阈值，使其在低于3.8mA情况下仍在有效量程范围内，从而避免停堆信号误动。

1　问题分析

以本文改造为例，首先介绍量程的相关概念。

图1信号超电量程判断及信号质量状态处理示意图

如图1所示，量程范围由大到小，依次是可采集量程0mA～25mA、超电量程3.8mA～21mA、电量程4mA～20mA。其中可采集量程表示AI板卡采集信号的最大范围，而超电量程的上下限作为信号质量位的高低阈值。本文所述的电量程代表在算法组态逻辑处理中信号数值位的最大变化区间。在电量程上下限到超电量程上下限之间，算法组态中核功率信号质量位为Good，数值位不变。高温气冷堆的保护系统相较于其他电厂较为简单，不涉及死区概念，因此在超电量程3.8mA～21mA内，都是信号有效区域，除此之外的可采集范围内的其他区域信号无效。

反应堆保护系统AI板卡中质量位的处理结果如表1所示，在板卡中质量位的数据类型定义为char型，以十六进制的形式表示。总体上质量位为零代表正常，质量位非零代表异常。表1中仅展现部分主要的质量位非零的故障情况。

表1AI板卡中部分质量位所代表的信息

在无其他故障的情况下，当采集到的核功率信号低于3.8mA时，板卡输出信号质量位为0x04（通道下限超电量程）；当采集的信号处于3.8mA～21mA时，板卡输出信号质量位为0x00（通道正常）；当采集的信号高于21mA时，板卡输出信号质量位为0x03（通道上限超电量程）。

在供货设备信号输出范围宽的背景下，核测量系统模拟核功率信号送往反应堆保护系统进行测试，在试验过程中均未发生异常。而试验结束后取消模拟功率信号时，发现反应堆保护系统核功率信号显示值为N/A，触发停堆逻辑。经现场核实，确认核测量系统在未激发或启停堆期间中子注量率很低的情况下输出信号低于3.8mA。此时信号超出有效量程范围，被保护系统判断无效并置Bad质量位，从而在“1/2”的逻辑下触发停堆。

按照核测量系统设备技术规格书中的定义功率信号的范围应不小于4mA，可实际供货设备会在上述工况下输出3.8mA以下的电流值。因此核电厂将核测量系统的相关板卡返回美国厂家进行改造，遗憾的是改造后核测量系统设备输出的信号仍低于4mA。之后核电厂在厂家的指导下调节核功率系数旋钮使其在零功率状况下输出电流达到了4mA以上。但这种调节核功率系数旋钮的方式只能用于临时控制措施，不能在工程中长期使用。

为了从根本上解决停堆信号误动，高温气冷堆核电厂将问题的解决方向转至反应堆保护系统。停堆信号误触发是由于本应有效的信号电流值超出了有效量程范围的下限，因此只要合理下调质量位的低阈值，就可以避免该误动的发生。经过对国内各压水堆核电机组质量位阈值的调研，以及供货商计算所得最小电流值为1.82mA，保守取最小电流值10%余量，我们评估得出将信号质量位的低阈值由原3.8mA调整为2mA，可以避免因误判信号质量位Bad而触发的紧急停堆。

如图3所示，改造前当输入信号小于量程下限4mA时，输出信号的数值位将保持不变，质量位为Good；当输入信号小于质量位低阈值3.8mA时，输出信号的质量位将置为Bad。

图3修改前保护系统软件需求中核功率信号折线图

本次改造将在算法组态中闭锁2mA～3.8mA范围内的低阈值信号质量位，在数值位保持不变的情况下重新生成质量位Good。除闭锁范围内，信号的其他数据均不变，以此实现修改质量位阈值的需求，如图4所示。

图4保护系统软件需求修改示意图

2　解决方案

该高温气冷堆的反应堆保护系统采用SCADE平台开发，其模拟量超电量程下限由AI板卡实现且已固化，无法在工程组态中配置修改。最直接的方式是升级保护系统平台，使其可以直接通过工程组态修改质量位阈值、死区等参数。但平台软件开发涉及整个反应堆保护系统，所需时间较长，人力物力投入较大。因此本文提出了一种低阈值质量位闭锁的应用方案，通过开发软件算法块闭锁原信号低阈值产生的坏质量位，重新生成新的质量位，实现了不升级平台用最小的成本满足修改质量位阈值的需求^[3]。

图5核功率信号传递简图

算法块在算法组态中，首先要分析固化在AI板卡中核功率信号的计算过程。板卡对采集到的整形机器码进行边界（0～32767）判断，超过边界值校正为边界值。依据AI核功率信号的可采集量程（0～25）和机器码区间，将整型机器码转换为浮点型AI电流值。之后根据AI信号电量程上下限（4mA、20mA）所对应的工程量值，通过线性变化将AI信号的电流值转换为工程量值。

具体公式如式（1）、式（2）所示：码值到电流值：

电流值到工程量值：

式中，fAI为电流值、A_H为机器码、fRet为工程量值、Up为工程量上限值、Dn为工程量下限值。其中Up取log10(2.5)，Dn取log10(2.5×108)。

以上为核功率信号在AI板卡中处理的过程，最终输出计算后的数值位和质量位到算法组态。由于AI板卡输出的信号数值位在可采集量程中都是实际值，因此才有条件可以在算法组态中闭锁原质量位、生成新质量位。另外板卡在质量位处理中已经做好了故障区分，只要在质量位为0x04下修改就不会闭锁其他故障导致的质量位坏情况，避免了扩大变更影响范围。

图6为原保护系统算法组态简图，可以看出原逻辑中仅是对工程量值进行了滤波、指数变换和量程转换，并未对质量位进行修改。

图6改造前的算法组态简图

因闭锁原质量位、生成新质量位依赖AI板卡的原始质量位信息，在算法组态中非零质量位一般会被其他算法块统一转化成“1”来表示，所以本次改造开发的算法块要直接与AI板卡传来的核功率信号相连，在算法块之前不能有任何质量位的计算。而原算法组态中与核功率信号直接相连的是“实数型结构体解体”算法块，它采集到AI板卡传来的核功率信号，将其中的数据信息输出到数值位端口，而质量信息不做修改的输出到质量位端口。因此改造方案为新开发“实数型结构体解体低阈值”算法块替换原算法块。它在实现原本实数型结构体解体功能的基础上，拓展算法块功能，对输入信号的质量信息进行逻辑判断，实现低阈值闭锁、重新生成质量位的需求。

图7为本次设计开发的“实数型结构体解体-低阈值”算法块。

图7实数型结构体解体-低阈值算法块

接口信息如表2所示。

表2实数型结构体解体-低阈值算法块接口

算法块对核功率信号的数值位不做处理，仅对质量位进行操作。当输入信号的质量位不等于0x04时，意味着此时核功率信号不处于低阈值状态，此时不需要闭锁质量位，质量位仍保持原值不变；当输入信号的质量位等于0x04时，核功率信号的数值位对应的电流值低于3.8mA，且板卡无其他故障因素发生，此时需要闭锁原质量位并重新生成。需求分析中新生成的质量位以2mA为低阈值，因此首先要得到2mA对应的工程量值，用来作为生成新质量位的判断条件。将2mA代入公式（2）得到对应的工程量值，也就是算法块的“超量程下限”参数-0.6021。此时若信号的数值位小于-0.6021，代表此时信号工程量值对应的电流值小于2mA，仍处于超量程下限的情况，质量位仍保持原值；否则当信号的数值位大于等于-0.6021时，信号工程量值对应的电流值处于2mA～3.8mA之间，此时应闭锁原模拟量输入信号的质量位，令新的输出信号质量位为0，表示在2mA～3.8mA之间信号的质量位为Good。

图8改造后的算法组态简图

3　解决方案验证

如图8所示，MONITOR监视的是AI板卡传来的核功率信号，因此MONITOR质量位是未经闭锁前的质量位，阈值仍是3.8mA，在2mA～3.8mA质量位Bad。而SCID监视的是经过算法块处理之后的核功率信号。当质量位Good时，SCID正常显示核功率信号的数值位；当质量位Bad时，SCID上显示NA，表示此时核功率信号无效。

基于上述情况我们开展了厂内测试，高温堆保护系统使用SCADE软件编译，无法使用REDACE在线监视逻辑运算，所以逻辑测试从MONITOR监视点输入信号，在SCID监视运算结果。以下概述测试项及方法：

（1）配置检查：打开维护工具中EAST软件和工程应用软件，确认工程师站软件版本、工程师站下装和检验软件版本、参数整定软件版本。

（2）软件下装：使用DEEP高温堆实体机柜，依据软件下装规范逐步对目标CPU进行下装。

（3）AI/AO通道测试：①使用维护工具打开本次改造工程应用软件对应的机柜控制站进行连接；②打开MONITOR监视被测AI变量点的质量位；③在本通道SCID中找到被测AI变量点；④使用仪表输入AI信号；⑤监视被测变量点质量位和AI点工程值；⑥工程值和预期值进行比较判断是否一致。

（4）逻辑测试：①确认被测机柜对应的端子排，使用仪表进行连接；②在SCID上确认信号逻辑输出变量点；③使用仪表输入AI变化信号；④在SCID中监视输出变量点变量变化；⑤判断输出变量点状态与预期结果是否一致。

部分的测试报告如表3所示，高温气冷堆核功率AI采集的精度误差为0.1%，其中阈值两边的输入值取量程差值的千分之一作为浮动区间。逻辑运算中经过10x指数函数处理后，送SCID显示工程值，SCID显示工程值最大误差计算公式为“x=AI当前值±（量程0.1%）”。

表3相关测试报告

当板卡处于低阈值以外的故障时，质量位不做修改。在信号采集周期0mA～25mA中，当信号处于0mA～2mA时，原质量位为Bad(0x04)，不做修改；当信号处于2mA～3.8mA时，原质量位为Bad(0x04)，闭锁原质量位，生成新质量位为Good(0x00)；当信号处于3.8mA～21mA时，原质量为Good(0x00)，不做修改；当信号处于21mA～25mA时，原质量为Bad(0x03)，不做修改。测试结果表明，通过算法块的方式闭锁低阈值质量位符合预期，满足了改造需求。

图9修改后的保护系统软件需求中核功率信号折线图

4　结论

本文通过对高温气冷堆保护系统核功率信号来源的分析，阐述了AI板卡中信号数值位与质量位的生成过程，提出了一种低阈值质量位闭锁的应用方案。在AI板卡判断通道下限超量程时，该方案通过算法块重新判定超电量程下限，生成新的质量位并输出至SCID监视，以达到修改质量位低阈值的目的，从而避免误触发停堆。该方案已无偏差完成厂内外验证活动，并顺利通过高温气冷堆现场验收工作。本文所述算法块目前仅能用于低阈值质量位闭锁，还需进一步优化算法块判断逻辑，拓展算法块的泛用性。例如在功能中加入质量位Bad(0x03)的判断逻辑，使其可用于高阈值质量位闭锁。该应用方案对高温气冷堆后续改造以及其他核电机组的改造实施优化也具有一定的参考价值。

作者简介：

马崔烨暄（2001-），男，河北人，助理工程师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核安全级仪控系统的设计工作。

参考文献：

[1]吴宗鑫.我国高温气冷堆的发展[J].核动力工程.2000,21(01):39-43+80.

[2]李铎.反应堆保护系统设备技术规格书[Z].北京:清华大学核能与新能源技术研究院,2015.

[3]朱攀,青先国,闵渊,等.高温气冷堆反应堆保护系统设计优化研究[J].科技视界,2024,(09):18-22.

摘自《自动化博览》2025年11月刊