摘要：针对国内现役核电保护系统（大亚湾、岭澳一期）由于设备老化等原因面临着数字化改造问题，提出了利用LabVIEW模拟保护系统逻辑的数字化实现方案。首先简述了模拟系统的系统结构及硬件组成，然后着重阐述了系统软件设计及功能实现方法。该反应堆保护系统模拟装置实现了核电厂热停堆、冷停堆、满功率工况下反应堆保护系统紧急停堆逻辑和安全专设逻辑，相对于电子功能插件卡组成的反应堆保护系统，系统极大简化，且响应速度大大提高，为核电站反应堆保护系统数字化改造提供了一种解决方案。
关键词：反应堆保护系统，实时控制，时序匹配，LabVIEW
引言
国内现役核电保护系统（大亚湾、岭澳一期）由于设备老化等原因，面临着数字化改造问题，反应堆保护系统RPR数字化改造是其中最重要的部分。
为此设计一种基于LabVIEW及运行在VxWorks实时系统的LabVIEW RT( real-time)模块为平台的针对核电厂停堆功能和安全专设功能的反应堆保护系统。模拟系统对上游过程仪表系统SIP、核仪表系统RPN、过程测量系统KRG等信号进行逻辑处理，可以实现和硬件磁逻辑同样的控制功能，使下游执行机构（包括停堆断路器、电磁阀、接触器等）动作紧急停闭反应堆，必要时启动专设安全设施，以达到保护反应堆的目的[1]。
1系统构成
RPR模拟系统结构图如图1所示，来自过程仪表系统SIP、核仪表系统RPN、过程测量系统KRG等系统的输出信号，经I/O模块转换成开关量信号送至逻辑处理系统进行逻辑运算，信号输出形成保护指令送至信号比对系统（实际系统中此信号用于执行保护动作）。
图1 模拟系统结构图
2系统设计
大亚湾、岭澳一期现有RPR的逻辑单元由硬件组合搭建，在设计模拟系统时，首先将现有各功能模块分解转化，其次针对软硬件实现的差异分别处理。此外，模拟系统实现了保护系统全故障模拟，大大简化测试过程。
2.1硬件设计
2.1.1 RT控制器
RT控制器是一种为嵌入式控制而设计的实时控制器。NI RT系列PXI控制器为测量、自动化和控制提供实时、可靠、确定性的I/O，用于LabVIEW RT应用程序的开发平台，该平台运行VxWorks实时操作系统和LabVIEW RT模块。
本系统采用NI PXI-8108嵌入式实时控制器，配置为2 GB 800 MHz DDR2 RAM，PID循环率较NI PXI-8106 RT高约25%，10/100/1000BASE-TX (千兆位)以太网和2个高速USB端口，集成了硬盘、串口、GPIB接口及其它外围I/O性能和接口上满足了模拟系统的需要。
LabVIEW实时模块将LabVIEW的图形编程用于创建可靠且具有确定性的应用程序，内置高亮执行、探针、断点等工具用以调试和优化实时应用程序。
2.1.2 信号比对系统
T2试验仪用于模拟系统的信号比对，接收保护指令对比实际系统执行机构动作信号。T2试验是针对RPR系统逻辑保护通道的定期试验，主要验证反应堆紧急停堆和专设安全设施的保护逻辑设备的有效性，单列单线路每个序列的响应与结果一致且响应时间在300ms内为有效。根据在预设程序T2试验仪连续地向RPR系统注入试验信号并从RPR系统收集试验信号。此测试仪是可拆卸的设备，试验时与RPR的系列A或B的任何逻辑线路X或Y相连，试验结束后T2测试仪可移动。
2.2软件设计
由磁逻辑元件组成电子功能插件逻辑单元可由基本数字门逻辑组合替代，编写图形化软件模块取代原电子功能插件集合，将基本的与、或、非门，触发器等组合可得到典型的保护系统逻辑。具体本系统，主要采用LabVIEW子VI模块化思想，以利于重复调用。
2.2.1符合逻辑
在反应堆保护系统可靠性设计当中，采用符合逻辑后比单通道的非安全故障概率和安全故障概率都有明显的下降，所以广泛应用m/n（m＜n逻辑）符合电路，如二取一（1／2）、三取二（2／3）和四取二（2／4）。需将m/n功能卡等效为由LabVIEW软件实现的基本逻辑模块组合。图2为四取三（3／4）符合逻辑功能图。
以四取三为例，所谓“四取三”是指四个通道输入有电（电气状态为1，逻辑状态为1）而输出是有电状态（电气状态为1，逻辑状态为1），这是保护逻辑正常工作状态的的称谓。如果该逻辑电路有两个以上通道失电（电气为0状态），则输出为断电状态（电气为0状态），存在保护信号。此时，保护动作信号在逻辑设计上为1，这时逻辑电路实际上实现的是断电输出条件下的“四取二”电路。断电时发生保护动作即负逻辑保护，利用软件实现时就需对负逻辑保护的电路单独处理，在输入信号端加入取反逻辑或者改变输出判别条件。
E1 E2 E3 E4
图2 四取三（3／4）符合逻辑功能图
2.2.2回路自保持
如图3所示带有手动复位功能的失电记忆双稳态触发器，在自保持回路转化设计中，不同于硬件板卡，一般应给反馈回路赋初始值，初始值的设定是由实际运行时回路初态决定。转化成图4所示带失电记忆双稳态触发器子VI模块。
图3 带有手动复位功能的失电记忆双稳态触发器
图4 带失电记忆双稳态触发器LabVIEW实现（部分）
2.2.3时序匹配
现有反应堆保护设备主要是由电子功能插件组成的。而电子功能插件上的基本单元电路多数是由电磁逻辑元件和少量晶体管或集成电路组成的。
电磁逻辑元件在反应堆保护设备方面的应用主要可以分成两种类型：能够完成符合逻辑功能的是固态开关元件；另一种为补偿固态元件，它能完成输出信号的放大、时延以及记忆功能等。这类固态元件的响应时间约为10ms。
2.2.3.1自有延时转化
反应堆保护系统的逻辑中，有较多的延时模块，通常为了实现这些功能：若信号持续超过规定的时间，则输出信号。在磁逻辑中，前延时继电器、后延时继电器、前后延时继电器实现了延时动作功能；在LabVIEW软件中，由于采用定时循环的方式，延时时间利用系统时钟循环计数精确得到。
根据RPR系统逻辑柜响应时间测试，各信号通道的响应时间小于150ms，注入信号的脉冲宽度分为200ms、300ms两类，故设定LabVIEW一个循环周期为100ms。所有逻辑处理都在循环内部完成，图5为1s后延时设计。
图5 1s后延时LabVIEW实现（部分）
2.2.3.2电磁逻辑元件响应时序匹配
电磁逻辑元件构成的保护系统信号注入到输出响应时间与信号经过的路径有关，经过的逻辑元件越多，响应时间越慢。LabVIEW软件在实时系统硬件上实现的逻辑门，响应时间在纳秒级别，多门串联叠加其响应时间对逻辑处理结果影响可忽略不计。由此，硬件逻辑到软件逻辑的转换过程中，与时序相关的逻辑可能会得到错误的结果，引起保护系统执行机构误动作。
为解决这一问题，采取对某些信号延时输出的方式。在专设安全保护逻辑中，蒸汽流量偏高且主回路冷却剂平均温度过低（P12）会引发主蒸汽管线隔离。LabVIEW中按原逻辑进行信号处理，结果主蒸汽管线隔离出现错误信号，因为蒸汽流量偏高信号在原有硬件磁逻辑中经过更多的更多元件，LabVIEW实现时两个信号时序不再匹配，此时如图6所示将蒸汽流量偏高信号延时输出，得到符合实际的结果，保证执行机构正常动作。
图6 LabVIEW逻辑单元时序匹配
2.2.4故障模拟
为简化测试过程，对所有注入信号、输出信号进行全故障模拟，同时也为后续实际保护系统故障检测提供依据。故障模拟包括强制置位故障和强制复位故障。假设对某个注入信号设置强制置位故障，模拟装置程序中将此注入信号强制为逻辑1，当实际注入逻辑0时，就会出现逻辑运算错误，如果对应的输出信号能够反映对应的故障，说明注入信号的故障模拟功能正确；假设对某个注入信号设置强制复位故障，模拟装置程序中将此注入信号强制为逻辑0，当实际注入逻辑1时，就会出现逻辑运算错误，如果对应的输出信号能够反映对应的故障，说明注入信号的故障模拟功能正确。
图7是LabVIEW软件实现原理，value/select为上位机控制面板上可操作的按钮，与输入输出信号一一对应，现场试验时只需选择具有代表性的信号进行试验，譬如四取三选择其中两路强制进行故障模拟试验。
图7 故障模拟设计
3试验验证
利用电厂现有的T2试验仪模拟上游传感器信号输入到模拟系统，模拟系统的输出信号返回到试验仪进行比对，实现对RPR模拟系统的测试。T2试验仪用于核电站反应堆保护系统的保护逻辑定期试验，以停堆部分A列X半逻辑为例，模拟系统的时间响应满足要求，在LabVIEW中利用定时器记录信号逻辑处理的时间小于100ms，故设定循环周期为100ms，信号注入到信号输出时间远小于T2试验仪的接收时间范围300ms；模拟系统逻辑响应正确，从测试序列SEQUENCE 00 STEP 00到SEQUENCE 40 STEP 00，每个序列注入信号与接收到信号与既定结果一致。
4结束语
以上论述的基于LabVIEW的核电站反应堆保护模拟控制系统设计方案实现了实时、准确模拟原RPR系统的工作性能，满足了数字化改造对逻辑处理的要求。依据本设计方案，为保护系统的冗余性设计提供新的解决方案，为电站数字化改造提供新思路。基于LabVIEW软件模拟的保护系统性能稳定、实时性高、易于扩展，对早期核电站的全厂数字化改造具有很好的借鉴价值。
参考文献：
[ 1 ] 广东核电培训中心. 900MW压水堆核电站系统与设备（上册）[ M ]. 第2版.北京：原子能出版社，2007.
[ 2 ] 黄长艺，严普强. 机械工程测试技术基础[M ]. 北京：机械工业出版社，1998.
[ 3 ] 龙华伟，顾永刚. LabVIEW8. 2. 1与DAQ数据采集. 北京：清华大学出版社，2008： 232 -237.
论文作者:田雅安,贾思洋,肖泽南,方郁
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：逻辑论文; 系统论文; 信号论文; 反应堆论文; 功能论文; 故障论文; 实时论文; 《电力设备》2019年第6期论文;