CN107799194B - 智能棒位阈值整定及性能鉴定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能棒位阈值整定及性能鉴定方法。步骤S1，智能捕捉控制棒动作信号；步骤S2，判断控制棒有动作时计算并记录每步动作后棒位探测器原边线圈电流、辅助线圈电压、五组测量线圈电压；步骤S3，自动判断整定过程是否结束；步骤S4，整定结束后基于所记录的棒位探测器原边线圈电流、辅助线圈电压、五组测量线圈电压数值进行阈值计算。本发明公开的智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，同步完成阈值整定、棒位通道性能鉴定数据记录及数据计算，提高阈值整定准确度及棒位测量精度，有效减少棒位测量通道性能鉴定占用的核反应堆启动计划关键路径时间。

Description

智能棒位阈值整定及性能鉴定方法

技术领域

本发明属于核电站控制棒位置测量技术领域，具体涉及一种智能棒位阈值整定及性能鉴定方法。

背景技术

压水堆核电厂快速调节反应堆功率主要通过控制棒束的提升、下插来实现。棒束的提升、下插等控制操作由棒控系统指挥完成。

然而，现有的棒控系统，其自身并未包含用于验证棒束控制命令是否已经正确执行的反馈机构。因此，需要设置棒位测量系统，通过棒位测量系统获得棒束实际位置、监视棒控系统的运行状况、完成控制棒束精确定位。

参考附图1，以秦山第二核电厂为例，现有棒位测量系统核心设备包括33个棒位探测器，2个测量柜， 1个处理柜和1个棒位显示屏（内含33个棒位显示模块）。棒位探测器位于安全壳内的反应堆顶部控制棒驱动机构之上，测量柜、分线柜位于电气厂房15.5m L609/649房间内，处理柜位于连接厂房0m W228/268房间内，棒位显示屏位于主控室。测量柜用于提供探测器原边线圈激磁电源，并对测量线圈感应电压信号进行整形，得到棒位格雷码信号，一方面送处理柜进行比较、处理，另一方面译成二进制码，经光电隔离后送主控室显示。

现有的棒束控制组件及其驱动轴位于核应堆高温高压环境中，对其位置的测量普遍利用电磁感应原理，通过棒位探测器进行。现有的棒位探测器主要包括原边线圈、测量线圈、辅助线圈、线圈骨架、密封壳及外套管。

以秦山第二核电厂为例，棒位探测器全长为4006mm，内径154mm，外径300mm。原边线圈为一长螺线管，约2000匝，线径1.97mm，沿整个行程绕制。测量线圈和辅助线圈都是副边线圈，每个1700匝，宽2cm，线径0.23mm，与原边线圈共轴。原边线圈用于产生交变磁场，测量线圈用于形成棒位编码，辅助线圈用于原边电流调节。

驱动轴由磁性材料制造，而探测器密封壳、骨架、外套管以及探测器内的其它介质磁导率很低，这样测量线圈中有无驱动轴穿过感应出的电压相差很大，通过监测某一位置的测量线圈感应电压即可获知驱动轴顶端在其上面还是在其下面。只要设置足够数量的测量线圈，监测各线圈的感应电压信号，就可以大致确定驱动轴——控制棒的位置。

为了大致确定控制棒的位置，必须设置足够数量的测量线圈。测量线圈的个数和间距要根据驱动轴行程的长度和希望达到的分辨率来确定。为了减少探测器与信号处理通道之间接线的数量，减少信号处理设备的数量，还必须对测量线圈进行分组。

以秦山第二核电厂为例，控制棒驱动轴每个机械步长度为15.875mm，全行程为228步。探测器分辨率为8步（127mm），测量线圈31个，分成A、B、C、D、E五个组，整个测量行程为256机械步。测量线圈分组方式如下。

首先，如果在探测器测量行程的1/2高度处绕一测量线圈C1，通过监测其感应电压（有效值，以下同）V1，就可以得知棒位是在[0，128)区间还是[128，256)区间。

进一步，如果在1/4和3/4高度处绕制线圈C21、C22，通过监测C21的感应电压V21，就可以得知棒位是在 [0，64) 区间还是[64，128) 区间；通过监测C22的感应电压V22，就可以得知棒位是在[128，192) 区间还是[192，256) 区间。

实际上，这三个线圈已经将整个测量行程分成长度相等的四个区间，通过监测这三个线圈的感应电压就可以得知棒位是在哪个区间；可以将感应电压高低和对应的棒位列成下表。

如果将C21、C22反向串联成一组（称为C2），因为V21、V22始终同相，所以C2输出电压V2＝|V21－V22|，感应电压高低和对应的棒位如下表所示。

同样地，在1/8、3/8、5/8、7/8高度处再绕制C31、C32、C33、C34四个线圈，并将其依次正反串联成C3组，就可以将整个测量行程分成长度相等的8个区间，通过监测V1、V2、V3（＝|V31－V32＋V33－V34|）三个电压，即可确定棒束位于哪个区间，测量分辨率达到32步。

再在1/16、3/16、5/16、7/16、9/16、11/16、13/16、15/16高度处绕制C41、C42、…、C48八个线圈，并将其依次正反串联成C4组，就可以将整个测量行程分成长度相等的16个区间，通过监测V1、V2、V3、V4（＝|V41－V42＋V43…－V48|）四个电压，即可确定棒束位于哪个区间，测量分辨率达到16步。

再在1/32、3/32、5/32、…、31/32高度处绕制C51、C52、…、C516十六个线圈，并将其依次正反串联成C5组，就可以将整个测量行程分成长度相等的32个区间，通过监测V1、V2、V3、V4、V5（＝|V51－V52＋V53…－V516|）五个电压，即可确定棒束位于哪个区间，测量分辨率达到8步。

通常将C1、C2、C3、C4、C5组分别称为E、D、C、B、A组，将线圈按照位置从低到高编号，则各组线圈编号为：

E组（第一组）线圈 16

D组（第二组）线圈 8 24

C组（第三组）线圈 4 12 20 28

B组（第四组）线圈 2 6 10 14 18 22 26 30

A组（第五组）线圈 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 2527 29 31

探测器结构及线圈编号参见附图2。

棒位探测器各组测量线圈感应电压信号随控制棒升降行程发生变化，在棒位测量柜中通过对测量线圈感应电压进行处理，将处理后的电压与一个整形阈值电压进行比较，从而形成开关量的棒位码位，参见附图3A、3B和3C。整形阈值电压不同得到的棒位测量结果发生变化，参见附图4。

对棒位整形阈值进行调整设定，对阈值调整设定后整个测量通道的性能进行鉴定是棒位测量系统投运以前的调试过程中的重要工作，也是每次大修后功率运行前试验过程中的重要工作。

目前阈值设定工作均靠人工进行，阈值设定后的性能鉴定工作部分电厂（如秦山第二核电厂）利用处理柜中的计算机装置实现了数据记录和数据计算的自动化，但整个过程仍然是开环的，需要不断调整参数、动棒运行进行通道鉴定、鉴定不合格再重新调整参数，直到合格为止。需要耗费的时间长，准确度不能保证。

一般核电站棒位探测器静态线性度检查方式如下。

设定棒速为4500ms运行一步，将棒束从5步提升到225步，提升过程中记录指示灯从第n－1个亮切换到第n个亮时对应的给定位置Swn，n＝2、3、…、30，从而得出第n个指示灯对应的棒位区间为[Swn，Swn+1)；插入过程中记录指示灯从第n个亮切换到第n－1个亮时对应的给定位置Sin，n＝30、29、…、2，从而得出第n个指示灯对应的棒位区间为(Sin，Sin＋1)＝[Sin＋1，Sin＋1＋1]。然后验证：

提升正误差Swn+1―1―Mn≤7， n＝1..29；

提升负误差Swn－Mn≥－3， n＝2..30；

插入正误差 Sin＋1－Mn≤7， n＝1..29；

插入负误差 Sin＋1－Mn≥－3， n＝2..30；

界点回差Hn＝Swn－(Sin＋1)≤1，n＝2..30。

对一个棒束进行静态线性度检查时，记录数据包括提升界点28个，插入界点28个；计算数据包括正误差2×28个，负误差2×28个，磁滞28个。处理数据量为：8×7＝196个/棒束。如果采取这种方式33个棒位探测器，一次静态线性度检查需要记录、计算的数据为196×33＝6468个。每次升降4个棒束，共需9个行程，最顺利的情况所需时间为9×220×4500ms×2＝17600秒，近5小时。

参见图5。在秦山第二核电厂，实现了利用处理柜中的PLC软件进行棒位性能鉴定，所有数据记录、计算、报表输出都由软件完成，减轻了数据记录和计算工作量，但鉴定时控制棒移动速度仍只能设定为4500ms运行一步，试验时间未压缩，仍需大修后功率运行前试验关键路径时间5小时以上。

为此，在实现棒位测量信号处理方式全部数字化的同时，有必要提出一种智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，提高阈值整定准确度及棒位测量精度，有效减少棒位测量通道性能鉴定占用的核反应堆启动计划关键路径时间。

发明内容

本发明针对现有技术的状况，针对上述缺陷，提供一种智能棒位阈值整定及性能鉴定方法。

本发明采用以下技术方案，所述智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，采用智能自整定模块同步完成阈值整定、棒位通道性能鉴定数据记录及数据计算，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、智能捕捉控制棒动作信号；

步骤S2、判断控制棒有动作时计算并记录每步动作后棒位探测器原边线圈电流、辅助线圈电压、五组测量线圈电压；

步骤S3、自动判断整定过程是否结束；

步骤S4、整定结束后基于所记录的棒位探测器原边线圈电流、辅助线圈电压、五组测量线圈电压数值进行阈值计算，以计算得出各个测量通道的阈值；

步骤S5、根据上述计算得出的各个测量通道的阈值验证并且计算各个测量通道的线性度及上下行程回差；

步骤S6、将计算结果以文件形式保存输出；

步骤S7、整定结束后自动转入正常运行状态，根据整定阈值及各组测量线圈感应电压信号进行控制棒位置测量。

根据上述技术方案，上述步骤S1中，智能捕捉控制棒动作信号实现方式为：连续监测辅助线圈电压，当监测到连续两个周期辅助线圈电压发生显著变化时判定为控制棒动作已开始(显著变化优选判断准则定义为：记连续三个周期的最小值分别为U0、U1、U2，如果U2-U0>1.5V且U1-U0>1.5V则判定U0处为动作起点)。

根据上述技术方案，上述步骤S2中，计算每步动作后棒位探测器原边线圈电流、辅助线圈电压、五组测量线圈电压的方法为：从辅助线圈电压波形中进一步判定控制棒动作方向、避开扰动窗口找到可用于信号均值计算的时间窗口W，并计算时间窗口W内辅助线圈电压平均值Uaux、原边线圈电流平均值Ip、各组测量线圈电压平均值Ua、Ub、Uc、Ud、Ue；计算完成后累加控制棒动作步数。

根据上述技术方案，上述步骤S3中，自动判断整定过程是否结束方法为：判断控制棒动作步数是否已满440步，或离最近动作时间是否已超过40秒钟，如果是则转入步骤4开始阈值计算。

根据上述技术方案，上述步骤S4的阈值计算方法包含以下步骤：

步骤S4.1根据动作步数计算单行程步数；

步骤S4.2针对A、B、C、D、E五组线圈分别按以下方式计算阈值；

步骤S4.3将对应码位所有记录电压进行排序，从小到大验证阈值为某个一电压时码位变化次数及对应测量误差均方和；

步骤S4.4从以下a、b、c、d四个数值中选取最优阈值T，并取磁滞回差H=T*0.03，其中：

a：测量误差均方和最小的可用阈值；

b：测量误差满足预定要求(一般为±7步)的最小阈值；

c：大于b且测量误差不满足要求的最小阈值；

d：相差最大的两个可用阈值的中间值；

对于A、B、C、D四组线圈，如果b、c存在则T=(b+c)/2，否则T=a，这样保证计算阈值为可用阈值的中间值；

对于E组线圈，T=d。

根据上述技术方案，上述步骤S5中，计算测量通道的线性度及上下行程回差，包含以下步骤：

步骤S5.1针对A、B、C、D、E五组线圈分别按以下方式验证测量通道性能；

步骤S5.2将升降行程所有动作步数测量电压与阈值、磁滞进行比较；

步骤S5.3当前测量电压>T或“上次码位为1且当前测量电压>T-H”则当前码位为1，否则当前码位为0；

步骤S5.4当前码位与上次码位不相同则记录为切换点；

步骤S5.5求取到A、B、C、D、E五组线圈切换点及对应测量误差后将五组线圈切换点进行组合计算，求取到各切换点对应测量误差及上下行程回差，验证各点测量误差不超过7步，行程回差不超过1步。

根据上述技术方案，阈值整定过程中控制棒动作的速度最快设置为833ms/步。

本发明公开的智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，其有益效果在于，同步完成阈值整定、棒位通道性能鉴定数据记录及数据计算，提高阈值整定准确度及棒位测量精度，有效减少棒位测量通道性能鉴定占用的核反应堆启动计划关键路径时间。

附图说明

图1是本发明优选实施例的系统框图。

图2是已公开的棒位探测器线圈布置及连接方式示意图。

图3A、3B和3C分别是已公开的棒位探测器测量信号整形处理过程的示意图。

图4是已公开的整定阈值电压变化导致测量界点偏移的示意图。

图5是已公开的秦山第二核电厂棒位探测器线性度检查。

图6是本发明优选实施例的智能自整定算法流程图。

图7是本发明优选实施例的通道阈值计算流程图。

图8是本发明优选实施例的通道性能鉴定流程图。

图9是本发明优选实施例的阈值整定结果示例。

图10是本发明优选实施例的性能鉴定结果示例。

具体实施方式

本发明公开了一种智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。

参见附图的图1，图1示出了全数字化棒位测量装置在棒位测量系统中的功能作用。所述全数字化棒位测量装置处在棒位测量柜20中，其功能是给棒位探测器10提供激磁电源，并根据整定阈值对从棒位探测器10输入的信号进行整形处理，形成以5位开关量表征的棒位格雷码测量信号。

本发明改变传统上通过人工设定棒位整形所用整定阈值的做法，在所述棒位测量柜20的全数字化棒位测量信号处理装置中设置智能自整定模块，所述智能自整定模块具有（集成）智能自整定及测量通道性能鉴定功能。

一般地，核反应堆启动达到热停堆工况，需要进行棒位测量通道阈值整定时，通过按钮操作将所有测量通道转入自整定运行模式。所述智能自整定模块在装置进入自整定运行模式后开始工作。

在自整定运行模式下，主控室反应堆操纵员对各子组控制棒进行提升插入操作。每个子组4束控制棒同时动作，从5步开始提升到一定高度（一般为堆顶），然后插入回到5步。在此过程中智能自整定模块自动捕捉各测量通道控制棒动作情况，计算棒位探测器输出信号，对其进行处理、记录。

参见附图的图6，所述智能自整定模块对每个测量通道的自整定及通道性能鉴定过程包括以下步骤：

步骤S1、智能捕捉控制棒动作信号；

步骤S2、判断控制棒有动作时计算并记录每步动作后棒位探测器原边线圈电流、辅助线圈电压、五组测量线圈电压；

步骤S3、自动判断整定过程是否结束；

步骤S4、整定结束后基于所记录的棒位探测器原边线圈电流、辅助线圈电压、五组测量线圈电压数值(正常情况下共7×440个数据)进行阈值计算，以计算得出各个测量通道的阈值；

步骤S5、根据上述计算得出的各个测量通道的阈值验证并且计算各个测量通道的线性度及上下行程回差；

步骤S6、将计算结果以文件形式保存输出；

步骤S7、整定结束后自动转入正常运行状态，根据整定阈值及各组测量线圈感应电压信号进行控制棒位置测量。

优选地，上述步骤S1中，智能捕捉控制棒动作信号实现方式为：连续监测辅助线圈电压，当监测到连续两个周期辅助线圈电压发生显著变化(显著变化优选判断准则定义为：记连续三个周期的最小值分别为U0、U1、U2，如果U2-U0>1.5V且U1-U0>1.5V则判定U0处为动作起点)，则判定为控制棒动作已开始。

优选地，上述步骤S2中，计算每步动作后棒位探测器原边线圈电流、辅助线圈电压、五组测量线圈电压的方法为：从辅助线圈电压波形中进一步判定控制棒动作方向、避开扰动窗口找到可用于信号均值计算的时间窗口W，并计算时间窗口W内辅助线圈电压平均值Uaux、原边线圈电流平均值Ip、各组测量线圈电压平均值Ua、Ub、Uc、Ud、Ue；计算完成后累加控制棒动作步数。

优选地，上述步骤S3中，自动判断整定过程是否结束方法为：判断控制棒动作步数是否已满440步，或离最近动作时间是否已超过40秒钟，如果是则转入步骤4开始阈值计算。

优选地，参见附图7，上述步骤S4的阈值计算方法包含以下步骤：

步骤S4.1根据动作步数计算单行程步数；

步骤S4.2针对A、B、C、D、E五组线圈分别按以下方式计算阈值；

步骤S4.3将对应码位所有记录电压（一般为440个数值）进行排序，从小到大验证阈值为某个一电压时码位变化次数及对应测量误差均方和；

步骤S4.4从以下a、b、c、d四个数值中选取最优阈值T，并取磁滞回差H=T*0.03，其中：

a：测量误差均方和最小的可用阈值；

b：测量误差满足预定要求(一般为±7步)的最小阈值；

c：大于b且测量误差不满足要求的最小阈值；

d：相差最大的两个可用阈值的中间值；

对于A、B、C、D四组线圈，如果b、c存在则T=(b+c)/2，否则T=a，这样保证计算阈值为可用阈值的中间值；

对于E组线圈，T=d，这样可保证选取阈值基本接近可用阈值中间值，且上下行程回差不超过1步：

优选地，参见附图8，上述步骤S5中，计算测量通道的线性度及上下行程回差，包含以下步骤。

步骤S5.1针对A、B、C、D、E五组线圈分别按以下方式验证测量通道性能；

步骤S5.2将升降行程所有动作步数测量电压与阈值、磁滞进行比较；

步骤S5.3当前测量电压>T或“上次码位为1且当前测量电压>T-H”则当前码位为1，否则当前码位为0；

步骤S5.4当前码位与上次码位不相同则记录为切换点；

步骤S5.5求取到A、B、C、D、E五组线圈切换点及对应测量误差后将五组线圈切换点进行组合计算，求取到各切换点对应测量误差及上下行程回差，验证各点测量误差不超过7步，行程回差不超过1步。

上述阈值整定和通道性能验证结束后系统转入正常运行，阈值及验证结果将以文本文件形式保存。因阈值整定及通道性能鉴定一次性完成，且控制棒动作速度均可置为833ms动作一步，比人工进行性能鉴定时设定的棒速4500ms动作一步大大加快，故试验所占用的反应堆启动关键路径计划时间将缩短到原有方法所需时间的三分之一以内。

因为上述验证步骤已保证在所取阈值情况下棒位切换次数满足要求，切换点偏差满足测量要求，所以验证合格的结果可以作为棒位测量通道性能鉴定结果。

阈值计算结果示例见附图9。

通道性能鉴定结果示例见附图10，解读如下：

第1－7列数值分别为灯号、标定棒位、提升界点、提升正误差、插入界点、插入负误差、上下行程回差。

提升行程最大正误差5步（第3列第1个值），最小负误差－6步（第3列第2个值）。

插入行程最大正误差4步（第5列第1个值），最小负误差－6步（第5列第2个值）。

提升行程最长棒位区间11步（第3列倒数第3个值）。

插入行程最长棒位区间11步（第5列第3个值）。

上下行程最大回差在第27灯（第5列倒数第2值）处，1步（第3列倒数第2值）。

上下行程最小回差在第29灯（第5列倒数第1值）处，0步（第3列倒数第1值）。

对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，采用智能自整定模块同步完成阈值整定、棒位通道性能鉴定数据记录及数据计算，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、智能捕捉控制棒动作信号；

步骤S2、判断控制棒有动作时计算并记录每步动作后棒位探测器原边线圈电流、辅助线圈电压、五组测量线圈电压；

步骤S3、自动判断整定过程是否结束；

步骤S4、整定结束后基于所记录的棒位探测器原边线圈电流、辅助线圈电压、五组测量线圈电压数值进行阈值计算，计算得到各个测量通道的阈值；

步骤S5、根据上述计算得到的各个测量通道的阈值验证并且计算各个测量通道的线性度及上下行程回差；

步骤S6、将计算结果以文件形式保存输出；

步骤S7、整定结束后自动转入正常运行状态，根据整定阈值及各组测量线圈电压信号进行控制棒位置测量。

2.根据权利要求1所述的智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，其特征在于，上述步骤S1中，智能捕捉控制棒动作信号实现方式为：连续监测辅助线圈电压，当监测到连续两个周期辅助线圈电压发生显著变化时判定为控制棒动作已开始。

3.根据权利要求1所述的智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，其特征在于，上述步骤S2中，计算每步动作后棒位探测器原边线圈电流、辅助线圈电压、五组测量线圈电压的方法为：从辅助线圈电压波形中进一步判定控制棒动作方向、避开扰动窗口找到可用于信号均值计算的时间窗口W，并计算时间窗口W内辅助线圈电压平均值Uaux、原边线圈电流平均值Ip、各组测量线圈电压平均值Ua、Ub、Uc、Ud、Ue；计算完成后累加控制棒动作步数。

4.根据权利要求1所述的智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，其特征在于，上述步骤S3中，自动判断整定过程是否结束方法为：判断控制棒动作步数是否已满440步，或离最近动作时间是否已超过40秒钟，如果是则转入步骤4开始阈值计算。

5.根据权利要求1所述的智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，其特征在于，上述步骤S4的阈值计算方法包含以下步骤：

步骤S4.1 根据动作步数计算单行程步数；

步骤S4.2 针对A、B、C、D、E五组线圈分别按以下方式计算阈值；

步骤S4.3 将对应码位所有记录电压进行排序，从小到大验证阈值为某个一电压时码位变化次数及对应测量误差均方和；

步骤S4.4 从以下a、b、c、d四个数值中选取最优阈值T，并取磁滞回差H＝T*0.03，其中：

a：测量误差均方和最小的可用阈值；

b：测量误差满足预定要求的最小阈值；

c：大于b且测量误差不满足要求的最小阈值；

d：相差最大的两个可用阈值的中间值；

对于A、B、C、D四组线圈，如果b、c存在则T＝(b+c)/2，否则T＝a，这样保证计算阈值为可用阈值的中间值；

对于E组线圈，T＝d。

6.根据权利要求5所述的智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，其特征在于，上述步骤S5中，计算测量通道的线性度及上下行程回差，包含以下步骤：

步骤S5.1 针对A、B、C、D、E五组线圈分别按以下方式验证测量通道性能；

步骤S5.2 将升降行程所有动作步数测量电压与阈值、磁滞进行比较；

步骤S5.3 当前测量电压>T或“上次码位为1且当前测量电压>T-H”则当前码位为1，否则当前码位为0；

步骤S5.4 当前码位与上次码位不相同则记录为切换点；

步骤S5.5 求取到A、B、C、D、E五组线圈切换点及对应测量误差后将五组线圈切换点进行组合计算，求取到各切换点对应测量误差及上下行程回差，验证各点测量误差不超过7步，行程回差不超过1步。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的智能棒位阈值整定及性能鉴定方法，其特征在于，阈值整定过程中控制棒动作的速度最快设置为833ms/步。