CN213025417U - 重水反应堆保护系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种重水反应堆保护系统，包括：信号调理单元，用于接收传感器采集的反应堆检测信号，并对检测信号进行预处理；主处理单元，与信号调理单元相连，用于对预处理后的检测信号进行逻辑处理，并生成处理结果；通信单元，与主处理单元相连，用于通过网关与非安全级数字化仪控系统NC‑DCS通信。本申请实施例的重水反应堆保护系统，通过信号调理单元接收传感器采集的反应堆检测信号，并对检测信号隔离分配，主处理单元对检测信号进行逻辑处理，并生成处理结果，实现了反应堆保护系统的数字化，模块化设计，易用性提高，维护及变更简便；精度高、且不易老化。

Description

重水反应堆保护系统

技术领域

本申请涉及核电监控技术领域，尤其涉及一种重水反应堆保护系统。

背景技术

随着数字化技术的飞速发展，核级数字化控制系统在国内大型商用核电站及部分研究堆上已有部分应用。以往的模拟系统因其可靠性低、稳定性差、可维护性困难等缺点，已不能满足反应堆连续运行的需求。

传统的研究型重水反应堆中的保护系统功能比较分散，且多为模拟系统控制。保护系统作为反应堆运行的关键系统，对整体可用率起到至关重要作用。现有的保护系统功能分散，系统整体可用率较低；设备精度低，难以精确控制；设备容易发生老化，且备件不易获得；可维护性差，不易于变更。

因此，需要建设一套适用于研究型重水反应堆的数字化保护系统，提高其系统可靠性与稳定性；同时，编制一套可以运行在不同功率模式下的保护逻辑，从而满足反应堆连续运行的要求。

申请内容

本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种重水反应堆保护系统，实现反应堆保护系统的数字化，模块化设计，易用性提高，维护及变更简便；精度高、且不易老化。

为了实现上述目的，本申请第一方面实施例提出一种重水反应堆保护系统，包括：信号调理单元，用于接收传感器采集的反应堆检测信号，并对所述检测信号进行预处理；主处理单元，与所述信号调理单元相连，用于对预处理后的检测信号进行逻辑处理，并生成处理结果；通信单元，与所述主处理单元相连，用于通过网关与非安全级数字化仪控系统NC-DCS 通信。

可选的，所述主处理单元包括模拟输入接口AI、数字输入接口DI、数字输出接口DO、总线管理CSS、IO通信SCU、主处理MPU、环网通讯FCU和光旁通板卡，所述模拟输入接口AI和所述数字输入接口DI分别与所述总线管理CSS的一端相连，所述总线管理CSS的另一端与所述IO通信SCU的一端相连，所述IO通信SCU的另一端分别与所述主处理MPU和所述环网通讯FCU的一端相连，所述环网通讯FCU的另一端与所述光旁通板卡的一端相连，所述光旁通板卡的另一端与所述通信单元相连。

可选的，所述主处理单元采用双冗余架构。

可选的，系统还包括记录仪，所述记录仪与所述信号调理单元相连，用于记录并显示预处理后的检测信号。

可选的，系统还包括监控单元，所述监控单元与所述通信单元相连，用于显示所述处理结果。

可选的，系统还包括反应堆执行单元，所述反应堆执行单元与所述通信单元相连，用于根据所述处理结果执行相应的控制操作。

可选的，所述反应堆执行单元包括核测量单元、热工检测单元、重水泵电路单元、棒控停堆单元、棒控控制单元、高温高压试验回路、低温低压试验回路中的一种或多种。

可选的，所述检测信号包括传感器信号和系统信号。

可选的，所述传感器信号包括重水进口压力、反应堆重水进口总流量、主热交换器二次水出口流量、反应堆重水进出口温差中的一种或多种。

可选的，所述系统信号包括反应堆功率、功率保护监测装置故障、反应堆周期、周期保护监测装置故障中的一种或多种。

本申请的重水反应堆保护系统，通过信号调理单元接收传感器采集的反应堆检测信号，并对检测信号隔离分配，主处理单元对检测信号进行逻辑处理，并生成处理结果，实现了反应堆保护系统的数字化，模块化设计，易用性提高，维护及变更简便；精度高、且不易老化。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请一个实施例的重水反应堆保护系统的结构示意图；

图2是本申请一个实施例的主处理单元的结构示意图；

图3是本申请另一个实施例的重水反应堆保护系统的结构示意图；

图4是本申请又一个实施例的重水反应堆保护系统的结构示意图；

图5是本申请再一个实施例的重水反应堆保护系统的结构示意图；

图6是本申请一个具体实施例的重水反应堆保护系统的结构示意图；

图7是本申请一个具体实施例的重水反应堆保护系统控制装置的结构示意图；

图8是本申请一个具体实施例的重水反应堆保护系统的执行逻辑流程图；

图9是本申请一个具体实施例的重水反应堆保护系统的逻辑结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

下面参考附图描述本申请实施例的重水反应堆保护系统。

图1是本申请一个实施例的重水反应堆保护系统的结构示意图。

如图1所示，重水反应堆保护系统包括信号调理单元100、主处理单元200和通信单元 300。

信号调理单元100，用于接收传感器采集的反应堆检测信号，并对检测信号进行预处理。

其中，检测信号包括传感器信号和系统信号。传感器信号包括但不限于以下类别：重水进口压力、反应堆重水进口总流量、主热交换器二次水出口流量、反应堆重水进出口温差中的一种或多种的组合。系统信号包括但不限于反应堆功率、功率保护监测装置故障、反应堆周期、周期保护监测装置故障中的一种或多种的组合。

主处理单元200，与信号调理单元100相连，用于对预处理后的检测信号进行逻辑处理，并生成处理结果。

具体地，如图2所示，主处理单元200包括模拟输入接口AI210、数字输入接口DI220、数字输出接口DO230、总线管理CSS240、IO通信SCU250、主处理MPU260、环网通讯FCU270 和光旁通板卡280。

上述部件的连接关系如下：模拟输入接口AI210和数字输入接口DI220分别与总线管理 CSS240的一端相连，总线管理CSS240的另一端与IO通信SCU250的一端相连，IO通信SCU250的另一端分别与主处理MPU260和环网通讯FCU270的一端相连，环网通讯FCU270 的另一端与光旁通板卡280的一端相连，光旁通板卡280的另一端与通信单元300相连。

在本申请的一个实施例中，主处理单元200采用双冗余架构。

通信单元300，与主处理单元200相连，用于通过网关与非安全级数字化仪控系统NC-DCS 通信。

在本申请的另一个实施例中，如图3所示，系统还包括记录仪400。

记录仪400与信号调理单元100相连，用于记录并显示预处理后的检测信号。

在本申请的又一个实施例中，如图4所示，系统还包括监控单元500。

监控单元500与通信单元300相连，用于显示处理结果。

在本申请的再一个实施例中，如图5所示，系统还包括反应堆执行单元600。

反应堆执行单元600与通信单元300相连，用于根据处理结果执行相应的控制操作。

其中，反应堆执行单元600包括核测量单元、热工检测单元、重水泵电路单元、棒控停堆单元、棒控控制单元、高温高压试验回路、低温低压试验回路中的一种或多种。

本申请实施例的重水反应堆保护系统，通过信号调理单元接收传感器采集的反应堆检测信号，并对检测信号隔离分配，主处理单元对检测信号进行逻辑处理，并生成处理结果，实现了反应堆保护系统的数字化，模块化设计，易用性提高，维护及变更简便；精度高、且不易老化。此外，主处理单元采用冗余结构，数据同步处理，大大提高了系统的稳定性；集中处理所有的保护变量，提高了系统整合度，缩短了停堆响应时间；使用信号调理单元采集分配反应堆检测信号，不受主控制站状态影响；系统具有自诊断功能，便于故障定位。

下面以一个具体实施例进行详细描述。

如图6所示，重水反应堆保护系统包括重水反应堆保护系统控制装置610、核测量系统 620、热工检测系统630、重水泵电路640、棒控停堆系统650、棒控控制系统660、高温高压试验回路670、低温低压试验回路680、手动停堆690、辅助控制室6100、主控室6110、监控系统6120以及主DCS监控系统6130。

其中，监控系统6120主要用于监控事故后各参数的变化；主DCS监控系统6130主要用于实现全系统所有参数的监控，其通过网关与重水反应堆保护系统控制装置610相连。

其中，如图7所示，重水反应堆保护系统控制装置610具体包括信号调理模块611、模拟输入接口AI612、数字输入接口DI613、数字输出接口DO614、总线管理CSS615、IO通信SCU616、主处理MPU617、环网通讯FCU618、光旁通板卡619、光旁通模块6191以及通讯模块6192。光旁通板卡619和主处理MPU617与外围的维护计算机相连。通讯模块6192通过网关发送至NC-DCS。

具体执行逻辑流程，以单通道(RPC-A)为例，可如图8所示。

S801，采集来自传感器或其他系统的信号。

图6中other system、LEVEL0即其他系统。信号调理模块611对信号进行隔离分配，记录仪来记录并显示隔离分配后的信号。

S802，将采集到的信号与预设阈值进行比较。

S803，再接收来自其他通道或序列的信息，判断是否符合执行逻辑。

S804，输出结果。

如果符合逻辑，则核测量系统620、热工检测系统630、重水泵电路640、棒控停堆系统 650、棒控控制系统660等可以根据输出结果执行相应操作。

如果不符合逻辑，则将结果返回给其他通道或序列，或者生成相应的指示信息或报警信息。

保护系统完成如下功能：

一、信号调理功能：

具体由信号调理模块611实现，采用纯硬件方式，用于PT100、4-20mA信号线性调理分配并将DI信号进行隔离。具体地，可将95～225Ω电阻线性调理为4-20mA直流信号；4-20mA 信号进行隔离分配给其他通道；开关量输入信号隔离。

信号调理模块611采用机架或者导轨安装，并由24VDC供电。

二、信号输入输出功能：

信号输入功能由模拟输入接口AI612、数字输入接口DI613完成，信号输出功能由数字输出接口DO614完成。

模拟输入接口AI612用于将4-20mA直流信号转换为模拟量；

数字输入接口DI613用于将无源触点信号转换为数字量；

数字输出接口DO614用于将数字量输出。

IO通信SCU616采用机架安装，24VDC供电。

三、数据处理功能：

数据处理功能由主处理MPU617完成。由硬件和软件组成，将采集的信号以及通过通信得到的信号，按照确定的时序和逻辑进行运算，运算结果由信号输出设备、通信设备输出。

主处理MPU617获得数据，对数据进行运算，并把运算后的结果通过通讯模块6192发送给其他单元。

主处理MPU617具有正常运行、测试和下装3种工作模式。

下装模式仅用于实现离线控制算法的下装，这种模式与其他两种模式处于互斥关系，即系统如果处于下装模式中，就不能做正常模式和测试模式的工作。

运行模式是系统正常启动后保持的一种工作模式，它是系统大多数时候保持的状态，在这种状态下，系统应该周期执行控制保护逻辑，执行各种自检视，和外部系统进行交互等。

测试模式指系统运行在特殊运行模式下，是系统正常工作模式的一种扩展，维修或者试验时所需要的功能通过测试模式实现。

主处理MPU617采用机架安装，5VDC供电。

四、通信功能：

通信功能由通讯模块6192完成，通讯模块6192由硬件和软件组成。从通信端口读取数据，或者从通信端口输出数据。

通讯模块6192采用机架安装，24VDC供电。

此外，保护系统还包括旁通控制功能。通过保护系统提供的旁通装置，可对需要进行试验的参数进行旁通设置，该通道参数信号执行降级逻辑，例如：对于2/3的逻辑，允许对冗余设备或通道中的一个进行维修或更换。进行维修时，保护系统对剩余设备或通道按1/2的逻辑进行处理。对于1/2的逻辑，进行维修检验只能是在停堆期间。当系统处于维修旁通状态时，控制台上的“保护系统旁通”指示灯点亮，以给出指示。

保护系统具体执行逻辑结构，可如图9所示。

保护系统共设置三通道，每个通道均可触发反应堆紧急停堆。对于大部分设计基准事件，至少有两个多样性的传感器信号用于触发反应堆紧急停堆，分别由不同的通道采集；对于不具备两个多样性传感器信号的事件，将通过分配装置将相同的传感器信号同时分配到另两个通道中。

反应堆保护系统采集和处理核测量系统、热工检测系统、重水泵电路、棒控系统电路、高温高压试验回路、低温低压试验回路的传感器信号，通过内部计算完成反应堆保护功能。详细功能如下：

信号预处理功能：采集现场传感器或者其他系统信号，通过信号调理、隔离和分配功能，并实现输入与输出通道之间的电气隔离。其中，其他系统信号主要来自核测量系统，包括反应堆功率、功率保护监测装置故障、反应堆周期、周期保护监测装置故障等信号。

逻辑处理功能：通过DI/AI卡件采集调理分配后的信号进DCS系统，模拟量采用阈值处理方式，并与来自其他通道E/O光电转换模块传输(点对点通讯)来的保护停堆触发信号进行参数符合逻辑和整体符合逻辑后触发通道停堆逻辑，通过硬接线将信号传输给棒控系统、辅助控制室、主控室、监控系统及停堆断路器。

数据传输功能：通过系统配置的总线装置(多点通讯)传输到网关后，将安全级报警信号以及参数信号传递给NC-DCS。

其中，反应堆运行方式包括A、B、C、D四种运行方式。在不同运行方式下的保护定值和报警定值不同。保护系统设有12个保护变量，在不同运行方式下，上述保护变量设定不同的保护定值和报警定值。具体12个保护变量如下：

4个保护变量来自核测量系统：(1)保护变量1：反应堆功率；(2)保护变量2：功率保护监测装置故障；(3)保护变量3：反应堆周期；(4)保护变量4：周期保护监测装置故障。

4个保护变量来自热工检测系统：(5)保护变量5：反应堆重水进口压力，在反应堆进口处设置有3台压力表；(6)保护变量6：反应堆重水进口总流量，在反应堆进口处设置有3台流量计；(7)保护变量7：反应堆重水进出口温差；(8)保护变量8：主热交换器二次水出口流量。

2个保护变量来自供电电路：(9)保护变量9：任一重水泵失电；(10)保护变量10：控制棒系统任一路DC110V失电。

2个保护变量来自试验回路输出的事故保护停堆信号：(11)保护变量11：高温高压回路事故保护停堆；(12)保护变量12：低温压回路事故保护停堆。

通过上述12个保护变量与预设的定值进行比较，从而得到处理结果，以使得其他执行系统执行相应的操作。

此外，保护系统具有自诊断和自监视功能来检测故障，保证系统正常运行，自诊断覆盖不到的地方，应通过定期试验来完善。故障诊断需要定位到模块级。

自诊断包括以下特性：

1、自诊断应保证程序存储的完整性；

2、自诊断应保证RAM具有保持数据的能力；

3、自诊断应保证处理器正确执行用于安全功能指令集的功能；

4、自诊断应保证地址和数据总线的完整性；

5、自诊断应保证不同处理器之间通信信息的正确性；

6、自诊断应保证过程信号采集的有效性和正确性；

7、自诊断应保证程序执行控制流的正确性；

8、监视机柜温度、风扇运行情况、柜门状态等；

9、监视电源状态；

10、具有冗余设备数据不一致的诊断，单通道主备CPU工作模式，检测到一系冗余数据故障时会切换到备用CPU工作；

11、具有用于降级模式的诊断，在操作员手动进行旁通试验或者信号故障时会进行自动降级，例如3取2进行旁通试验时降级到2取1逻辑；

12、具有阈值比较结果不一致的诊断；

13、软件设计具有限值比较、设置缺省值及质量位传递的功能；

14、当系统采集单元和处理单元故障时，数据带有质量位并具有传递功能，同时完成缺省值设置、故障安全设置及指示报警功能；

15、当系统表决逻辑的输入信号发生故障时，系统根据信号质量状态进行降级或输出处理。

下面介绍一下定期试验。

定期试验完成对系统安全功能的验证，在停堆和功率运行期间均可以进行试验，试验采用分段进行，每段试验之间具有重叠，保证试验完整性。定期试验期间，不会妨碍系统执行安全功能的能力。

定期试验原则如下：

1、在电厂正常运行和停堆换料期间能够对系统进行定期试验：

2、系统使用自诊断、定期试验的组合来识别系统的潜在故障；

3、不影响系统安全功能的定期试验可以在停堆或者满功率运行期间进行，影响安全功能的试验必须在停堆换料期间进行；

4、试验完成或者意外终止应恢复到试验前状态；

5、应采取措施防止非授权人员触发定期试验；

6、完成对系统从传感器接口到最终执行机构的全范围测试，可采用分段试验方法，每段之间具有重叠，确保全范围试验。

保护系统具有以下特性：

1、保护变量的测量精度优于0.25％满量程。

2、系统响应时间≤150ms。

3、保护变量通道间的数据通讯采用“点对点”模式。

4、用于主逻辑处理的计算机的最大工作负荷率应不大于50％。信息处理计算机的最大工作负荷率应不大于50％。

5、通讯总线的负荷率应不大于30％。

6、机柜的外壳防护等级不低于IP31。

7、平均无故障时间MTBF不小于20万小时，平均修复时间MTTR小于4小时。

8、机柜使用寿命不小于40年，可更换部件的更换周期不少于20年。

本申请的重水反应堆保护系统优点如下：

1、采用冗余结构，数据同步处理，大大提高了系统的稳定性；单个板卡可靠性高；集中处理所有的保护变量，提高了系统整合度，缩短了停堆响应时间；

2、采集分配传感器信号，送数字显示仪与计算机采集系统的信号不受主控制站状态影响；

3、完善的自诊断设计，可根据自诊断信息按项目需要设置DO的安全状态值，降低系统拒动率与误动作，便于故障定位和维护；

4、模块化设计，减少了布置空间和接线量，易用性提高，维护及变更简便；

5、设备精度高、且不易老化。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器 (CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (10)

1.一种重水反应堆保护系统，其特征在于，包括：

信号调理单元，用于接收传感器采集的反应堆检测信号，并对所述检测信号进行预处理；

主处理单元，与所述信号调理单元相连，用于对预处理后的检测信号进行逻辑处理，并生成处理结果；

通信单元，与所述主处理单元相连，用于通过网关与非安全级数字化仪控系统NC-DCS通信。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主处理单元包括模拟输入接口AI、数字输入接口DI、数字输出接口DO、总线管理CSS、IO通信SCU、主处理MPU、环网通讯FCU和光旁通板卡，

所述模拟输入接口AI和所述数字输入接口DI分别与所述总线管理CSS的一端相连，所述总线管理CSS的另一端与所述IO通信SCU的一端相连，所述IO通信SCU的另一端分别与所述主处理MPU和所述环网通讯FCU的一端相连，所述环网通讯FCU的另一端与所述光旁通板卡的一端相连，所述光旁通板卡的另一端与所述通信单元相连。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述主处理单元采用双冗余架构。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，系统还包括记录仪，所述记录仪与所述信号调理单元相连，用于记录并显示预处理后的检测信号。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，系统还包括监控单元，所述监控单元与所述通信单元相连，用于显示所述处理结果。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，系统还包括反应堆执行单元，所述反应堆执行单元与所述通信单元相连，用于根据所述处理结果执行相应的控制操作。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述反应堆执行单元包括核测量单元、热工检测单元、重水泵电路单元、棒控停堆单元、棒控控制单元、高温高压试验回路、低温低压试验回路中的一种或多种。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测信号包括传感器信号和系统信号。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述传感器信号包括重水进口压力、反应堆重水进口总流量、主热交换器二次水出口流量、反应堆重水进出口温差中的一种或多种。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统信号包括反应堆功率、功率保护监测装置故障、反应堆周期、周期保护监测装置故障中的一种或多种。

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