核电站数字化控制系统驱动逻辑设计优化

 刘宇穗

 (中国能源建设集团广东省电力设计研究院，广东广州  510663)

摘  要； 传统统面向继电器硬接线的驱动级控制逻辑设计方法已无法满足、当前核电站数字化控制的需求。针对系统的特征，研究控制逻辑优化设汁的技术路线及优化流程．并以全开全关电动门驱动控制逻辑为例，阐述了核电站控制逻辑优化设计的过程及优化要点．并将此优化没计方法应用到岭澳二期工程及其他核电站常规岛 ,及BOP控制逻辑没计中，形成驱动级标准模件化，取消部分继电器，简化了逻辑电路，减少差错率， 保证了参数的准确性，进而提高机组的安全和可靠性，带来较高的经济效益。

关键词：核电站，逻辑标准化；安全性：可靠性：经济效益。

中图分类号：TM623  DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.2016.06.025.05

0引言

 中国当前能源结构不合理，主要依赖火电．带来环境污染严重，铁路运力紧张等一系列问题。核电清洁、环保，但目前仅占全国总发电量的1.8%：适当发展核电是解决中国能源结构不合理问题的必然出路之一。2010年中国制定了《新兴能源产业发展规划》，提出到2020年核电装机容量将由原来的4 000万kW提高到7 000万kW。安全高效地利用核能是保障核电高速发展的前提。

 随着技术发展，核电站的控制方式也发生了变化。早期投产的核电站．其驱动级设备控制均采用继电器硬接线或DCS+继电器方式。目前，核电站逐步采用DCS来实现整套电站的监测、控制和保护；DCS的应用及工程适应性问题获得了广泛的研究。安全性是核电站控制系统的首要指标，对采用DCS系统实现反应堆保护功能多样性和多样化进行了研究。独立性是保证多重性和多样性的前提，讨论了核电站DCS设计的独立性问题。研究了核电站数字化控制系统的可靠性评价方法。控制方式的改变同时也对核电站控制逻辑的设计方法提出了新的要求。非常有必要针对核电站数字化控制的特征对控制逻辑进行优化设计。

 作者根据岭澳二期及后续核电站控制逻辑设计的经验，阐述了核电站控制逻辑的优化设计问题。工程实践表明本文提出的优化设计方法能有效提高设计效率、增加图纸的可读性，确保控制逻辑的可靠性，同时，形成驱动级标准模件化，取消继电器，简化了逻辑电路，减少差错率，保证了参数的准确性，进而提高机组的安全和可靠性、带来较高的经济效益。

1  控制逻辑优化设计的必要性

 随着控制技术的发展，核电站控制方式正逐步从常规控制向全数字化控制过渡：控制逻辑设计方法也相应发生了变化。表1对比了深圳大亚湾核电站常规岛部分、深圳岭澳核电站一期工程、广东沙角电厂二期工程以及国内近年来投产的超临界火力发电机组等项目的控制方式及其控制逻辑设计方法。可见，数字化分布式控制系统在火电工程中应用较深入、成熟，并逐步推广到核电站。控制方式的改变必然会影响到电站控制逻辑图纸的设计方法。

 核电岭澳一期项曰（岭澳一期）部分控制逻辑采用P320控制系统实现，部分采用继电器搭建而成。逻辑图设计没有采用驱动级标准逻辑模块，而采用由分散元件连接起来的明细表示法。该方法符合继电器控制逻辑的设计需求，方便施工、调试。岭澳二期核电技术是在岭澳一期的基础上进行改进。为了工程的安全、可靠，加快核电工程建设，岭澳二期仪表及控制系统参照岭澳一期．其仪表控制系统的功能、逻辑、整定值等基本保持不变。在控制系统方面，岭澳核电二期全站范围内使用DCS,采用Teleperm XS（简称TXS）系统和Teleperm XP（简称TXP）系统完成整个核电站的主要监控和自动处理功能。从控制系统设计角度看，岭澳二期控制逻辑采用DCS完成，原来由继电器完成的功能都改由计算机软件完成。这部分设计工作不需要细化，仅需要考虑DCS与现场设备的接口问题。可见，岭澳二期采用数字化DCS作为其控制系统，必然带来逻辑设计的变化。

 早期核电站的驱动级设备采用继电器（或DCS+继电器）实现，且驱动级设备控制逻辑图采用非标准化设计，驱动级模块内外的逻辑关系不清晰，容易出错，控制逻辑不分层，有误操作隐患。另外．DCS已经在大型火力发电厂中获得了成功应用：其驱动级设备控制逻辑图的标准化设计方法在工程实践中已经获得了充分验证。可见，借鉴常规火电厂的逻辑图标准化设计方法来对数字化核电站控制逻辑进行优化是一条有效的途径，能减少重复性工作，降低出错率，提高设计效率。

2控制逻辑优化设计方法

 本文旨在借鉴火电机组相对先进的设计理念对核电站控制逻辑进行优化，设计出核电站常规岛及BOP部分驱动级标准逻辑模块，并将优化的标准逻辑模块应用于核电站常规岛及BOP部分逻辑图设计。

 目前在常规火电厂设计中，国内虽已经形成成熟的驱动级标准逻辑块，不能简单地将常规火电厂的驱动级标准模块套用于核电工程；因为核电设计的安全性要求高于常规火电厂。保证驱动级设备的安全运行是核电站驱动级模块标准化设计必须重点考虑的问题。然而，国内至今还没有核电站常规岛控制逻辑设计的相关标准，在制定驱动级模块设计标准过程中缺乏标准指导。调研表明，核电站常规岛及BOP部分与常规火电厂基本相同，系统运行操作模式也类似，故可以借鉴常规火电厂的设计规程规范。

 为了将常规火电厂控制逻辑的设计方法成功地借鉴到核电站，必须建立一套行之有效的方法。作者在对岭澳二期控制逻辑进行设计优化时，探索出了如下技术路线：(1)针对岭澳一期的设计方法．分析研究其驱动级逻辑图，确定出驱动级模块内部、外部功能的界线。(2)针对参考工程所实现的功能．结合常规火电厂标准，认真对比参考工程的控制要求，并根据岭澳二期控制逻辑的变化情况以及业主的要求，归纳出岭澳二期逻辑图的设计原则。(3)根据核电设计要求，对常规电厂的驱动级标准模块进行修改、完善，形成符合核电设计要求的驱动级标准逻辑模块。

 根据调研和技术分析结果，制定设计核电站常规岛及BOP部分驱动级逻辑标准模块的工作流程，如图1所示。

3实例分析

 以核电站的典型驱动环节——全开全关电动门控制逻辑优化为例具体阐述控制逻辑优化问题。

 图2所示为岭澳一期全开全关电动门的完整逻辑图．描述了电动门的监控、连锁、保护关系。图2虚线框内为由DCS实现的部分，虚线框外为就地实现部分，包括就地继电器搭接部分和就地执行器的内部实现部分。DCS与就地实现部分共有3个接口信号：2个DO（OD开指令，CD关指令）和一个DI（CP关到位反馈）。由图2还可以看出．岭澳一期电动门驱动逻辑图将驱动级的DCS实现部分和就地实现部分合到一张图上表达．界限不明，且表述不清。岭澳二期仪表和控制系统较岭澳一期在硬件和系统结构上有很大改进，采用了成熟且相对先进的DCS。故必须对控制逻辑进行优化设计，以适应控制系统特征。按照以上所述控制逻辑优化的技术路线。作者归纳了岭澳二期逻辑优化的原则：

 (1)一期已经实现的功能在岭澳二期中全部保留，在P320中实现的部分由DCS完成．就地执行机构控制仍由就地执行机构逻辑实现．即OD、CD、CP信号全保留，且其产生逻辑条件不变，继电器由软件代替：(2)执行机构本体上的按钮AC0004CC和AC0005CC功能不变；(3)就地继电器实现的功能尽量用DCS实现。

 根据岭澳二期工程的实际情况以及业主的要求，为了充分利用DCS功能，提供更丰富的现场状态反馈，完善执行机构控制功能，在集控室内设置了手动操作手段，并设置手动／自动切换操作，保证操作互不干扰。控制逻辑实现了控制分层，设手动／自动／保护控制方式，且“保护”方式优先，以保证设备的安全运行。

 在充分消化吸收常规火电厂全开全关电动门驱动级逻辑模块基础上，对岭澳一期的控制逻辑进行了优化，设计了满足核电设计要求的驱动级标准模块。其全开全关电动门驱动级逻辑模块的外部逻辑如图3所示，内部逻辑关系如图4所示。

 与常规电厂控制逻辑模块相比，本文设计的控制逻辑具有更加适合核电站的特征，主要体现在：(1)增加了保护开指令对自动关、手动关的闭锁功能，如图4中云状图“A”所示；(2)增加了开过程与关过程的状态信号，如云状图“B”所不；(3)增加了对开故障状态和关故障状态的判断，如云状图“C”所示；(4)增加了双零和双一故障判断信号，如云状图“D”所示。通过以上优化设计，进一步确保了控制逻辑的可靠性．更适合核电站应用需求。

 对图3和f4进行综合分析，可知通过优化设计的驱动级逻辑模块提供了更加丰富的功能．增加了控制逻辑设计的灵活性。功能包括：(1)提供了集控室内手动操作和手动／自动切换操作，保证操作互不干扰：(2)控制分层，设手动／自动／保护控制方式，“保护”信号优先，保证设备安全运行；(3)提供更加丰富的现场状态反馈，如：全开位置／全关位置、开过程／关过程、开故障／关故障、执行机构故障、双零故障、双一故障、综合故障、远控状态等供控制系统设计选用。

 从以上全开全关电动门控制逻辑优化设计范例可看出，采用优化设计方法，可获得标准化程度高、控制界面清晰、便于阅读理解的核电站驱动级标准逻辑模块。此设计方法可简化驱动级控制逻辑设计，取消相关的逻辑继电器，在驱动级标准逻辑模块中采用控制分层策略，操作层次清晰，能有效防止误操作，提高没备运行的安全性。

 作者将本文提出的控制逻辑优化方法应用到岭澳二期的核电站常规岛逻辑图设计项目；并对设计效率进行了统汁，如表2所示。

 采用优化后的标准逻辑模块能提高工作效率．提高安全和可靠性，具有较高的经济效益，所需设计、安装用时比优化前节省大于40%，表中所示系统节省继电器上千个，整个机组节省数万个．节省相关连线材料若干。后期控制系统调试及现场投运情况进一步证实了本文提出的控制逻辑优化没计方法的优越性，从核电数十台机组推广情况来看：提高控制系统连锁、保护的安全和可靠率40%，接口简单、更标准化，减少差错率30%。

4结语

 随着数字化控制系统在核电站中应用的进一步深入，其驱动级控制逻辑也需要随之发生相应变化。为了适应核电站数字化控制系统要求，作者通过调研、总结工程经验、对比参照工程方案．提出了一套驱动级控制逻辑的优化设计方法和步骤，并将该方法应用到岭澳二期工程，工程应用表明本文提出的控制逻辑优化设计方法能有效解决工程中重复出图、效率低、差错率高等问题。