核电站数字化仪控系统设定值整定方法的研究

方 涛，陆道纲，马吉强，潘海波

（1.华北电力大学 核科学与工程学院，北京 102206；2.北京广利核系统工程有限公司，北京 100084）

0 前言

所谓核电站数字化仪控系统的安全设定值整定，是指当现场控制站因为意外情况无法正常工作（失效）或偏离正常运行状态（功能降级）时，控制系统在经过自我修复后，对于其重要的控制对象，需要输出一个安全输出整定值（多为模拟量输出）．该设定值首先要保证系统在恢复功能后可以安全运行，其次不要有较大的扰动．针对这一要求，专业机构给出了相应的标准[1-4]，但这些方法只是给出了一个基本框架，具体实行比较困难．鉴于这一状况，笔者以实际电站为依托，给出了一个通用方法，并针对几个特殊项给出了实际解决步骤与方案．

1 计算全通道不确定性的通用方法

求取全通道的不确定性，是把各个通道的不确定性分别计算，然后加以统计，最后合成在一起来实现的．其中，各测量通道中，随机不确定性占主导，也就是说可通过计算随机不确定性来反映全通道的不确定性．计算过程中，采用的是不规则分布和偏差不确定性的代数组合．在确定安全相关设定值时，使用了概率论及统计学的方法．其中，最典型的方法就是平方和的平方根（SRSS）法，即求取所有误差项的最大期望偏差．目前，大部分反应堆保护系统的测量通道不确定性都是用方程式（1）来实现的．

表1 不确定项内容含义Tab.1 Meaning of uncertainty term

上述方程是一个通用方法，并非适用所有情况．对于保护回路中的单一参数情况通常是有效的；但对于需要通过计算多个输入才能确定的情况，则需要特定方法加以解决．所有对全通道不确定性有影响的参数都是用量程的百分数来表示的．因此，其它表示形式的数据，要先进行归一化，再计算．

方程中考虑了由于恶劣环境导致的最坏情况，如SREA和STE，以及PMA等．需要注意的是，由于SREA产生误差对STE产生误差有抑制作用，所以在计算时只需考虑前者即可．

PMA和PEA与传感器及机笼无关．其中，PMA给出的是与仪表无关项所产生的影响：如中子通量、流体密度变化、温度变化等．而对于多个独立、随机的PMA，可通过求SRSS来解决．需要注意的是，PMA是不含PEA的，所有PEA通常是指设备的计算或测量精度值，它考虑了设备在安装过程中的精度，常用的有：弯管、喷嘴、文丘里管和喷嘴等．

与仪表相关项所产生误差通常被定义为传感器的参考精度．它是一种能力，要求在多次测试中对于相同的输入，必须有相同的输出．该项内容随测试样本数量成随机正态分布．

2 数字化仪控系统的不确定性

RCA、RTE、RD和RMTE合起来被看作是机笼的数字化安全保护裕量．所有这些参数值都是由供应商来提供的，而且都要满足技术规格书中的要求．一个典型的具有安全功能的信号处理路径包含：信号分配模块、输入模块以及数字信号处理模块（见图1）．其中，信号分配模块为无源器件，因此无需计算它的不确定性．输入模块处理一个来自传感器的信号时，先要对信号进行调理（如消噪、放大等），然后是数模转换，最后进入数字信号处理模块．由于数字信号处理模块的不确定性一般为满量程的0.001%（以16位的采样精度为例，以供应商提供数据为准），因此，可忽略不计．

图1 安全功能信号处理路径Fig．1 Thepath of safety function signal processing

3 额定行程设定值（NTSP）与允许值（AV）的确定方法

对于预计运行事件和假想事故，当设定值在达到分析限值（AL）之前，反应堆停堆系统（RT）和安全专设系统（ESFAS）会提前动作．这样就保证了电厂在达到安全限值之前，会先对目前的运行状态进行修正，以缓解所产生的影响．NTSP主要是用于保护实测过程参数在达到安全限值之前，能先行产生停堆或安全动作，它包含了仪表的不确定性，其大小是由技术规格书中的系统安全设定值来指定的．NTSP留了一定安全裕量，它容许运行在允许值范围内的功能降级仪表修正后继续工作．所以，对安全裕量的选取要适度，要求在确保电厂稳定运行的前提下，在预期运行瞬态过程中不能发生停堆或安全保护的误动．电厂正常运行限值与NTSP之间的裕量就是电厂的安全运行裕量．

在确定NTSP的不确定性时，标定的量程间隔内有漂移．漂移再加上标定所产生误差自身的不确定性，可作为性能实验验收标准（PTAC）．校准公差（CT）限值内的周期校准，可确保漂移的期望值处于NTSP的假设范围内（见图2）．

图2 分析限值与额定行程设定值及容许值间的关系Fig．2 Therelationship between analysis limit and nominal trip set point

容许限值（AL）是一个双边限值，它选取的是保护功能通道中，NTSP与容许限值之间的最大偏差．

要想得到通道的容许限值，可用校准值加上或减去△1或△2中较小的值．

在通道标定时，用容许限值判断通道是否可用，用性能实验验收标准判断仪表是否功能降级，因此要尽量避免使用较大的公差（见图 3）．

1）如果NTSP在性能实验验收准则范围内，则该通道可完全运行．

2）如果NTSP处于双边设定限值之外，但又在容许值范围之内，则可以功能降级运行．同时，需要进行矫正，使其返回指定范围内．

3）如果NTSP完全处于容许值范围之外，则通道无法工作．校正动作开启，同时，自动保护装置将无法正常工作．

图3 数字化保护通道的周期检查Fig．3 Digital protect channel period surveillance

总的允许限值=分析限值-额定行程设定值=通道不确定性+安全裕量

保护功能由周期监测和通道校准两项组成．

通道校准要能满足在全量程范围内的精度要求．AV、PTAC、CT都要考虑其中（通道5点检验通常为0%,25%,50%，75%，100%）．

4 性能测试验收标准（PTAC）

性能测试可用于验证设备性能是否符合设计预期．设备的不确定性测试是所有不确定性项的加和，所以验收准则，也要根据每项内容逐一确定，如下

1）传感器

2）机笼

因为机笼是没有RD误差的，而且SMTE误差已经含在RCA中了．

3）回路

5 基于压差的流速采集通道的不确定性

介绍一个基于压差的流速测量通道的不确定性转换方法．压差的不确定性对于压差的满量程来说可以看成是一个常数；而通过压差转换成的流速对于流速的满量程来说，却并非是一个常数．

流速与测量得到的压差关系如下

流速的不确定性可由下式求得

6 多样性系统（DAS）

DAS采用了最佳估计分析方法，消除了所有的共因故障．因此，假设其没有误差和功能降级．这样，DAS的NTSP=AL，不存在CU和SM．

由于DAS与保护安全系统（PSMS）的输入信号同源．所以，回路部分的测试可通过PSMS的通道来实现．DAS只是多了个信道可用性测试（COT）．如果需要做信道可用性测试的话，可先把DAS和PSMS的信号进行分离后再注入模拟测试信号．该注入信号可用于检查DAS的精度（见图4）．

1）DAS误差

2）PSMS误差

经过整理得到

由上式可知，DAS与PSMS设定值之差必须要大于由DASBistable,DASIsolator,以及PSMSrack引入的误差之和．在最差条件下，[NTSP（DAS） NTSP（PSMS）]也必须要大于全量程的3.4%，表2（注：裕量=NTSP(DAS)-NTSP(PSMS)，上升过程，全量程的3.4%）是实际两系统的实际计算结果．图4是DAS与PSMS误差比较情况．

表2 DAS与PSMS设定值结果的比较Tab.2 The set point result comparison between DASand PSMS

7 结论

核电站数字化仪控系统安全设定值的整定问题，一直以来都是设计的难点和关注焦点．安全设定值选取的好坏，将直接影响到整个系统能否安全稳定的运行．本文提出的一个通用方法和几个关键项的解决方案，已成功应用于实际电站的设计中，这将为其它电站的设计工作提供良好的借鉴．

图4 多样性系统与保护安检系统的比较Fig.4 Comparison of DASand PSMS

[1]ANS．Set pointsfor Nuclear Safety-Related Instrumentation[S]．American：ANS，16 May 2006．

[2]ISA．Performance Monitoring for Nuclear Safety-Related Instrument Channelsin Nuclear Power Plants[S]．American：ISA，24 May 2002．

[3]ISA．Qualificationsand Certification of Instrumentation and Control Techniciansin Nuclear Facilities[S]．American：ISA，15 February 2000．

[4]ISA．Methodologiesfor the Determination of Set pointsfor Nuclear Safety-Related Instrumentation[S]．American：ISA，1 January 2000．