核电厂DCS高负荷响应时间分析及测试

孙学慧，梁中起，郄永学，刘向东

(北京广利核系统工程有限公司，北京100094)

核电厂DCS高负荷响应时间分析及测试

孙学慧，梁中起，郄永学，刘向东

(北京广利核系统工程有限公司，北京100094)

本文对核电厂DCS高负荷工况、响应时间进行分析，使用测试装置模拟高负荷工况并设计相应的测试方案，建立环境执行实际测试。测试结果表明：核电厂DCS响应时间测试结果与理论分析情况基本符合，抽样测试结果符合正态分布，得出的置信区间证明了测试方案的可靠性。本设计方案可以应用至工程测试中，并对其他核电站工厂测试有一定的借鉴意义。

核电厂；数字化仪表控制系统；高负荷；响应时间

DCS系统高负荷情况下，信号大量迅速的变化给系统带来巨大的负载，可能造成信号响应不及时或者不响应的情况，此情况可能影响操作员判断,甚至导致核安全事故,所以必须对系统在高负荷工况下的响应时间进行验证。

响应时间是保证核电厂安全运行的一个重要指标，是安全级和非安全级信息共享和正常通讯的一个重要保证。它反映了从输入环节到输出环节的时间间隔，表征了信号传输的速度。

在反应堆保护系统需求规格书以及合同的技术附件中都对保护系统经网关和LEVEL 2通信网络[1]，到VDU人机界面的显示响应时间有明确的要求，这说明对高负荷工况下的DCS响应时间的理论分析和实际测试是必要的。本文在某压水堆核电厂DCS的设计和工厂测试阶段，分析其核电厂DCS系统高负荷响应时间。

1 核电厂高负荷响应时间分析

核电厂的DCS系统按其所在系统功能对电厂安全的重要性分为安全级设备、安全相关设备和非安全级设备[2、3]，非安全级一般是完成核电站的常规控制， 而安全级则是为了保证核电站的安全提供保护控制；从数据传输上主要包括四部分：Level0 (现场接口层) 、Level1(系统自动化层) 、Level2(监督控制层) 、Level3(厂级 管理层)[4]。工厂测试阶段主要涉及的是Level1和Level2。

1.1 高负荷工况介绍

目前核电厂工厂内高负荷测试主要分三种情况测试，分别为：垂直雪崩、水平雪崩和系统雪崩。

(1) 垂直雪崩是由核电厂Level1 层和Level2 层设备传送大量数据流所引起的雪崩，Level1机柜CPU由于采用定周期的处理方式所以不受影响，而信号从Level1向Level2传输，由于Level2机柜使用UDP传输协议，故垂直雪崩工况会影响系统性能。垂直雪崩测试中选择1200个数字量点和200个模拟量在一段时间内不断变化。

(2) 水平雪崩是由核电厂安全级机柜L1层内部大量数据传输所引起的雪崩，因为安全级机柜的CPU 采用定周期的处理方式，每个周期内数据的传输量是固定不变的，所以水平雪崩对这种处理方式不会产生影响。

(3) 系统雪崩为一部分或多部分DCS系统设备的故障和恢复,在某个或某几个系统上下电时，会产生故障报警、故障恢复等信号，此时数据传输量和正常情况下基本相同，故对系统负荷及性能影响较小。

综上所述，核电厂安全级DCS垂直雪崩工况对性能指标的影响最大，所以本文主要研究垂直雪崩工况下的响应时间。

1.2 响应时间分析

1.2.1 信号传输路径分析

响应时间的大小和信号的传输路径有关，涉及的系统越多、路径越长则响应时间就越大，测试的目的是验证响应时间是否满足预期，所以需要遵循最长路径原则，选择路径最长的信号进行测试，故选择路径如表1 所示。

表1 响应时间传输路径

信号从SLC通过Safety Bus 和COM柜经过Safety System Bus传送至L1bGWP-1E，然后送至L1bGWP-NC，经过NI Control Network送至NI Server，再送到PICS network，经过Cal. server处理后再经过PICS network送至(NC-VDU)显示, 如图1所示。

1.2.2 信号传输指标

整个信号处理流包括：① 信号扫描周期时间(TS)；② CPU运算处理时间:(TC)=TS×S(S为CPU负荷率)；③ 网络中的传输时间。各系统所需时间如表2所示。

图1 响应时间信号传输路径图Fig.1 Route of Response time

序号系统名称扫描周期时间(TS)/msCPU处理时间(TC)1SLC①100S1*TS12SafetyBus②50—3COM③100S3*TS34SafetySystemBus④100—5L1aGWP(Safety)⑤200S5*TS56L1aGWP(None-Safety)⑥200S6*TS67NIControlNetwork⑦10—8NIPartServer⑧500S8*TS89PICSNetwork⑨10—10Cal.Server⑩500S10*TS1011OPS(NC-VDU)250—

在实际运算中要考虑到响应时间最大延迟的情况，按照CPU在第一个周期内未扫描到输入信号计算，所以经过系统的最大时间T=(1+S)TS[6、7]，同样的道理，需要按照机柜的负荷率计算出相应中间设备的响应时间，故得到：

T总=(1+S1)TS1+TS2+(1+S3)TS3+TS4+(1+S5)TS5+(1+S6)TS6+TS7+(1+S8)TS8+TS9+(1+S10)TS10+TS9+TS11=170+50+170+100+340+280+10+700+10+700+10+250=2790ms

(根据各系统CPU负荷率，得到S1=70%；S3=70%；S5=70%；S6=40%；S8=40%；S10=40%)

根据以上分析计算可以得出响应时间理论分析的最大值为T总=2790ms=2.790s。

2 高负荷响应时间测试设计

2.1 测试装置设计

使用信号发生器、过程控制仪表等传统测试工具局限性较大，效率低，无法同时注入多通道信号。为了提高测试质量和测试效率，开发了一种接口便利、可对多通道同时注入信号的实用新型测试装置。

测试装置[8](Test Device)采用NI公司的PXI硬件平台，结合Lab VIEW软件开发能够根据不同工况接收来自程序的信号并将其发送至DCS系统环网中。根据高负荷测试的工况，可以自定义注入信号的输出值，向安全级DCS相关系统注入信号。

操作人员在人机界面操作测试装置；测试装置通过硬接线与DCS系统连接，将信号注入DCS系统机柜。根据测试需要将测试装置的输出端接入DCS系统机柜的相应输入端，按照高负荷工况设定好需要变位的信号，点击开始按钮，测试装置会在一段时间内开始向DCS系统机柜输入1200个数字量点、200个模拟量点的数据变化，触发DCS系统机柜相应数据变化，以模拟高负荷工况。此时使用精密示波器对信号传输的响应时间进行测试,高负荷测试示意图如图2所示。

图2 高负荷测试示意图Fig.2 The schematic diagram of Avalanche test

2.2 响应时间测试设计

使用模拟量仪表在L1机柜段注入模拟量信号，并在信号注入的同时构建测试回路(加电阻等方法)，使得输入信号转变成电压信号记录在高精度示波器上，示波器将这一时刻作为输入时间起始点T1，信号输入后，在DCS系统中进行处理和传输，最后通过网关等设备传送到L2层显示器上，在显示器一侧观察数值的变化或者报警的产生，用光电倍增管来获取输出时刻T2，(光电倍增管的作用是把输出变化转变为电压信号)记录在同一台示波器中，输出时刻T2减去输入时刻T1，即是所要的响应时间T=T2-T1。如图3所示。

图3 响应时间测试原理图 Fig.3 Schematic drawing of testing response time

3 响应时间测试及结果分析

3.1 测试工况分析

以垂直雪崩工况为例,使用信号发生装置向DCS系统中发送信号、使DCS系统中各信号点按照雪崩工况的要求进行变位，在此情况下测试系统响应时间。数字量选择1200个点在0、1之间变化，模拟量选择200个点在量程为0%和100%范围内变化，各时间段内模拟量和数字量点的变位情况如图4所示。

其中横坐标表示时间(s),纵坐标表示单位时间内变位点的个数(n/s)。

图4 垂直雪崩工况数据变化趋势图 Fig.4 Data-changing Trend in vertical Avalanche

3.2 测试准备

(1) 搭建测试环网：将信号发生装置连接到环网中。

(2) 确认各机柜环网连接完好，通讯正常，各机柜指示灯处于运行状态，将机柜报警消除。

(3) 将信号发生装置的信号输出端连接至DCS系统的相应端子上。精密示波器从信号发生装置与反应堆保护系统之间的电阻上取输入信号，从NC-VDU上使用光电倍增管取输出信号，测得的时间差即响应时间。

(4) 根据高负荷工况数据变位图可知高负荷工况时，系统在信号传输的15s时，数据变化量最大，故测试时机选择在15s时进行。

(5) 为保证信号输入输出的准确性，专门设计了测试表格，如表3所示。

表3 高负荷响应时间测试表格

3.3 测试执行

(1) 按照上述表格搭建测试回路：

准备好可以加电流信号的模拟量仪表以及测试所需的电阻等工具并搭好测试回路，使用模拟量仪表向端子4KCS156BN-C9,C10输入电流50mA，确认此时NC-VDU上报警点4RIC203KA状态为OFF，将输入电流从50mA下降到40mA，确认此时NC-VDU上报警点4RIC203KA状态变位ON。

(2) 连接示波器

将输入输出信号接入精密示波器，设置好挡位及量程，输入采集串入电阻两端的电压信号变化节点，输出采集的是通过光电倍增管转化OFF/ON状态的电压信号。

(3) 记录响应时间

响应时间T等于光电倍增管采集到的输出变化的时间点T2减去输入变化时间点T1，对响应时间数据进行记录，如图5所示。

图5 响应时间测试波形图Fig.5 The waveform figure of testing response time

3.4 测试结果与数据处理

在高负荷工况中,数据变化事件(点)的个数是不断波动的,所以验证响应时间的时机至关重要，在相同时间内，数据变化事件(点)越多对响应时间的影响也就越大，所以需要在数据变化事件(点)的峰值位置进行测试。

通过前文响应时间分析，高负荷响应时间是由一系列不可预期的独立随机因素叠加所得，故具有很大随机性与不确定性，因此针对高负荷响应时间连续重复测试100次，得到结果如表4所示。

表4 高负荷工况响应时间测试结果

续表

根据统计学理论[5]，该响应时间数据符合正态分布的规律，对这些数据进行正态分布拟合处理，得到正态分布的特征参数N(μ，σ)=(1.820s, 4.460),数据直方图和正态分布拟合曲线如图6所示。

在数据直方图中，横坐标代表响应时间的区间段,单位(ms),纵坐标代表在各个区间段内的数据个数(n)，由图可知数据分布情况，其符合正态分布规律，如表5所示。

图6 响应时间分布的直方图和正态拟合曲线Fig.6 Column diagram and normal distribution curve of response time

序号12345678910111213区间/ms13521430150815861664174218201898197620542132221022881430150815861664174218201898197620542132221022882662个数/n11239172521117111

根据正态分布的概率密度标准方程，有：

(1)

式(1)中，μ——正态分布均值;

μ=(X1+X2+…+X100)÷100=1.820s；XMAX=2.662s;

由计算式可得置信度为95%的μ值区间为[1.586,2.288]s, 从而可得DCS系统高负荷测试响应时间在1.586s至2.288s之间的可信度为95%。理论最大值为2.790s，实测最大值为2.662s，二者相互符合较好。

4 结论

对高负荷工况下响应时间指标进行理论分析，得到其理论最大值；设计了一套高负荷测试方案及测试方法，经过实际测试并分析测试结果得到以下结论：

(1)DCS系统高负荷响应时间的抽样测试结果在指定区间内符合正态分布规律。

(2) 响应时间理论最大值与实测最大值相互符合较好，高负荷工况下系统性能指标能够满足设计要求,本测试方案可以应用至工程测试中。

致谢

感谢在论文编写过程中各位领导和同事给予的大力支持,感谢专家老师提出宝贵的指导意见。

[1] 王少威等. 基于MELTAC-N平台的核电厂安全级DCS环网研究与测试[J].机电工程,2015,32(1):124

[2] 张冬冬，蒙海军.红沿河核电站安全级DCS控制系统设计[J].电力建设,2009, 6: 66-68.

[3] 郑伟智,李相建等.核电站安全级数字化仪控系统设计标准分析研究[J].核科学,2008.6.

[4] 芶国楷等.核电站安全分级对DCS系统设计影响分析[J].核动力工程，2011,32(5):23-28.

[5] 盛骤，谢式千，潘承毅.概率论与数理统计[M].北京：高等教育出版社,2008.

[6] 汪济宁等.核电厂反应堆保护系统紧急停堆响应时间测试[J].核动力工程，2012,33(2):6-7.

[7] 郑伟智，李相建，朱毅明.核电站数字化反应堆保护系统停堆响应时间分析[J]. 自动化博览，2010, 8:76.

[8] 程启英等.虚拟装置在核电站DCS系统工程测试中的应用[C].深圳：核能行业核电厂调试启动研讨会，2010:304-305.

Analysis and test of Respond time of Nuclear Power Plant Digital Control System to Avalanche

SUN Xue-hui，LIANG Zhong-qi，QIE Yong-xue, LIU Xiang-dong

(China Techenergy Co.,Ltd, Beijing 100094)

The paper gives a brief introduction of the structure of nuclear power plant Digital Control System and theoretical analysis of the response time in avalanche condition. The related test device simulating avalanche condition was designed, the test method was established and the test work is conducted. The test result shows that the experimental data of avalanche response time accords with the theoretic data. The results of sampling test accord with normal distribution and the confidence interval can prove the reliability of the test method. The scheme can be applied to engineering tests and it has certain reference value to the factory test of the other nuclear power plant.

Nuclear power plant；Digital control system；Avalanche；Response time

2016-07-27

孙学慧(1984—)，男，黑龙江人，工程师，现主要从事核电厂DCS保护系统设计与测试方面的工作

TL362+.1

A

0258-0918(2016)06-0843-07