核电厂安全性能监督系统实现技术研究

周健文，顾诞英，马 骏

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233）

0 引言

当前，核电厂在调试、设计、运行、维护等阶段，缺乏统一且集成的管理平台，导致许多信息无法共享。同时，随着核电厂信息化规模的不断提高，如何有效存储、方便利用、深度挖掘核电厂全生命周期内大量的、有价值的生产数据并进行深层次分析，提高核电厂的运行管理水平，提升电厂的安全性、可靠性和经济性，已经越来越显示出其必要性。

在这样的背景以及工业4.0 和中国制造2025 的共同推动下，数字化核电厂已成为当前核电厂的必然发展方向。本文提出了核电厂安全性能监督系统（以下简称安全性能监督系统）的概念，将数字化和智能化技术引入到核电厂仪控系统中，是构建数字化核电厂的关键技术。

1 安全性能监督系统简介

1.1 基本概念

安全性能监督系统的本质是一个融合计算机技术、控制理论、人工智能、管理科学、决策科学等学科与技术于一体的数字信息处理系统。它通过获取核电厂实时数据网中原有的控制与保护相关的信息和专为安全性能监督系统设置的信息，按照特定的算法进行处理后，呈现给核电厂的业务人员（如核电厂操纵员、维护人员、设计人员等），为核电厂的业务提供信息支持。从概念上讲，所有如数字化仪控系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）等高级控制系统以及属于系统与设备的信息，均可作为安全性能监督系统的底层支持平台，为系统提供数据源。因此，安全性能监督系统具有丰富的内涵。

同时，安全性能监督系统应是集中整合了全厂电力生产过程的工艺流程和实时数据（包括属于系统与设备的信息），可利用生产实时数据进行二次开发的高级应用功能软件。如安全状态监测、运行性能监测、设备可维修性监测等，只要是功能成熟的，并且在具体应用实践中能够对电力生产过程进行动态分析、监测、计算、优化和管理的，或提升电厂安全性、经济性的功能模块，均可纳入该系统的范畴。因此，安全性能监督系统具有广阔的外延。

1.2 作用

根据安全性能监督系统的定义，应在电厂中发挥以下几个方面的作用：

1）集中管控：实现电厂全生命周期的信息存储和实时共享，实现数据的集中管理与使用。

2）实时互联：建立电厂管理人员与操纵员的实时互联，提高现场决策与处置能力。

3）信息处理：通过采用各种先进的数据处理方法和模型，实现信息的高效处理与挖掘，并为电厂相应人员（操纵员、运维人员等）提供状态、操作指示。

4）精细管理：为电厂管理人员提供维护和管理建议，实现电厂由粗放式管理向精细化转型，提高电厂的经济性。

同时，面对不同的服务对象，安全性能监督系统的数据处理和数据呈现应各有侧重，其应用场景包括：

a）为操纵员提供运行服务、事故信息、数据分析、故障诊断等信息。

b）为运维人员提供设备状态、疲劳监测、趋势分析、性能监测、故障诊断等信息。

c）为电厂决策层提供电厂关键信息，及时的事故信息、应急响应等技术支持。

d）为设计院提供全面的电厂运行与维护数据，同时便于设计院为电厂提供先进的电厂分析、持续的运维支持和辅助决策支持。

2 系统建设方案

2.1 相关技术调研

图1 系统结构形式Fig.1 System structure

国内核电领域，中广核正在开展“智能电站”“智慧电站”相关研究与建设，目标是解决核电设计与建造无缝衔接问题，实现核电站从建造到运行全生命周期的数字化管理。目前，已开展三维协同设计、可视化施工和全厂数据的收集[1]；中核集团以福清核电5、6 号机组为依托项目，启动“数字核电”专项工作，目前基于西门子+达索平台，实现集团层面的项目进度浏览、物资报备等；国家核电致力于基于大数据的智能化核电厂运维服务支持平台，目前已实现了操纵员支持系统、疲劳监测系统、风险监测器等系统的开发。国外的EPRI、NRC、HALDEN 等研究机构也都对核电厂的智能化监测发布了相关的报告和标准，EPRI 研究了从传感器、数据的获取到电厂的系统平台、工具、软硬件技术到可靠性监测、系统设备的健康管理、故障诊断到最后的信息的呈现这一系列的关键技术；NRC 和HALDEN 则重点研究了仪表校准、神经网络算法和大数据等技术在设备监测诊断方面的应用[2-8]。

2.2 系统结构形式

安全性能监督系统是一个非常复杂的信息处理系统，建设周期较长。根据2.1 的相关技术调研，本文将首先提出安全性能监督系统的结构形式，在此基础上进行架构设计和功能设计，逐步完成安全性能监督系统的建设。

根据安全性能监督系统的定义，该系统应是一个以软件为核心，包括硬件的计算机信息处理系统。概括来说，应由数据获取、数据处理、数据呈现3 大模块组成，如图1 所示。

2.3 架构设计

在目前通用计算机技术广泛应用的条件下，安全性能监督系统在实现上不存在不可克服的技术困难。为了满足核电厂现阶段需求和长期发展的要求，需特别关注技术的成熟性、通用性、可扩展性与可靠性。因此，在安全性能监督系统的系统架构设计中，充分选用成熟的网络技术和计算机技术来构建安全性能监督系统。其系统架构如图2所示。

2.4 功能设计

图2 安全性能监督系统架构Fig.2 Architecture of safety performance monitoring system

安全性能监督系统的核心应用功能主要包括3 大版块：安全状态监测、运行性能监测、设备可维修性以及在此基础上利用大数据、云计算、数据仓库等技术，实现数据的更深层次的挖掘。具体实现功能如下：

2.4.1 安全状态监测

安全状态监测主要目的是确定当前电厂的运行状态是否安全，一旦发生事故可诊断出发生了何种事故，并给出用以事故缓解的系统和设备的可用状态，从而为优化事故缓解方案提供支持。

安全状态监测可包括：堆芯运行限值、6 大关键安全功能、紧急停堆条件、安保条件、安全壳压力及放射性监测以及用以事故缓解系统及设备的可用状态。

2.4.2 运行性能监测

运行性能监测的主要目的是用以确定电厂的运行状态和运行性能，各系统的使用及可能产生的疲劳情况，从而为优化电厂运行提供支持。

运行性能监测范围主要包括：主要系统性能监测、热工裕量、燃料性能等，具体监测诊断内容如下：

1）主要系统性能监测

具体按能量传递过程划分，主要系统包括：堆芯、蒸汽发生器、汽轮机、发电机、电网等。

2）热工裕量监测

当前，电厂系统的运行状态点与运行限值之间的裕量，包括偏离泡核沸腾比、过冷度等裕量监测。

3）燃料性能监测

用以反映燃料性能，包括燃料棒中心温度、热流密度、燃料棒内压、包壳破损程度等。

2.4.3 设备可维修性

图3 系统首页界面示意图Fig.3 Schematic diagram of system home page interface

安全性能监督系统采用先进的数据处理技术，实现设备系统故障的快速导出、故障分析与诊断、故障预测与预警。若发生故障时，能够快速找出其故障首出原因、保护动作顺序，实现对故障进行快速分析，缩短故障分析处理时间，同时综合分析故障前后相关信息，结合设备/系统模型及运行经验，指导故障维修。故障预测与预警，是对设备存在的风险和隐患及时提醒，指导电厂管理部门确定发电计划、检修计划及更新改造计划。监测的对象主要包括主设备、控制棒驱动机构、泵、阀、风机、仪表等。

2.4.4 大数据分析

由于安全性能监督系统的目标是整合全厂所有机组的数据，在实现了进阶阶段的应用功能后，安全性能监督系统中将产生大量的与安全、性能和设备可维修性相关的数据，并且这3 大应用功能彼此间必然存在着较大的相关性和耦合性，如何更深层次地分析相互之间的相关性，避免冗余、矛盾的数据，在安全、性能、维修的3 个维度以最直观的呈现方式给电厂的运维、管理决策层提供参考，是当前核电厂实现智能化的关键技术。

要实现上述目标，必须依赖于大数据分析技术。大数据分析的定义是指从大型数据库或数据仓库中提取出隐含的、先前未知的、对决策有潜在价值的知识和规则。利用大数据技术，不仅可以描述过去数据的发展，还能够进一步预测未来的趋势。数据挖掘作为一门交叉学科，它可以把人们从数据的应用从低层次的简单查询，提升到从数据中挖掘知识，提供决策支持。

大数据技术涉及了许多领域，有概率统计、信息论、运筹学、模式识别、人工智能、计算机仿生、计算机图形学等。通过近20 年的积累，国外在这一领域研究成果众多，特别是在决策树、神经网络和规则生成方面。在核电乃至工业领域，大数据分析的研究起步较晚，但已具备了较为丰富的理论基础，大数据在核电领域的应用将显著提升核电厂的智能化水平。

3 原型开发

本文具体以4 个应用功能作为实例，按照安全性能监督系统的架构设计，完成了4 个实例的开发。4 个实例采用了4 种典型的不同的集成方式，以验证系统方案建设的可行性和架构的灵活性。

3.1 总貌

安全性能监督系统首页如图3 所示，其中包括了安全状态监测、运行性能监测和设备可维修性3 大应用功能链接和电厂主要性能指标。

3.2 集成

在原型开发中，选择了4 个实例与安全性能监督系统进行集成，具体集成方式如下：

1）数据智能分析应用功能作为实例一，直接在安全性能监督系统平台上进行算法组态，通过获取平台数据库内的历史数据进行分析。该应用通过7 天的常规岛历史报警数据，基于温度、预警数、发电效率等主题从数据清洗、数据仓库维度确定，数据分析、数据呈现等方面，示意性地展现了大数据分析的流程。

2）智能报警诊断系统作为实例二，智能诊断模块已进行开发并封装成DLL。安全性能监督系统平台通过调用DLL 并在系统平台上组态相应的界面，实现智能诊断的应用。

3）电厂模式计算应用功能作为实例三，以独立的程序，运行于应用服务器，采用数据库通信，借助数据接口实现与安全性能监督系统的数据集成，有独立的用户界面和维护界面。

4）安全壳泄漏率监视应用功能作为实例四，运行于移动设备（Android 手机），采用网页链接的方式与安全性能监督系统进行集成，基于WEB 方式显示安全壳泄漏率监视的运行界面。

4 总结

在工业4.0、中国制造2025 推动智能技术的快速发展和社会对安全、经济运行核电厂提出更高要求的背景下，提出了安全性能监督系统，旨在提高核电厂的数字化和信息化水平。重点研究安全性能监督系统的功能设计和架构设计，并在此基础上进行4 个实例的开发，同时采用4 种不同的集成方式与安全性能监督系统进行集成，充分验证了系统技术方案的通用性、灵活性和扩展性，为后续全面开展数字化电厂建设提供有价值的参考。