非能动安全型核电站运行预警系统设计

非能动安全型核电站运行预警系统设计

摘要：本文针对核电站运行的安全问题，提出了核电站自动化运行的预警机制，分析了建立该机制的重要性，通过构建虚拟核电厂的仿真模型，设计出具备现实

意义的核电运行预警系统。

关键词：核电站；预警系统；验证平台；设计

引言：

伴随着计算机、网络技术的快速发展，预警实现方式已经从理论归结、数学

公式转换为了模拟程序化，采用性能较高的计算机进行运算，从而提前察觉危险，给出警示，其在各个方面得到了广泛应用和推广。将计算机仿真技术和预警技术

相互结合到一起，系统的提出核电运行预警系统。

1 核电运行预警系统

1.1 建立预警系统的实质性原因

核电本身作为清洁能源，是国家发展的重要能源。核电具备低污染和经济性

能高的特点，其风险性较高，发展核心已经从经济性转换为了安全稳定性。仪控

系统是核电站运行的中枢神经，指挥和控制着每一个泵、阀门等设备，担任着保

护整个核电站安全的职责。从概率角度来看，仪控系统存在一定的系统失效风险，比如因版本升级带来的问题、DCS系统通信协议的可靠性问题、系统模块之间的

不兼容阴极软件硬件接口不稳定等，这样一来，就要求设置一个完整的报警、预

警以及监控系统。目前，实时报警技术以及监控系统已经被广泛应用于核电站中，而预警技术还没有得到明显应用。根据报警以及监控系统特点，提出预警设计，

它能够在事故发生之前，提供给操纵人员准确的警示信息，以此判断存在的安全

风险、事故、电厂扰动以及设备故障等事件。其中，预警系统的建立要包含以下

几点：

第一，提示操纵人员和仪器维护人员电厂处于异常状态，便于操纵人员及时

采取措施。

第二，通知操纵人员和仪器控制维护人员电厂发生故障情况，比如电厂系统

状态发生变化、非预期事件。

第三，引领操纵人员进一步获取和诊断发生的事件所需的信息，以此帮助制

定和修改措施。

第四，提供给操纵人员的报警信息要具有明确的响应动作。

1.2预警原理

预警是通过条件报出实现的，将实时监控得出的仪器系统综合运行数据、系

统自检数，和正常状态数据相比较，获取仪控系统动态运行的不正常数据，进而

得出特征条件，判断系统是处于正常运行状态还是偏离情况，触发预警系统动作。在预警系统接收到触发命令以后，验证平台仿真模型开始进行模式计算，获取在

当前时间之前的结果，从而提前得知仪控系统故障可能影响的范围，以此警示操

纵人员或者维护人员，提前做好措施。

1.3特征

预警特征条件一般是在三个环节中实现，基于物理参数阈值的预警、基于响

应时间的预警以及基于控制约束的预警。对于此种形式的特征，现有的报警系统

已经存在足够的条件数据库，预警系统要按照预警实际要求和重要性进行选择，

从而建立出预警条件库。

第一，基于物理参数阈值的预警。根据提前设定好的物理阈值，监控动态变

化的核电站物理参数，包含过程变量、保护变量等。当监控参数超过正常阈值的范围时，将触发预警。此种预警是核电站最直接、最传统的监控模式。

第二，基于响应时间的预警。按照审计原则定义的标准时间，通过仪控系统获取自检时间参数，将其和正常数据相互比较在一起。当响应时间超出正常响应时间区域的是偶，便和报警条件相符合，仪控系统实施报警，比如，某机组反应堆停堆落系统的时间要求不超出0.5S，喷淋注水的时间延迟参数为40S，系统的自检时间参数和以上储存在预警数据库中的正常数据相比较而言，可以很快辨别DCS系统实际运行情况，根据特征发出预警。

第三，基于控制约束的预警；控制约束主要是指不同控制单位或者控制指令之间的关系，这些符合安全控制约束构成约束集合，在实际运行中，如果控制动作指令不符合控制约束集合，立刻预警，提前响应时间，达到预警效果，比如反应停堆必定会引起安全设施驱动系统动作等。不管是特征还是预警条件库，都必须严格遵循分类设置，对于级别设置的不同性，预警报告和警示设计不同。根据实时报警级别，将其分为4个类型，具体分类方式如下所示：

图一预警特征条件优先级定义表

2 仿真技术

2.1 仿真模型

现有的仿真技术是在数值计算学、微积分以及动力学和热力学等理论中，汇集计算机计算、网络通信技术以及显示技术为一体的综合学科。仿真技术是建立在虚拟核电厂之上的，也就是建立一整套设备模型和电气模型。仿真模型是多有仿真产品的中心点，只有满足极高的精度和时度要求，才可以达到培训以及验证要求，预警系统也是这样。

2.2 快时模式

快时模式经常应用于核电全范围模拟机中，为了减少培训时间，对电站过程中长时间不需要人工以及自动动作发生的缓慢过程，进行快速处理。它和实时模式、慢速模式一起形成仿真支撑平台。在验证期间，为了减少成本输出，快时模式作为基本需求得到完美实现。快时模式通过将仿真模式加倍频率运算，在较短时间内完成实时模式时间长度的运行结果。比如阀门关闭行程时间实际为60S，在4倍快时模式下，15S便可以关闭阀门。从以上分析可以看出，快时模式对预警系统应用具有重要的意义。当发生预警特征条件的时候，触发验证平台快时模式就算，检验出可能出现的危害性，给予维修人员提示，获取更为宽阔的处理时间。

3 预警设计

3.1 系统结构

系统结构由三部分组成。

第一，预警数据输入模块，它来自于仪控系统，包含两种数据；自检数据，负责传递给预警服务器作为预警服务器特征条件之一，触发预警系统快时模式；过程数据；提供非能动核电站当前状态过程值，作为验证平台的初始状态参数。

第二，预警处理。包含三块。验证平台，预警处理模块的重要组成部分是基于成熟应用于多个非能动核电站上，以此替换真实电站设备管道，将特征条件时间后未来可能产生的后果进行预现。软控制器；又被称之为虚拟DPU，它和真实控制器功能相同，能够配置成仪器系统控制器，更新处理状态。预警系统设计不采用验证平台本身已有的仪控模型，改为应用软控制器作为仪控模型，只有最真实状态才可以满足预警系统需求。预警服务器，专门判断仪控系统自检数据，根