核电站数字化仪控系统可靠性分析方法研究

核电站数字化仪控系统可靠性分析方法研究

郭晓明

【摘要】：在核电领域，采用数字化仪表与控制系统是先进型反应堆的一个重要特征。数字化系统通过增加硬件系统的可靠性和稳定性，减少人因失误，提高故障检测能力等方式大幅度提高电厂的安全性。当前的在运核电站中正逐步采用数字系统来取代模拟仪控系统，而在建、筹建的核电项目中已经全面将数字技术整合到其设计中。与此同时，数字化仪控系统的应用也带来了一些新问题。由于采用数字化仪控系统后，电厂需要采用大量的微处理器（CPU）及配套的软件和I/O卡件等，并经过逻辑设计将软件和硬件联系起来共同实现系统的预设功能，它可能会因设计中存在的不足或收到特殊的混合型输入的触发而导致失效。因此，虽然数字化仪控系统被普遍认为可以提高核电站的安全性和可靠性，但仍有待通过对数字化系统的可靠性进行系统的评估来加以验证。迄今为止，还没有一种得到一致认可的数字化系统可靠性评价方法。本文重点讨论了传统概率安全分析方法（PSA）和动态方法在数字化系统可靠性分析中的适用性，根据各个方法的特点，选取了合适的系统模型，分别应用传统故障树方法、动态流图法以及Markov/CCMT方法进行构模，并对结果进行了讨论。传统的故障树方法已被广泛的应用于核电厂PSA分析中，可通过组合系统组件的故障模式来模化数字化系统的失效，具有强大的灵活性。但传统的故障树方法对于数字化系统的特性分析显得过于保守和不足。动态流图法（DFM）具有动态的特性，可表征系统变量和时间的关系，并可用于诊断评估由软件失效、硬件失效以及环境条件等因素对系统的影响。Markov/CCMT模型能够将结合软件的失效和硬件结合起来，一个完整的Markov/CCMT模型包含了系统所有状态的转移链，而通过这些离散状态的转移也构建出了系统结构的完整画面。最后，在对现有的数字化系统可靠性分析方法进行了总结的基础上，对软件可靠性的评估进行了分析和归纳，并重点介绍了应用故障注入技术获取数字化系统数据的方法原理以及步骤。

【关键词】：数字化仪控系统动态方法概率安全分析软件可靠性

【学位授予单位】：清华大学

【学位级别】：硕士

【学位授予年份】：2011

【分类号】：TL364.1

【目录】：

摘要3-4

Abstract4-9

主要符号对照表9-10

第1章引言10-19

1.1 核电站仪控系统技术概述10-11

1.2 数字化仪控系统可靠性分析国外研究现状11-16

1.2.1 技术路线综述11-15

1.2.2 数字化系统中的软件失效率分析研究现状15-16

1.3 数字化仪控系统可靠性分析国内研究现状16

1.4 本文主要研究内容及结构16-19

第2章传统故障树方法在数字化仪控系统可靠性分析中的应用19-31 2.1 传统故障树方法在数字化保护系统中的适用性讨论19-21

2.1.1 反应堆数字化保护系统的特点19-20

2.1.2 在AP1000 数字化保护系统可靠性分析中的应用20-21

2.2 典型反应堆数字化保护系统介绍21-23

2.3 信号失效分析过程举例23-26

2.3.1 数字化保护系统FMEA 分析与建立23-24

2.3.2 故障树模型的构建24-26

2.4 建模难点分析26-28

2.5 本章小结28-31

第3章DFM 方法在数字化仪控系统可靠性分析中的应用31-45

3.1 DFM 方法介绍31-32

3.2 典型数字化保护系统的DFM 模型32-35

3.3 数字化双微处理器控制系统的DFM 模型35-42

3.3.1 数字化双微处理器（CPU）控制模型及构模假设35-37

3.3.2 DFM 模型的建立37-42

3.4 模型求解42-44

3.4.1 质蕴含分析与求解原则42-43

3.4.2 定量化分析难点讨论43-44

3.5 本章小结44-45

第4章Markov/CCMT 模型在数字化仪控系统中的应用45-59

4.1 Markov 方法和CCMT 方法45-48

4.1.1 Markov 方法和CCMT 方法介绍45

4.1.2 应用传统Markov 法对双CPU 控制系统的分析45-48

4.2 Markov/CCMT 模型方法概述48-51

4.2.1 Markov/CCMT 方法特点48-49

4.2.2 Markov/CCMT 方法应用步骤49-51

4.3 系统级双CPU 系统Markov/CCMT 模型51-56

4.3.1 系统级双CPU 系统Markov/CCMT 模型的建立52-54

4.3.2 模型求解54-55

4.3.3 与DFM 方法质蕴含结果的比较55-56

4.4 部件级双CPU 系统Markov/CCMT 模型分析56-58

4.4.1 CPU 部件级Markov/CCMT 模型56-57

4.4.2 Markov/CCMT 模型的简化57-58

4.5 分析与讨论58

4.6 本章小结58-59

第5章数字化系统软件可靠性分析方法探讨59-71

5.1 软件可靠性分析方法59-63

5.1.1 软件可靠性分析综述60-61

5.1.2 方法总结61-63

5.2 故障注入方法63-70

5.2.1 故障的概念63-64

5.2.2 故障注入法64

5.2.3 故障的属性与故障注入技术的边界条件64-66 5.2.4 方法介绍66-69

5.2.5 结果处理和分析69-70

5.3 本章小结70-71

第6章结论与展望71-74

6.1 结论71-72

6.2 需进一步展开的工作72-74

参考文献74-77

致谢77-78

附录A 典型数字化保护系统FMEA78-81

附录B CPUA 部件级FMEA81-85

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果85