核电厂DCS全范围验证系统0层设备仿真的实现

核电厂DCS全范围验证系统0层设备仿真的实现随着国内的核电站建设规模不断增大，为了提高核电的自主供货比例，研

制开发国产核电站用DCS势在必行。因此，对于核电DCS平台的仿真验证工作变得非常重要。仿真验证工作的关键，是在于如何更真实、更高效地对设备层（0层）进行模拟。论文基于实际工程实施，讲解了一种0层设备仿真功能的实现方式和原理。

【Abstract】With the increasing scale of nuclear power plant construction in China，it is imperative to develop the domestic DCS for nuclear power plant in order to increase the proportion of independent nuclear power supply. Therefore，the simulation of the nuclear power DCS platform is very important. The key of simulation verification is how to simulate the equipment layer （0 layer）more realistically and efficiently. Based on the implementation of the actual engineering，this paper explains the realization mode and principle of the simulation function of 0 layer equipment.

标签：核电DCS；验证样机；非安全级

1 引言

近年来，国内的核电站建设规模不断增大，在建和商运核电站DCS系统几乎全部用的是国外系统，中核控制系统工程有限公司所自主研发的Nicsys 2000 DCS平台，力图打破这一外国产品大量垄断的局面。然而核电站对于DCS系统稳定、可靠性比其他DCS系统的要求高，为验证新的DCS平台能否在核电站非安全级DCS系统可靠、稳定的运行，参照在运行的某核电站DCS系统，公司在内部搭建了一套非安全级DCS系统工程样机，以验证NicSys 2000平台的可用性[1]。

2 验证系统组成

为了验证Nicsys 2000系统的可靠性，本系统中采用实物模拟方式，在工程样机中使用真实硬件和软件来复现参考核电机组的全部子系统。虽然由于大量采用DCS硬件，增加工程机成本，但是使用DCS真实硬件和软件最大限度地实现仿真。彻底消除模拟机DCS与实际DCS的不一致以及偏差。典型的DCS系统分为0层现场设备层（泵、阀门、仪表）；1层过程控制层；2层操作监控层和信息管理层。

①核电站现场的0层是独立的设备，设备的运行状态通过电缆或者通讯连接到DCS 1层，在DCS样机系统中，不可能有这么多的现场设备，但为了实现仿真DCS系统的仿真运行，在工程样机中设立独立的服务器来仿真0层电站真实设备的运行状态和仪表信息。它通过DCS 0-1层通信接口程序通过电缆和通讯与DCS1层进行信号数据交互。②过程控制层（DCS1层）的控制系统工程非常复

杂，一般采用分系统的方式对控制工程进行划分，并下装至不同控制器中。因此一个核电控制过程一般包含多台控制器，控制器之间通过局域网络完成站间数据通信；而且，各个控制器作为独立的个体向操作监控层交换数据。③操作监控层（DCS2层）主要面向现场操纵员，它收集DCS1层的输出数据，进行工艺流程图的显示、重要参数的趋势监测，并根据操纵员的指令进行系统控制。DCS2层的操作指令则按照上述过程的反向反馈进DCS0层，由此形成整个DCS系统的信息闭环。

3 0层仿真模型服务器实现的功能

仿真模型软件以M310核电机组為参考机组，为DCS全范围验证系统提供一个电厂实际工艺系统的仿真平台，与DCS一层、二层连接，构成一个完整的电厂系统，用于Nicsys 2000系统的验证。模型软件将实时再现核电厂的性能与行为，所有在模拟的计算机工作站上观察到的现象以与参考机组的实际响应相同的速度显现出来。模拟的质量保证系统的响应与实际过程基本一致。

仿真模型软件的模拟范围涵盖维修冷停堆状态至满功率运行状态、各事故状态以及包括运行规程（包括在停堆换料期间的电站状态）内的全部范围。也就是说仿真模型能够尽可能地模拟参考机组在所有电厂工况下的行为，如：①参考机组正常操作，包括主回路系统的排水及半管运行等；②在任何正常运行状态期间的异常扰动；③事故运行（包括所有设计基准事故和部分超设计基准事故）。

仿真模型软件对参考机组的所有系统特性进行完全的、综合的和实时的仿真。各系统模型提供与其他相关仿真系统之间的接口，提供一个针对参考机组正常、异常和电站事故工况条件下以连续的和重复方式进行的完整和实时的模拟。仿真模型软件的响应不允许出现误导操纵员或导致操纵员不适当的动作等明显偏离参考机组实际响应的行为。仿真模型软件对各系统中的设备和部件如电机、泵、阀门、调节器等的动态运行特性和运行状态进行模拟。计算机化的人机界面系统应以一个合理的方式进行模拟，确保仿真模型软件对该部分系统模拟的逼真度。

工艺过程模型基于物理原理、参考机组的PI&D图，功能图，SAMA图等，真实地反映电厂实际状况。所有模型都将基于“最佳估计”模型，而非“保守”模型设计。调节器的物理原理和运算都以数学模型的微积分和代数等式进行描述，特别是质量、能量和动量守恒定理将用于模型等式的推导[1]。控制逻辑将用布尔方程进行描述，功能图等应维持原样导入并进行自动数据链接。在仿真模型中主要包括了堆芯物理学或动力学模型、堆芯热工水力模型、安全壳模型、汽轮机模型、发电机模型及其他设备部件模型。仿真真实电站工艺过程，系统功能是以被测物理变量和过程状态等式来完成描述的。除状态变量外，工艺过程模型的输入数据，包括其他模块的计算变量、泵状态、阀和风机的远程和就地控制，故障的狀态变量信息和外部的参数都在仿真模型软件中设定。

4 0层设备仿真的实现方案