第28卷  第3期2021年3月仪器仪表用户INSTRUMENTATION
Vol.282021  No.3
反应堆保护系统T2响应时间自动测试装置通道
选择方案研究
尤 兵，陈 伟
（福清核电有限公司，福建 福清 350318）
摘    要：
本文首先介绍了反应堆保护系统响应时间自动化测试装置的开发背景，针对保护通道响应时间T2测试逻辑复杂、工期短、拆接线难度大、隔离措施要求高等特点，提出了开发全自动化测试的方案，结合核电机组保护系统设备布置的特点和安装方案，提出了利用测量电缆作为通讯媒介的方案，论证了自动化测试关键技术通道选择的总体设计方案和具体实现；最后，通过对福清5号机组保护系统响应时间测试的实施，验证了自动化测试通道选择方案的可行性。该方案为其他同类型核电机组的反应堆保护系统响应时间测试自动化装置开发提供了参考。关键词：反应堆保护系统；T2响应时间测试；全自动测试；通道选择
中图分类号：TP202+.2              文献标志码：A
Discussion of the Channel Selection Scheme of Automatic T2 Response
Time Test Device for Reactor Protection System
You Bing ，Chen Wei
（FuJian Fuqing Nuclear Power Co., Ltd., Fujian, Fuqing,350318, China）
Abstract：This paper firstly introduces the background of the development of the reactor protection system response time auto-mation test device, proposes the development of a fully automated test program for the complex logic of the protection channel re-sponse time T2 test, the short duration, the difficulty of disassembling and wiring, and the high requirements of isolation measures, combines the characteristics of the nuclear power unit protection system equipment arrangement and installation scheme, proposes the use of the measurement cable as the communication medium, and demonstrates the feasibility of the overall design scheme and the specific implementation of the channel selection. The overall design scheme and specific implementation of the channel selection for the key technology of the automated test were demonstrated; finally, the feasibility of the channel selec
tion scheme for the automated test was verified through the implementation of the response time test for the protection system of Fuqing Unit 5. The test scheme provides a reference for the development of the reactor protection system response time test automation device for other nuclear power units of the same type.
Key words：reactor protection system；T2 response time test；automated testing；channel select
DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2021.03.027
文章编号：1671-1041(2021)03-0106-04
收稿日期：2021-02-07
作者简介：尤兵（1983-），男，江苏高邮人，硕士研究生，高级工程师，副处长，研究方向：核电站仪表控制。
尤 兵·反应堆保护系统T2响应时间自动测试装置通道选择方案研究
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0  引言
反应堆保护系统（RPR）的主要功能是在异常工况或事故工况下，通过停堆和（或）启动专设安全设施，以防止或减轻堆芯和冷却剂系统部件的损坏，保护三大核安全屏障的完整性，避免引起放射性物质大量逸出，保护核电厂周围环境不受污染以及人员的安全。
GB/T-5204-1994《核电厂安全系统定期试验与监测》[1]的6.3.4节规定了应对安全系统或子系统进行响应时间试验，以验证响应时间在安全分析报告所给定的限值之内。EJ/T1019-1996《核电厂安全重要仪表通道响应时间试验》[2]规定了对安全重要仪表通道进行响应时间测试的要求和方法。
目前，国内核电厂反应堆保护系统响应时间测试主要方式有：基于高精度记录仪和信号发生器进行手动测试，采集触发信号与动作指令，人工计算响应时间[3]；将高精度记录仪和信号发生器结合开发出的便携式响应时间测试仪，同一台设备进行信号触发和采集，并自动计算响应时间[4]。这两种方式的共同点是：试验前需结合机组工况，手动预置保护系统初始化状态，测一个保护组信号前需人工拆接线来更换待测信号组，并手动预置信号。因此，需进行多人在多个厂房内配合实施大量的信号预置、拆接线操作以及测试数据处理。
1  RPR系统T2响应时间自动测试方案
福清核电厂反应堆保护系统由两部分构成：反应堆停堆系统（RTS）和专设安全设施驱动系统（ESFAS）。其中，RTS由4个独立的保护通道（IP、IIP、IIIP、IVP）组成，ESFAS由A、B两个保护
列构成，每个通道和列包含两个子系统，以实现功能多样性。ESFAS接收发自RTS通道的双稳态信号，并进行四取二、三取二逻辑符合，触发安全专设动作[5]。按照反应堆保护系统保护通道和列间电气隔离的设计要求，这些机柜分别部署在安全厂房和电气厂房，在厂房内还分别布置在不同的房内（S821/822/823和L609/611/613/614房间，跨厂房跨楼层）。
基于相关需求，福清核电开发了反应堆保护系统响应时间，如图1所示的自动测试装置。在图1中，3-1为试验集中控制模块；3-2为选择模块；3-3为信号触发模块；3-4为响应时间测试模块；3-5为机组保护组机柜；3-6为机组反应堆多样性保护性系统机柜；3-7为机组安全专设驱动机柜；3-8为机组反应堆保护系统工程师站。3-5至3-8为机组反应堆保护系统既有组成部分，3-1至3-4组成专用试验装置，黑实线表示设备间通过网络通讯连接，黑点划线表示设备间通过硬接线连接。
自动测试装置基于机组既有电缆和反应堆保护系统网络（TXS系统）设计，具备触发多类型信号和信号回路自动选择功能，并能以网络通讯方式自动注入试验初始预置信号，装置具备统一人机界面，支持既有试验规程自动执行，并能实现试验结果自动记录和输出。在该装置开发中，测试装置与各保护通道和保护列之间的信号通讯是开发的难点，本文主要针对该信号通讯模块的开发进行探讨。
2  通道选择方案总体设计
响应时间自动测试的方案是预置逻辑输入初始状态，通过触发停堆信号，采集输出信号，计算输出性与
原始触发信号间的时间差，即为通道的响应时间。结合TXS系统的特点，本装置开发的通道选择模块主要涉及原始触发信号和输出信号，因此通讯系统的设计需要解决两类信号的传输：一类是原始触发信号的注入，另一类是输出信号的采集。
选择模块需实现用一根电缆向反应堆保护系统注入250个保护信号，并将超过70个紧急停堆及安全专设指令信号采集回响应时间测试装置的功能。基于机柜布置跨厂房跨楼层布置的实际特点，如使用硬接线电缆实现信号注入和试验输出结果采集，将需要在厂房和楼层间敷设布置大量的电缆。即使不考虑大量敷设电缆带来的经济性问题，由于电缆系统的设计中未考虑此类电缆的容量，造成电缆托盘无法承载以上电缆，且在电缆孔洞完成封堵以后，新增大量电缆在工程上也很难实施。如果采用光缆或双绞线方式以通讯方式实施，也存在孔洞封堵以后的光缆敷设问题。因此，需在现有条件基础上考虑解决方案。
核电厂电缆敷设设计中，考虑到调试和大修期间需测试响应时间，在计算机房和各保护通道和列之间设计了测量电缆，以供人工测试时注入测试信号和使用记录仪测量输出信号。福清核电项目所用的测量电缆考虑到电磁屏蔽
图1  福清核电反应堆保护系统响应时间自动测试结构图
Fig.1  The structure of RPR test equipment of Fuqing
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图2  通道选择示意图
Fig.2  The structure of channel select
要求，采用的是带屏蔽层的成对线缆，电缆中共8对线径1mm2的芯线，每对芯线均有轻微双绞。因此，考虑使用测量电缆作为通讯介质，使用CAN协议实现通讯。鉴于测量电缆的屏蔽性能低于网络双绞线，且通讯长度最远达130m，为保证长距离通讯的可行性，在实际开发中，通讯波特率设置为125kbps。
此外，由于需要向机柜中多个停堆功能注入触发信号，因而需要向机柜多个端子排分别注入信号。在传统的人工测试方案中，一般由人工在就地机柜侧通过拆接线方式实现，实现自动化测试后，需要同时实现自动切换通道和满足响应时间对传输延时的要求。因此，设计两级切换电路：第一级实现主控制器至保护通道的切换，完成主控制器输出触发信号切换至待测通道；第二级切换实现某一保护通道内具体信号端子的切换，完成触发信号至具体信号端子的切换，建立测试电路。两级切换均采用纯硬件实现，确保传输时间不影响响应时间测试的结果。
3  通道选择模块具体实现方案
选择模块与响应时间测试装置间具备硬接线和控制器局域网（CAN）总线通讯通道，由驱动模块和继电器矩阵组成，其中驱动模块包括CAN协议收发器和选择信号解析器，如图3所示。
3.1  驱动模块具体实现
驱动模块的主要功能是通过CAN协议收发器接受来自响应时间测试装置的信号回路选择指令，通过选择信号解析器解析字节中的指令，控制下游继电器矩阵。驱动模块由带多个输出通道的单片机系统组成，使用2芯铜制双绞线，以CAN通讯方式接受响应时间测试装置送出的选择指令，把指令解析成在矩阵中的继电器动作指令，贯通两个与RPC特定信号连接的通道，建立由纯硬件组成的测量通道。解析器将执行状态返回给响应时间测试装置，随后进入待机状态，等待CAN网发送命令。
本系统CAN通讯共设计了8个节点，主节点位于计算机房中的测试主控制器中，7个从节点分别位于4个保护通道、2个保护列和多样化保护通道中，采用主控通信控制方式，即命令应答式。由测试主控制器向现场从节点下发命令，从节点收到命令完成之后返回应答数据。相应的CAN协议帧定义见表1。
驱动模块与响应时间测试装置之间下行信号接口除上述切换指令信号外，还用于传输响应时间测试装置发出的仿真源信号，此类信号对时间要求极高，因此接口还需具备硬接线接口，以在继电器矩阵按驱动模块指令建立硬件通道后，实现仿真信号从响应时间测试装置输出至就地RPC机柜。选择模块下行接口一端接响应时间测试装置的仿真信号输出端口或上一级选择模块继电器矩阵输出，另一端连接下一级选择模块输入或就地RPC机柜输入端子。上行信号接口用于接受RPC机柜表决逻辑信号输出，该接口的另一端接响应时间测试装置。
reactor technology3.2  继电器矩阵具体实现
继电器矩阵采用继电器搭建切换电路，并由信号解码和微型控制系统控制继电器状态，实现信号测试通路的全硬连接。
继电器矩阵构成选择装置的预置通道，继电器矩阵以X取Y的形式实现信号通道的切换，如图4所示为66取
图3  选择模块实现方案
Fig.3  The structure of channel select module
尤 兵·反应堆保护系统T2响应时间自动测试装置通道选择方案研究
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2矩阵拓扑，根据RPC系统4取2保护逻辑特点，在同一时刻只需触发两个仿真信号，共计2个信号通道。r0～r1为来自响应时间测试装置的2路试验信号，c0～c66为66路输出信号，其中交叉点为继电器。继电器矩阵接受两路下行仿真信号注入，同时根据选择信号解析器的指令，在66路输出信号中贯通两个信号通道，将下行信号注入对应RPC系统通道对应表决逻辑中，以在RPC系统中触发4取2保护逻辑，产生预
期表决逻辑输出。以图4为例，选择信号解析器接到接通c4通道的指令时，将r0与c4通道交叉点对应的继电器闭合，接通r0～c4电气回路，将仿真信号通过c4端子注入4取2表决逻辑，此时4个信号中有1个信号已触发。同理，在接到r1和c1信号通道接通指令后，将仿真信号通过c1端子注入第二个触发信号，使得4取2触发动作。
同样地，采集表决逻辑动作的信号采集回路也采用继电器矩阵实现信号回路的切换和复用，区别仅仅是矩阵规模根据表决逻辑动作信号的数量有所减少。
4  结论
为了解决反应堆保护系统T2响应时间测试人工测试难度大而工期短的问题，本文从反应堆保护系统的结构和现场实际出发，提出了响应时间自动测试的方案，并重点针对自动测试方案的关键点通道选择方案进行了设计。利用电厂已敷设的普通电缆或电缆备用线芯进行通讯和硬接线信号传输，实现保护系统响应时间集中、自动测试。该研究方案已在福清5号机组中实际应用，在待测信号数量相对于福清项目前序机组增加25%的基础上，响应时间测试项目耗时从14天大幅降低到了70h以内，测试效率实现了质的飞越，说明本文所设计的通道选择方案是完全可行的。
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表1  CAN协议帧定义
Table 1  CAN protocol frame definition
图 4  66选2矩阵
Fig.4  The schematic of channel select matrix
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