仿真技術應用在反應堆控制系統調試

邵拓

摘要：本文主要論述了仿真技術在核電廠反應堆控制系統調試中的應用，并通過搭建虛擬儀控測試平臺，利用結合熱工水利模型為基礎的反應堆工藝仿真系統測試，獲得并嚴重控制系統最佳調節控制參數，并在實際DCS設備上對參數進行復核驗證，盡可能地使由于無法進行實際被控設備聯調而帶來的設計或調試問題得到識別，降低風險縮短調試周期。

[關鍵詞]仿真技術反應堆控制系統數字化儀表控制系統

反應堆控制系統是核電廠機組運行和控制的關鍵，電廠其主要作用是保證電廠穩態運行期間主參數達到設計最優值，使核蒸汽供應系統適應廠內各類瞬態運行工況并跟蹤電網負荷需要。核電廠數字化儀表控制系統在進行出廠驗收期間、實際調試啟動前和平臺測試前，由于反應堆控制系統并未與實際受控對象建立物理聯系，因此就無法對實際瞬態工況進行模擬和驗證。若要借助數字化儀控平臺自身工具，則僅能對反應堆控制系統的控制邏輯或者局部功能進行驗證，對那些需要進行復雜性調節，以及配合實際被控對象的物理行為難以實現有效的邏輯控制，更別說如何發現并糾正控制系統自身邏輯問題和參數調節匹配問題。因此，本文采取經過監管局認可的反應堆熱工水利模型（RELAP5）動態地對被控對象進行仿真模擬其物理行為，并將行為數據分別與仿真模擬反應堆控制系統、實際數字化控制系統機柜進行有效連接，以此探索和驗證反應堆的控制系統的控制邏輯和各類控制參數。

1反應堆控制系統的功能測試中仿真平臺選型分析

反應堆控制系統的功能測試中仿真平臺的設備技術選擇和功能設計上應該滿足以下基本條件：

1.1仿真建模

要求反應堆控制系統中的熱工水力程序能較好的模擬核電站正常工況/瞬態工況下的參數變化規律和動態響應特性。支持長期運行和工況計算功能，并能提供數據接口，供虛擬或實體硬件外圍I/O以及控制器，進行控制調節反饋數據閉環交換。

1.2功能設計

要求反應堆控制系統具備工況啟動、復位、暫停等人機交互對話功能，并快速建立試驗所需的出示及瞬態工況。同時還應滿足對測試過程進行人機交互和曲線趨勢觀察和數據分析。

1.3技術選型

仿真測試平臺設備應使用支持標準工業輸入輸口模塊，并根據測試任務進行IO擴展，以此方便用戶進行二次開發。

2仿真測試平臺的設計與功能實現

仿真測試平臺主要由虛擬數字化儀控系統、工藝仿真系統以及虛擬上位機三部分組成，每個系統之間的功能依據不同需求，通過數據庫連接到一起，由數據庫負責傳輸工藝系統被控對象各類參數進入儀控系統參與各類調節控制，并將調節后的參數反饋給工藝系統，并通過上位將系統的實時運行情況進行顯示與監控，如圖1。

2.1仿真測試平臺的工藝仿真系統

工藝仿真系統應與核電站仿真模型相同，依據模擬核電廠的現場設備的運行情況，然后通過數據庫與虛擬數字化儀表控制系統進行交互。其計算建模核心為RELAP5。RELAP5是輕水堆冷卻系統事故工況的瞬態行為最佳估算程序，初始由愛德華國家工程實驗室（INEL）為美國核管會（NRC）開發，用于規則制定，許可審查計算，事故減緩措施評估，操作員規程評價，和實驗計劃分析，現已經成為核電廠分析的基礎。RELAP5功能的應用涵蓋了整個輕水堆系統的瞬態分析，比如失水事故（LOCA），未能緊急停堆的預計瞬態（ATWS），以及操作瞬態如給水喪失，失去場外電源，全廠斷電，汽輪機跳閘等。

通過RELAP5，可以計算反應堆冷卻系統的瞬態行為，還可以用于核電和常規系統的各種不同類型的熱工水力瞬態模擬，涉及到蒸汽，水，不冷凝氣體和溶解物等混合行為。從而在無法實際建立物理被控對象前最大程度滿足模擬各類核電廠實際運行工況。

2.2虛擬數字化儀控系統

虛擬數字化儀控系統基于MATLAB/SIMULINK模擬實現反應堆控制系統的各個控制環節，并通過與數據庫的實時交互獲得由RELAP5建模得到的被控對象各類所需被控參數，進入控制模型參與調節整定以及各類控制邏輯，并將受控后的過程參數再由實時數據庫反饋給工藝仿真系統，進行實際被控對象的物理行為計算，形成閉環作用。

2.3數據庫及上位機

上位機作為用戶與反應堆物理模型和虛擬儀控系統的人機界面，承擔了測試人員與工藝系統和儀控系統的各類交互，用于實時顯示各類所需監控參數的顯示、對控制系統手動命令的給定、虛擬擾動給定、控制調節參數更改等，并可以通過各類監視曲線，圖表等評價優化后的控制調節參數實際效果。

3硬件測試平臺的設計與功能實現

通過虛擬的儀控系統平臺獲得的最佳控制系統參數，未經過核電廠實際使用的DCS設備驗證。雖然其實現的控制邏輯雖然在測試用戶的原理實現層面一致，但其代碼生成方式并不符合控制系統根據監管當局需要通過的驗證，有可能在瞬態下由于DCS設備在容量，運算能力等的實際原因限制發生不同于虛擬測試平臺下的故障或錯誤，因此還應對實際的DCS設備進行驗證。其實現原理如圖2。

其原理為將虛擬儀控系統由實際儀控系統機柜代替，通過I/O接口卡將數據采集到上位機并由虛擬I/O接口與工藝仿真系統進行交互。其余部分原理與仿真測試平臺相同，通過這種方式可實現將控制系統由實際將交付于電廠的DCS設備執行功能測試，以驗證控制策略改進效果是否符合實際預期，在核電廠機組實際運行前最大限度地排除潛在風險，識別設計人因問題。

4驗證過程及調試

4.1工藝仿真系統的調校與分析

工藝仿真系統包括核電廠各類被控對象模型，此次驗證模擬調節回路特性，需要對仿真系統中對特定工藝系統瞬態擾動影響范圍進行界定。工藝仿真系統的調校應按照以下幾個步驟進行：

（1）選擇選擇合理的模擬調節回路;

（2）根據系統控制要求建立虛擬儀控系統的控制和調節環節，保證與其與工藝仿真系統進行交互聯系;

（3）通過工藝系統仿真的自動運行和上，位機模擬的擾動給定，測試虛擬儀控系統控制和調節的穩定性;

（4）實時監控相關數據，合理調整仿真系統數據參數，使其達到或優于現場工況調節曲線圖要求，從而完成工藝仿真系統的調校。

4.2硬件驗證過程分析

（1）觀察實際DCS設備側調節曲線圖，并記錄PID對應參數;

（2）調整PID數據參數，并使虛擬系統與調節曲線調節一致并記錄;

（3）進一步觀察和調節PID參數，獲取最優曲線圖，并記錄下來。

5結論

（1）采取核電廠反應堆熱工水力仿真模擬計算，結合仿真測試平臺，可以有效并準確模擬核電站正常工況和瞬控下參數變化，為反應堆控制系統的測試提供有效的工具和分析技術。

（2）用戶通過針對特定的反應堆控制系統測試任務，將仿真測試平臺與實際控制系統相連，通過人機交互界面建立動態監視，使測試人員可以盡最大可能在儀控系統設備交付核電廠使用前測試控制系統的性能邏輯，避免實際運行時的低級邏輯錯誤，并為核電廠熱試聯調提供依據。

參考文獻

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