★北京廣利核系統工程有限公司馬崔燁暄

某高溫氣冷堆由于實際供貨的核測量裝置的信號輸出范圍比技術規格書中規定的量程范圍寬，存在當反應堆初裝堆或零功率狀態時，模擬量信號低閾值，保護系統判斷信號為壞質量位，進而誤觸發緊急停堆信號的情況。針對該問題，本文提出了一種通過開發算法塊的方式修改保護系統判斷邏輯的方案，實現了閉鎖信號低閾值產生的壞質量位、重新生成新的質量位，滿足了修改信號質量位閾值的需求，給在運機組的升級改造和工程機組的設計優化提供了參考。

關鍵詞：高溫氣冷堆；反應堆保護系統；質量位；算法塊；安全級

高溫氣冷堆是一種先進的第四代核電技術，具有安全性好、發電效率高、冷卻劑氦氣性能穩定、小容量模塊化建造等特點，在經濟效益、可持續發展上具有一定的競爭性。我國已基本掌握了高溫氣冷堆設計和建造的關鍵技術，正在穩步推進先進堆型的應用和發展^[1]。

某高溫氣冷堆核電廠的反應堆核測量系統由一家美國公司供貨，其中的核測量系統設備技術規格書中對核功率信號的輸出范圍定義為4～20mA，但是在某些特定情況下輸出的核功率信號會出現低于3.8mA的情況。

在詳細設計反應堆保護系統時，提出了對模擬量信號是否處于有效量程范圍內（3.8mA～21mA）的判斷方案，超出有效量程范圍判斷模擬量信號無效并置Bad質量位^[2]。而實際上核測量系統在啟停堆期間會輸出低于3.8mA的核功率信號，此時信號超出有效量程范圍，被置Bad質量位。在不考慮通道旁通的情況下，對于“1/2”邏輯，反應堆保護系統只要有一個通道數據質量位為Bad就會觸發停堆。為從根本上解決該問題，需要合理下調反應堆保護系統中核功率信號質量位的低閾值，使其在低于3.8mA情況下仍在有效量程范圍內，從而避免停堆信號誤動。

1　問題分析

以本文改造為例，首先介紹量程的相關概念。

圖1信號超電量程判斷及信號質量狀態處理示意圖

如圖1所示，量程范圍由大到小，依次是可采集量程0mA～25mA、超電量程3.8mA～21mA、電量程4mA～20mA。其中可采集量程表示AI板卡采集信號的最大范圍，而超電量程的上下限作為信號質量位的高低閾值。本文所述的電量程代表在算法組態邏輯處理中信號數值位的最大變化區間。在電量程上下限到超電量程上下限之間，算法組態中核功率信號質量位為Good，數值位不變。高溫氣冷堆的保護系統相較于其他電廠較為簡單，不涉及死區概念，因此在超電量程3.8mA～21mA內，都是信號有效區域，除此之外的可采集范圍內的其他區域信號無效。

反應堆保護系統AI板卡中質量位的處理結果如表1所示，在板卡中質量位的數據類型定義為char型，以十六進制的形式表示。總體上質量位為零代表正常，質量位非零代表異常。表1中僅展現部分主要的質量位非零的故障情況。

表1AI板卡中部分質量位所代表的信息

在無其他故障的情況下，當采集到的核功率信號低于3.8mA時，板卡輸出信號質量位為0x04（通道下限超電量程）；當采集的信號處于3.8mA～21mA時，板卡輸出信號質量位為0x00（通道正常）；當采集的信號高于21mA時，板卡輸出信號質量位為0x03（通道上限超電量程）。

在供貨設備信號輸出范圍寬的背景下，核測量系統模擬核功率信號送往反應堆保護系統進行測試，在試驗過程中均未發生異常。而試驗結束后取消模擬功率信號時，發現反應堆保護系統核功率信號顯示值為N/A，觸發停堆邏輯。經現場核實，確認核測量系統在未激發或啟停堆期間中子注量率很低的情況下輸出信號低于3.8mA。此時信號超出有效量程范圍，被保護系統判斷無效并置Bad質量位，從而在“1/2”的邏輯下觸發停堆。

按照核測量系統設備技術規格書中的定義功率信號的范圍應不小于4mA，可實際供貨設備會在上述工況下輸出3.8mA以下的電流值。因此核電廠將核測量系統的相關板卡返回美國廠家進行改造，遺憾的是改造后核測量系統設備輸出的信號仍低于4mA。之后核電廠在廠家的指導下調節核功率系數旋鈕使其在零功率狀況下輸出電流達到了4mA以上。但這種調節核功率系數旋鈕的方式只能用于臨時控制措施，不能在工程中長期使用。

為了從根本上解決停堆信號誤動，高溫氣冷堆核電廠將問題的解決方向轉至反應堆保護系統。停堆信號誤觸發是由于本應有效的信號電流值超出了有效量程范圍的下限，因此只要合理下調質量位的低閾值，就可以避免該誤動的發生。經過對國內各壓水堆核電機組質量位閾值的調研，以及供貨商計算所得最小電流值為1.82mA，保守取最小電流值10%余量，我們評估得出將信號質量位的低閾值由原3.8mA調整為2mA，可以避免因誤判信號質量位Bad而觸發的緊急停堆。

如圖3所示，改造前當輸入信號小于量程下限4mA時，輸出信號的數值位將保持不變，質量位為Good；當輸入信號小于質量位低閾值3.8mA時，輸出信號的質量位將置為Bad。

圖3修改前保護系統軟件需求中核功率信號折線圖

本次改造將在算法組態中閉鎖2mA～3.8mA范圍內的低閾值信號質量位，在數值位保持不變的情況下重新生成質量位Good。除閉鎖范圍內，信號的其他數據均不變，以此實現修改質量位閾值的需求，如圖4所示。

圖4保護系統軟件需求修改示意圖

2　解決方案

該高溫氣冷堆的反應堆保護系統采用SCADE平臺開發，其模擬量超電量程下限由AI板卡實現且已固化，無法在工程組態中配置修改。最直接的方式是升級保護系統平臺，使其可以直接通過工程組態修改質量位閾值、死區等參數。但平臺軟件開發涉及整個反應堆保護系統，所需時間較長，人力物力投入較大。因此本文提出了一種低閾值質量位閉鎖的應用方案，通過開發軟件算法塊閉鎖原信號低閾值產生的壞質量位，重新生成新的質量位，實現了不升級平臺用最小的成本滿足修改質量位閾值的需求^[3]。

圖5核功率信號傳遞簡圖

算法塊在算法組態中，首先要分析固化在AI板卡中核功率信號的計算過程。板卡對采集到的整形機器碼進行邊界（0～32767）判斷，超過邊界值校正為邊界值。依據AI核功率信號的可采集量程（0～25）和機器碼區間，將整型機器碼轉換為浮點型AI電流值。之后根據AI信號電量程上下限（4mA、20mA）所對應的工程量值，通過線性變化將AI信號的電流值轉換為工程量值。

具體公式如式（1）、式（2）所示：碼值到電流值：

電流值到工程量值：

式中，fAI為電流值、A_H為機器碼、fRet為工程量值、Up為工程量上限值、Dn為工程量下限值。其中Up取log10(2.5)，Dn取log10(2.5×108)。

以上為核功率信號在AI板卡中處理的過程，最終輸出計算后的數值位和質量位到算法組態。由于AI板卡輸出的信號數值位在可采集量程中都是實際值，因此才有條件可以在算法組態中閉鎖原質量位、生成新質量位。另外板卡在質量位處理中已經做好了故障區分，只要在質量位為0x04下修改就不會閉鎖其他故障導致的質量位壞情況，避免了擴大變更影響范圍。

圖6為原保護系統算法組態簡圖，可以看出原邏輯中僅是對工程量值進行了濾波、指數變換和量程轉換，并未對質量位進行修改。

圖6改造前的算法組態簡圖

因閉鎖原質量位、生成新質量位依賴AI板卡的原始質量位信息，在算法組態中非零質量位一般會被其他算法塊統一轉化成“1”來表示，所以本次改造開發的算法塊要直接與AI板卡傳來的核功率信號相連，在算法塊之前不能有任何質量位的計算。而原算法組態中與核功率信號直接相連的是“實數型結構體解體”算法塊，它采集到AI板卡傳來的核功率信號，將其中的數據信息輸出到數值位端口，而質量信息不做修改的輸出到質量位端口。因此改造方案為新開發“實數型結構體解體低閾值”算法塊替換原算法塊。它在實現原本實數型結構體解體功能的基礎上，拓展算法塊功能，對輸入信號的質量信息進行邏輯判斷，實現低閾值閉鎖、重新生成質量位的需求。

圖7為本次設計開發的“實數型結構體解體-低閾值”算法塊。

圖7實數型結構體解體-低閾值算法塊

接口信息如表2所示。

表2實數型結構體解體-低閾值算法塊接口

算法塊對核功率信號的數值位不做處理，僅對質量位進行操作。當輸入信號的質量位不等于0x04時，意味著此時核功率信號不處于低閾值狀態，此時不需要閉鎖質量位，質量位仍保持原值不變；當輸入信號的質量位等于0x04時，核功率信號的數值位對應的電流值低于3.8mA，且板卡無其他故障因素發生，此時需要閉鎖原質量位并重新生成。需求分析中新生成的質量位以2mA為低閾值，因此首先要得到2mA對應的工程量值，用來作為生成新質量位的判斷條件。將2mA代入公式（2）得到對應的工程量值，也就是算法塊的“超量程下限”參數-0.6021。此時若信號的數值位小于-0.6021，代表此時信號工程量值對應的電流值小于2mA，仍處于超量程下限的情況，質量位仍保持原值；否則當信號的數值位大于等于-0.6021時，信號工程量值對應的電流值處于2mA～3.8mA之間，此時應閉鎖原模擬量輸入信號的質量位，令新的輸出信號質量位為0，表示在2mA～3.8mA之間信號的質量位為Good。

圖8改造后的算法組態簡圖

3　解決方案驗證

如圖8所示，MONITOR監視的是AI板卡傳來的核功率信號，因此MONITOR質量位是未經閉鎖前的質量位，閾值仍是3.8mA，在2mA～3.8mA質量位Bad。而SCID監視的是經過算法塊處理之后的核功率信號。當質量位Good時，SCID正常顯示核功率信號的數值位；當質量位Bad時，SCID上顯示NA，表示此時核功率信號無效。

基于上述情況我們開展了廠內測試，高溫堆保護系統使用SCADE軟件編譯，無法使用REDACE在線監視邏輯運算，所以邏輯測試從MONITOR監視點輸入信號，在SCID監視運算結果。以下概述測試項及方法：

（1）配置檢查：打開維護工具中EAST軟件和工程應用軟件，確認工程師站軟件版本、工程師站下裝和檢驗軟件版本、參數整定軟件版本。

（2）軟件下裝：使用DEEP高溫堆實體機柜，依據軟件下裝規范逐步對目標CPU進行下裝。

（3）AI/AO通道測試：①使用維護工具打開本次改造工程應用軟件對應的機柜控制站進行連接；②打開MONITOR監視被測AI變量點的質量位；③在本通道SCID中找到被測AI變量點；④使用儀表輸入AI信號；⑤監視被測變量點質量位和AI點工程值；⑥工程值和預期值進行比較判斷是否一致。

（4）邏輯測試：①確認被測機柜對應的端子排，使用儀表進行連接；②在SCID上確認信號邏輯輸出變量點；③使用儀表輸入AI變化信號；④在SCID中監視輸出變量點變量變化；⑤判斷輸出變量點狀態與預期結果是否一致。

部分的測試報告如表3所示，高溫氣冷堆核功率AI采集的精度誤差為0.1%，其中閾值兩邊的輸入值取量程差值的千分之一作為浮動區間。邏輯運算中經過10x指數函數處理后，送SCID顯示工程值，SCID顯示工程值最大誤差計算公式為“x=AI當前值±（量程0.1%）”。

表3相關測試報告

當板卡處于低閾值以外的故障時，質量位不做修改。在信號采集周期0mA～25mA中，當信號處于0mA～2mA時，原質量位為Bad(0x04)，不做修改；當信號處于2mA～3.8mA時，原質量位為Bad(0x04)，閉鎖原質量位，生成新質量位為Good(0x00)；當信號處于3.8mA～21mA時，原質量為Good(0x00)，不做修改；當信號處于21mA～25mA時，原質量為Bad(0x03)，不做修改。測試結果表明，通過算法塊的方式閉鎖低閾值質量位符合預期，滿足了改造需求。

圖9修改后的保護系統軟件需求中核功率信號折線圖

4　結論

本文通過對高溫氣冷堆保護系統核功率信號來源的分析，闡述了AI板卡中信號數值位與質量位的生成過程，提出了一種低閾值質量位閉鎖的應用方案。在AI板卡判斷通道下限超量程時，該方案通過算法塊重新判定超電量程下限，生成新的質量位并輸出至SCID監視，以達到修改質量位低閾值的目的，從而避免誤觸發停堆。該方案已無偏差完成廠內外驗證活動，并順利通過高溫氣冷堆現場驗收工作。本文所述算法塊目前僅能用于低閾值質量位閉鎖，還需進一步優化算法塊判斷邏輯，拓展算法塊的泛用性。例如在功能中加入質量位Bad(0x03)的判斷邏輯，使其可用于高閾值質量位閉鎖。該應用方案對高溫氣冷堆后續改造以及其他核電機組的改造實施優化也具有一定的參考價值。

作者簡介：

馬崔燁暄（2001-），男，河北人，助理工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核安全級儀控系統的設計工作。

參考文獻：

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[3]朱攀,青先國,閔淵,等.高溫氣冷堆反應堆保護系統設計優化研究[J].科技視界,2024,(09):18-22.

摘自《自動化博覽》2025年11月刊