周健文，顧誕英，馬 駿

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

0 引言

當前，核電廠在調試、設計、運行、維護等階段，缺乏統(tǒng)一且集成的管理平臺，導致許多信息無法共享。同時，隨著核電廠信息化規(guī)模的不斷提高，如何有效存儲、方便利用、深度挖掘核電廠全生命周期內大量的、有價值的生產數(shù)據(jù)并進行深層次分析，提高核電廠的運行管理水平，提升電廠的安全性、可靠性和經濟性，已經越來越顯示出其必要性。

在這樣的背景以及工業(yè)4.0 和中國制造2025 的共同推動下，數(shù)字化核電廠已成為當前核電廠的必然發(fā)展方向。本文提出了核電廠安全性能監(jiān)督系統(tǒng)（以下簡稱安全性能監(jiān)督系統(tǒng)）的概念，將數(shù)字化和智能化技術引入到核電廠儀控系統(tǒng)中，是構建數(shù)字化核電廠的關鍵技術。

1 安全性能監(jiān)督系統(tǒng)簡介

1.1 基本概念

安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的本質是一個融合計算機技術、控制理論、人工智能、管理科學、決策科學等學科與技術于一體的數(shù)字信息處理系統(tǒng)。它通過獲取核電廠實時數(shù)據(jù)網中原有的控制與保護相關的信息和專為安全性能監(jiān)督系統(tǒng)設置的信息，按照特定的算法進行處理后，呈現(xiàn)給核電廠的業(yè)務人員（如核電廠操縱員、維護人員、設計人員等），為核電廠的業(yè)務提供信息支持。從概念上講，所有如數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器（PLC）等高級控制系統(tǒng)以及屬于系統(tǒng)與設備的信息，均可作為安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的底層支持平臺，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源。因此，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)具有豐富的內涵。

同時，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)應是集中整合了全廠電力生產過程的工藝流程和實時數(shù)據(jù)（包括屬于系統(tǒng)與設備的信息），可利用生產實時數(shù)據(jù)進行二次開發(fā)的高級應用功能軟件。如安全狀態(tài)監(jiān)測、運行性能監(jiān)測、設備可維修性監(jiān)測等，只要是功能成熟的，并且在具體應用實踐中能夠對電力生產過程進行動態(tài)分析、監(jiān)測、計算、優(yōu)化和管理的，或提升電廠安全性、經濟性的功能模塊，均可納入該系統(tǒng)的范疇。因此，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)具有廣闊的外延。

1.2 作用

根據(jù)安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的定義，應在電廠中發(fā)揮以下幾個方面的作用：

1）集中管控：實現(xiàn)電廠全生命周期的信息存儲和實時共享，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理與使用。

2）實時互聯(lián)：建立電廠管理人員與操縱員的實時互聯(lián)，提高現(xiàn)場決策與處置能力。

3）信息處理：通過采用各種先進的數(shù)據(jù)處理方法和模型，實現(xiàn)信息的高效處理與挖掘，并為電廠相應人員（操縱員、運維人員等）提供狀態(tài)、操作指示。

4）精細管理：為電廠管理人員提供維護和管理建議，實現(xiàn)電廠由粗放式管理向精細化轉型，提高電廠的經濟性。

同時，面對不同的服務對象，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)應各有側重，其應用場景包括：

a）為操縱員提供運行服務、事故信息、數(shù)據(jù)分析、故障診斷等信息。

b）為運維人員提供設備狀態(tài)、疲勞監(jiān)測、趨勢分析、性能監(jiān)測、故障診斷等信息。

c）為電廠決策層提供電廠關鍵信息，及時的事故信息、應急響應等技術支持。

d）為設計院提供全面的電廠運行與維護數(shù)據(jù)，同時便于設計院為電廠提供先進的電廠分析、持續(xù)的運維支持和輔助決策支持。

2 系統(tǒng)建設方案

2.1 相關技術調研

圖1 系統(tǒng)結構形式Fig.1 System structure

國內核電領域，中廣核正在開展“智能電站”“智慧電站”相關研究與建設，目標是解決核電設計與建造無縫銜接問題，實現(xiàn)核電站從建造到運行全生命周期的數(shù)字化管理。目前，已開展三維協(xié)同設計、可視化施工和全廠數(shù)據(jù)的收集[1]；中核集團以福清核電5、6 號機組為依托項目，啟動“數(shù)字核電”專項工作，目前基于西門子+達索平臺，實現(xiàn)集團層面的項目進度瀏覽、物資報備等；國家核電致力于基于大數(shù)據(jù)的智能化核電廠運維服務支持平臺，目前已實現(xiàn)了操縱員支持系統(tǒng)、疲勞監(jiān)測系統(tǒng)、風險監(jiān)測器等系統(tǒng)的開發(fā)。國外的EPRI、NRC、HALDEN 等研究機構也都對核電廠的智能化監(jiān)測發(fā)布了相關的報告和標準，EPRI 研究了從傳感器、數(shù)據(jù)的獲取到電廠的系統(tǒng)平臺、工具、軟硬件技術到可靠性監(jiān)測、系統(tǒng)設備的健康管理、故障診斷到最后的信息的呈現(xiàn)這一系列的關鍵技術；NRC 和HALDEN 則重點研究了儀表校準、神經網絡算法和大數(shù)據(jù)等技術在設備監(jiān)測診斷方面的應用[2-8]。

2.2 系統(tǒng)結構形式

安全性能監(jiān)督系統(tǒng)是一個非常復雜的信息處理系統(tǒng)，建設周期較長。根據(jù)2.1 的相關技術調研，本文將首先提出安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的結構形式，在此基礎上進行架構設計和功能設計，逐步完成安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的建設。

根據(jù)安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的定義，該系統(tǒng)應是一個以軟件為核心，包括硬件的計算機信息處理系統(tǒng)。概括來說，應由數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)3 大模塊組成，如圖1 所示。

2.3 架構設計

在目前通用計算機技術廣泛應用的條件下，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)在實現(xiàn)上不存在不可克服的技術困難。為了滿足核電廠現(xiàn)階段需求和長期發(fā)展的要求，需特別關注技術的成熟性、通用性、可擴展性與可靠性。因此，在安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的系統(tǒng)架構設計中，充分選用成熟的網絡技術和計算機技術來構建安全性能監(jiān)督系統(tǒng)。其系統(tǒng)架構如圖2所示。

2.4 功能設計

圖2 安全性能監(jiān)督系統(tǒng)架構Fig.2 Architecture of safety performance monitoring system

安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的核心應用功能主要包括3 大版塊：安全狀態(tài)監(jiān)測、運行性能監(jiān)測、設備可維修性以及在此基礎上利用大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)據(jù)倉庫等技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更深層次的挖掘。具體實現(xiàn)功能如下：

2.4.1 安全狀態(tài)監(jiān)測

安全狀態(tài)監(jiān)測主要目的是確定當前電廠的運行狀態(tài)是否安全，一旦發(fā)生事故可診斷出發(fā)生了何種事故，并給出用以事故緩解的系統(tǒng)和設備的可用狀態(tài)，從而為優(yōu)化事故緩解方案提供支持。

安全狀態(tài)監(jiān)測可包括：堆芯運行限值、6 大關鍵安全功能、緊急停堆條件、安保條件、安全殼壓力及放射性監(jiān)測以及用以事故緩解系統(tǒng)及設備的可用狀態(tài)。

2.4.2 運行性能監(jiān)測

運行性能監(jiān)測的主要目的是用以確定電廠的運行狀態(tài)和運行性能，各系統(tǒng)的使用及可能產生的疲勞情況，從而為優(yōu)化電廠運行提供支持。

運行性能監(jiān)測范圍主要包括：主要系統(tǒng)性能監(jiān)測、熱工裕量、燃料性能等，具體監(jiān)測診斷內容如下：

1）主要系統(tǒng)性能監(jiān)測

具體按能量傳遞過程劃分，主要系統(tǒng)包括：堆芯、蒸汽發(fā)生器、汽輪機、發(fā)電機、電網等。

2）熱工裕量監(jiān)測

當前，電廠系統(tǒng)的運行狀態(tài)點與運行限值之間的裕量，包括偏離泡核沸騰比、過冷度等裕量監(jiān)測。

3）燃料性能監(jiān)測

用以反映燃料性能，包括燃料棒中心溫度、熱流密度、燃料棒內壓、包殼破損程度等。

2.4.3 設備可維修性

圖3 系統(tǒng)首頁界面示意圖Fig.3 Schematic diagram of system home page interface

安全性能監(jiān)督系統(tǒng)采用先進的數(shù)據(jù)處理技術，實現(xiàn)設備系統(tǒng)故障的快速導出、故障分析與診斷、故障預測與預警。若發(fā)生故障時，能夠快速找出其故障首出原因、保護動作順序，實現(xiàn)對故障進行快速分析，縮短故障分析處理時間，同時綜合分析故障前后相關信息，結合設備/系統(tǒng)模型及運行經驗，指導故障維修。故障預測與預警，是對設備存在的風險和隱患及時提醒，指導電廠管理部門確定發(fā)電計劃、檢修計劃及更新改造計劃。監(jiān)測的對象主要包括主設備、控制棒驅動機構、泵、閥、風機、儀表等。

2.4.4 大數(shù)據(jù)分析

由于安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的目標是整合全廠所有機組的數(shù)據(jù)，在實現(xiàn)了進階階段的應用功能后，安全性能監(jiān)督系統(tǒng)中將產生大量的與安全、性能和設備可維修性相關的數(shù)據(jù)，并且這3 大應用功能彼此間必然存在著較大的相關性和耦合性，如何更深層次地分析相互之間的相關性，避免冗余、矛盾的數(shù)據(jù)，在安全、性能、維修的3 個維度以最直觀的呈現(xiàn)方式給電廠的運維、管理決策層提供參考，是當前核電廠實現(xiàn)智能化的關鍵技術。

要實現(xiàn)上述目標，必須依賴于大數(shù)據(jù)分析技術。大數(shù)據(jù)分析的定義是指從大型數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫中提取出隱含的、先前未知的、對決策有潛在價值的知識和規(guī)則。利用大數(shù)據(jù)技術，不僅可以描述過去數(shù)據(jù)的發(fā)展，還能夠進一步預測未來的趨勢。數(shù)據(jù)挖掘作為一門交叉學科，它可以把人們從數(shù)據(jù)的應用從低層次的簡單查詢，提升到從數(shù)據(jù)中挖掘知識，提供決策支持。

大數(shù)據(jù)技術涉及了許多領域，有概率統(tǒng)計、信息論、運籌學、模式識別、人工智能、計算機仿生、計算機圖形學等。通過近20 年的積累，國外在這一領域研究成果眾多，特別是在決策樹、神經網絡和規(guī)則生成方面。在核電乃至工業(yè)領域，大數(shù)據(jù)分析的研究起步較晚，但已具備了較為豐富的理論基礎，大數(shù)據(jù)在核電領域的應用將顯著提升核電廠的智能化水平。

3 原型開發(fā)

本文具體以4 個應用功能作為實例，按照安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的架構設計，完成了4 個實例的開發(fā)。4 個實例采用了4 種典型的不同的集成方式，以驗證系統(tǒng)方案建設的可行性和架構的靈活性。

3.1 總貌

安全性能監(jiān)督系統(tǒng)首頁如圖3 所示，其中包括了安全狀態(tài)監(jiān)測、運行性能監(jiān)測和設備可維修性3 大應用功能鏈接和電廠主要性能指標。

3.2 集成

在原型開發(fā)中，選擇了4 個實例與安全性能監(jiān)督系統(tǒng)進行集成，具體集成方式如下：

1）數(shù)據(jù)智能分析應用功能作為實例一，直接在安全性能監(jiān)督系統(tǒng)平臺上進行算法組態(tài)，通過獲取平臺數(shù)據(jù)庫內的歷史數(shù)據(jù)進行分析。該應用通過7 天的常規(guī)島歷史報警數(shù)據(jù)，基于溫度、預警數(shù)、發(fā)電效率等主題從數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)倉庫維度確定，數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)等方面，示意性地展現(xiàn)了大數(shù)據(jù)分析的流程。

2）智能報警診斷系統(tǒng)作為實例二，智能診斷模塊已進行開發(fā)并封裝成DLL。安全性能監(jiān)督系統(tǒng)平臺通過調用DLL 并在系統(tǒng)平臺上組態(tài)相應的界面，實現(xiàn)智能診斷的應用。

3）電廠模式計算應用功能作為實例三，以獨立的程序，運行于應用服務器，采用數(shù)據(jù)庫通信，借助數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，有獨立的用戶界面和維護界面。

4）安全殼泄漏率監(jiān)視應用功能作為實例四，運行于移動設備（Android 手機），采用網頁鏈接的方式與安全性能監(jiān)督系統(tǒng)進行集成，基于WEB 方式顯示安全殼泄漏率監(jiān)視的運行界面。

4 總結

在工業(yè)4.0、中國制造2025 推動智能技術的快速發(fā)展和社會對安全、經濟運行核電廠提出更高要求的背景下，提出了安全性能監(jiān)督系統(tǒng)，旨在提高核電廠的數(shù)字化和信息化水平。重點研究安全性能監(jiān)督系統(tǒng)的功能設計和架構設計，并在此基礎上進行4 個實例的開發(fā)，同時采用4 種不同的集成方式與安全性能監(jiān)督系統(tǒng)進行集成，充分驗證了系統(tǒng)技術方案的通用性、靈活性和擴展性，為后續(xù)全面開展數(shù)字化電廠建設提供有價值的參考。