（山东核电有限公司 烟台 265116）
摘要：本文介绍了三代核电站堆外核测系统信号在保护和安全监视系统处理器中的处理过程，着重分析探测器产生的各种类型信号与功率信号之间的转换算法，对后续堆外核测系统的参数设置、维护有一定借鉴意义。
关键词：三代核电；堆外核测系统；软件
1.引言
三代核电堆外核测系统（NIS，Excore Nuclear Instrumentation System）通过测量堆芯泄露中子通量测得反应堆的核功率，为反应堆保护系统提供监视、控制及保护信号。堆外核测系统探测到的中子信号在探测器内转化脉冲或电流信号，然后通过前置放大器、核仪表处理机柜的滤波和整形电路，送入保护系统专用的NIS处理器软件中，进行信号补偿及信号转换，最终得到反应堆的功率信号，用于后续的逻辑运算功能。本文将分别对源量程、中间量程、功率量程探测器信号的软件处理过程进行介绍。
2.源量程探测器信号软件处理流程
源量程探测器输出信号为脉冲信号，其硬件处理电路中设置高、低两个甄别域，能够通过低甄别域的信号主要为中子产生的有效脉冲和γ噪声堆积产生的脉冲，定义为低通脉冲；能够通过高甄别域的脉冲仅有γ噪声堆积产生的脉冲，定义为高通脉冲。由于源量程探测器能够产生的脉冲会达到10E6 CPS，高于脉冲输入模件上限10E5 CPS，因此在进入处理器之前，这两路信号需要进行除10处理，分别定义为低通脉冲/10，高通脉冲/10信号。为此，NIS处理器软件设置了两个功能块，分别用于低频脉冲信号处理及高频脉冲信号的处理，之后通过一个选择功能块，确定最终用于后续逻辑功能的输出信号。
图1 源量程信号处理过程
2.1 低频脉冲信号处理功能模块
低频脉冲信号功能模块选择低通脉冲信号及高通脉冲信号作为输入，二者相减，得到低频有效脉冲信号，之后除以采样周期，得到低频中子计数率信号。由于此时中子通量较低，探测器产生的脉冲数较少，因此在脉冲输入模件的一个采样周期有可能获取不到脉冲信号，而此时又无法人为地提高脉冲数量，因此只能通过扩展脉冲的采样时间来提高脉冲数量，但同时也增加了处理器对该信号的响应时间，因此在设置采样时间时，不应过度强调获得较多的脉冲数而忽视了处理器响应时间。
2.2高频脉冲信号处理功能模块
高频脉冲信号功能模块选择低通脉冲/10信号及高通脉冲/10信号作为输入，二者相减，由于之前在硬件电路中进行了除10处理，因此需要再乘以10得到实际的脉冲信号。考虑到此时中子通量较高，可能在一个采样周期内采集到的部分脉冲信号丢失，为此在该功能模块中增加一个死区时间修正算法，对丢失的脉冲信号进行补偿，得到修正后的高频有效脉冲，之后除以采样周期，得到高频中子计数率信号。
2.3 脉冲信号选择功能模块
产生的低频计数率信号及高频计数率信号，输入至选择功能模块1，计算方式如下：当高频有效计数率信号大于转换常数时，选择高频有效计数率信号作为最终的输出信号，否则选择低频有效计数率信号作为最终的输出信号。得到的信号最终用于源量程停堆功能逻辑运算。
产生的低频有效脉冲信号及高频有效脉冲信号，输入至选择功能模块2，计算方式如下：当高频有效脉冲信号大于转换常数时，选择高频有效脉冲信号作为最终的输出信号，否则选择低频有效脉冲信号作为最终的输出信号。得到的输出信号用于中子通量倍增系数计算，最终用于硼稀释闭锁逻辑运算。
3.中间量程探测器信号软件处理流程
由于中间量程探测器与源量程探测器的量程存在重叠的部分，当中间量程探测器投入运行初期时，其输出信号为脉冲信号，随着功率提升，脉冲逐渐累积，形成一个特性类似于均方根电压（MSV）的长脉冲，输出信号为MSV×1。在脉冲堆积的初期，为了提高信噪比，在其硬件电路中增加一个增益为10的放大电路，此时硬件输出信号为MSV×10。随着功率的升高，脉冲信号对于核功率计算的贡献逐渐减小，MSV信号的贡献逐渐增大，因此NIS处理器软件中设置了一个转换因子算法功能模块，用于确定各阶段脉冲信号与MSV信号对于核功率计算的影响，之后进入核功率叠加功能模块，最后经过补偿功能模块进行补偿，从而准确地得出中间量程功率信号。
图2 中间量程信号处理过程
3.1 脉冲信号处理功能模块
中间量程脉冲信号经过甄别域电路后，进入脉冲处理功能模块，其处理流程与源量程原理相同，处理后得到脉冲计数率信号（IR CPS），该信号输出至两个功能模块：一是与功率比例系数相乘（该系数与中间量程探测器甄别域的大小有关），得到计数率-功率信号（CPS %Power）；二是输出至转换因子算法功能模块，得出转换因子（SF）。SF的计算方法如下：
若IR CPS <下限，则SF=0，
若IR CPS >上限，则SF=1，
其余情况，SF=[（IR CPS）-低限]/（上限-低限）
3.2 MSV信号处理功能处理模块
MSV×10信号除以10用于抵消硬件电路中的增益，得到MSV LOW信号，与MSV×1信号一起，送入MSV信号选择功能模块，其原则为：在1%至200%额定热功率时，输出MSV×1信号，在1E-5%额定热功率至1%额定热功率时输出MSV LOW信号。由于功率信号与MSV信号的平方成正比关系，因此该输出信号进行平方计算后，再与功率比例系数相乘，即得到MSV-功率信号（MSV %Power）。
3.3核功率叠加功能模块及校准功能模块
核功率叠加功能模块将转换因子SF，CPS %Power信号、MSV %Power信号进行叠加，得到未校准的中间量程核功率信号（Uncal IR %Power），之后送入校准功能模块中，得到校准后的中间量程核功率信号（Cal IR %Power），用于后续逻辑功能运算。叠加及校准方式如下：
Uncal IR %Power=（1-SF）*（CPS %Power）+（SF*（MSV %Power））
Cal IR %Power= GAIN*（Uncal IR %Power）+BIAS
其中GAIN表示为增益，BIAS表示为偏差，为常数
4.功率量程探测器信号软件处理流程
功率量程探测器分为上、下两个部分，输出信号均为电流信号，经核仪表机柜处理后产生电压信号。该电压信号输入至NIS处理器软件中的电压/电流转换功能模块中，与反馈电阻相除，将电压信号转换为电流信号，其中反馈电阻的大小根据核仪表机柜内PRPM模件的相应设置得到。之后电流信号在电流/功率转换功能模块中乘以转换系数，得到未校准的功率信号，之后进入校准功能模块，对功率信号进行校准。校准时所需的增益及偏差参数的大小，可对照堆内仪表系统计算得出，利用主控室的安全显示画面对增益及偏差参数进行修改。由于冷却剂的密度随着电厂工况的变化，而功率量程探测器对压力容器下筒体冷却剂的密度变化敏感，为此，设置密度补偿功能模块，对信号进行补偿，补偿后的功率信号用于功能逻辑判断。
图3 功率量程信号处理过程
5.总结
三代核电堆外核测系统软件处理过程中，采用多种算法功能模块，将高、低频脉冲信号及电压信号转换为功率信号，转换过程中同时考虑了各类信号补偿。本文分析关键功能模块的算法原理，在此基础上与其硬件处理电路相结合，对该系统后续的软件参数设置及硬件维护有一定的指导意义。
参考文献：
[1] 冀焕青.AP1000核电站数字化反应堆保护系统 [J].自动化与仪表.2013（02）.
[2] 林诚格.非能动安全先进压水堆核电技术[M].北京.原子能出版社.2010.
[3] 徐小宁.AP1000核电站核仪表系统信号侧设计改进[J].仪器仪表用户.2014，21（5）：51-54.
作者简介：
王超（1988-），男，工学学士，山东核电有限公司，助理工程师，现从事AP1000核测系统调试工作，wangchao@sdnpc.com
论文作者:王超
论文发表刊物:《电力设备》2015年6期供稿
论文发表时间:2016/1/12
标签：信号论文; 脉冲论文; 量程论文; 功率论文; 功能模块论文; 探测器论文; 低频论文; 《电力设备》2015年6期供稿论文;