RPS响应时间测试数据自动处理方法研究

★北京广利核系统工程有限公司 张旭

RPS响应时间测试数据自动处理方法研究

★北京广利核系统工程有限公司 张旭

反应堆保护系统（RPS）的响应速度，直接影响到反应堆的安全。为了能够得到统计意义上的响应时间，需要进行数千次测试并形成大量测试数据。为了能够准确、快速地完成大量测试数据的计算、分析，研发人员研究了测试数据的特征，确定了数据分析的算法，开发了相关数据分析软件。该成果实现了响应时间测试数据的自动化分析，提高了测试数据分析的质量和效率。该分析方法已经在CPR1000、ACPR1000、HTR等多种堆型的反应堆保护系统测试中得到应用。

响应时间测试；数据处理；反应堆保护系统

1 引言

在CPR1000堆型核电机组中，核电站反应堆保护系统承担反应堆状态参数的采集以及保护功能。当系统监测到反应堆的参数超过阈值后，会通过表决逻辑输出一系列反应堆保护动作（主要包括跳堆动作和安全专设动作）。

反应堆保护系统在执行反应堆保护功能的过程中，需要对反应堆工况进行监测、阈值超限判断、逻辑运算，最后输出保护动作指令，这个过程所需要的时间为反应堆保护系统的响应时间。响应时间是反应堆保护的一个非常重要的技术指标，在事故工况下，反应堆保护能否快速响应将直接关系到反应堆的运行安全。对于数字化的反应堆保护系统来说，响应时间具有一定的随机性。因此为了得到具有统计意义的响应时间结果，需要进行数千次重复试验，而在数千次重复试验后，则需要进行大量的、复杂的数据处理、统计工作。[1]

传统的人工读取和处理数据，为了确保数据处理的准确性，不仅需要耗费大量的人力资源进行计算，还要进行人工校对。为了提高数据处理的质量与效率，研发人员系统地研究了3台CPR1000机组测试过程中生成的上万条试验数据，通过分析测试过程中波形记录仪存储的波形数据，研究了反应堆保护系统响应时间测试数据自动处理的方法，并开发了相应的计算机软件。

2 反应堆保护系统响应时间测试

反应堆保护系统响应时间测试原理如图1所示。该测试方法需要将一组模拟的反应堆工况异常的模拟量信号作为触发信号注入到反应堆保护系统。在模拟量电流信号输出端与保护系统的采集端之间使用波形记录仪采集触发信号的波形。同时在反应堆保护系统的输出端，采用示波器采集反应堆保护系统输出的保护动作指令信号的波形。[2]即可得到从反应堆工况模拟信号注入到反应堆保护系统，再到反应堆保护系统输出保护动作指令之间的波形图，如图2所示。为了得到统计意义上的结果，以CPR1000堆型为例，需要针对反应堆的20余种紧急停堆工况及50余种专设安全动作工况，对反应堆保护系统进行测试。针对每一种工况、每一种组合触发逻辑，分别重复上百次测试。一台CPR1000机组的反应堆保护系统需要进行数千次测试，并得到数千张波形图。

图1 反应堆保护系统响应时间测试原理

图2 反应堆保护系统响应时间测试的波形分析

3 人工方法分析响应时间测试数据

根据上述测试过程中波形记录仪记录到的波形图，经过数据分析，可以得到反应堆保护系统的响应时间：

首先要在波形图上识别触发信号、保护动作指令的时间点，并在波形图上进行标记；然后将保护动作指令的时间点，减去输入触发信号的时间点，即可得到保护系统的响应时间；重复上面两个步骤的过程，对测试过程中的每一张波形图进行逐一分析，统计每一次测试的结果，分别得到每一种工况，每一种逻辑组合的响应时间。[3]

为了减少人因失误造成数据分析错误，在分析完成后需要进行验算、检查。

对于一台CPR1000机组的反应堆保护系统，完成上述测试数据的分析过程，需要耗费约300人工时。上述数据重复、机械的数据分析过程，容易由于人因失误造成数据分析错误带来测试质量上的风险。同时，打印测试人工分析数据，耗费大量的人力、物力。

为了提高数据分析的质量，解决人工分析数据耗费大量人力物力的问题，提高测试效率。测试团队对反应堆保护系统响应时间测试数据自动化处理方法开展了研究，并开发了相应的自动分析软件。

4 响应时间测试数据自动处理方法研究

4.1 数据特征研究

波形记录仪记录的反应堆保护系统响应时间测试的波形如图2所示。波形图具有以下特征：

（1）波形记录仪以从左到右为时间轴线，分别记录了2路停堆触发信号和4路停堆输出信号共6个信号回路在一段时间内信号变化情况。

（2）为了便于识别停堆触发信号的时间，停堆触发信号为阶跃信号。停堆输出动作指令为开关量信号，通过波形记录仪采集到的同样为阶跃信号。

（3）在波形中存在少量的随机的杂波干扰，而且这些干扰主要以脉冲毛刺的形态出现。

（4）波形记录仪在打印波形图的同时，可将测试过程中记录的按照设定的采样周期将波形保存成＊.CSV的电子档数据文件，并将文件保存在波形记录仪的硬盘中。将其数据结构截取一个片段如图3所示。

图3 波形记录仪测试数据存储结构

其中最左侧一列为以s为单位的时间轴。在这里根据测试需要，将波形记录仪的采样周期设定为100s，波形记录仪每100s将6个信号回路测得的数据记录在了第2～7列，数值单位为V。同时，根据波形记录仪的配置，第1、2个回路做为停堆触发信号，第3～6个通道为4个停堆断路器的动作信号。观察数据可看出，在0～200s处，第1个回路的数值从3.08V左右跳变为3.83V左右，而第2个回路在随后的第300～500s处也变为3.08V左右跳变为3.83V左右。前后2个信号回路发生跳变的时间有细微的时间差。根据反应堆保护系统的要求，当2个信号回路的信号同时大于阈值时，即触发紧急停堆指令。因此，取2个信号较晚的一个时间点做为停堆触发的时间点。通过编写计算机程序，对这些以时间为轴线记录的数据进行分析，即可得到响应时间结果。

为了实现对这些数据的分析需要完成如下几个任务：

（1）对信号进行滤波，排除脉冲毛刺信号对信号识别的干扰。

（2）分析波形，抓取阶跃时间点，识别停堆触发信号和停堆输出信号出现的时间点。

（3）计算停堆触发信号与停堆输出信号的时间差，并将计算结果输出到报表。

4.2 阶跃时间点识别算法研究

根据微分的原理可知，信号经过微分处理后的结果与波形的变化率有关，当波形的变化率越快，其微分值越大。对于理想的阶跃信号，其微分的结果为无穷大，因此可以利用这一微分思想建立数学模型。[4]当波形中信号出现阶跃时，此处的微分后的信号为一个脉冲信号。

对响应时间测试结果的波形进行微分处理后，在阶跃信号的时间点，将出现一个正向的脉冲。对波形记录仪实际采集到的停堆触发信号波形进行微分处理后的结果。得到如图4所示的图形。微分处理后的信号中，阶跃信号转换成了脉冲信号，其时间点与阶跃信号重合。因此，综合上述分析，利用微分方法计算采集到的信号中波形变化率的最大值，找到对应的阶跃信号时间点。可以通过抓取脉冲信号的方式抓取阶跃信号发生的时间，即得到输入信号的触发时间。[5]

在图2中可以看到，在波形中存在少量的随机的以脉冲形态存在的干扰信号。对于波形信号中的脉冲干扰，进行微分处理后，会出现如图5所示的现象。由图分析，波形中存在脉冲干扰信号，进行微分处理后的波形中，会出现一个正负双向脉冲信号。如果此时，仍然采用上面的方法寻找阶跃信号时间点，会将此点误认为是阶跃信号时间点，将得到错误的结果。因此，必须对信号进行预处理，过滤掉脉冲信号。

图4 对阶跃信号的微分处理

图5 对脉冲信号的微分处理

4.3 滤波算法研究

在展开对响应时间测试数据分析研究的过程中，研究人员针对偶发的干扰进行了大量的研究。通过对以往工程应用中记录的近3万条波形数据进行的分析，确定工程应用中存在的干扰主要为开关量变化的瞬间引起的脉冲干扰。因此，滤波算法的主要任务是过滤脉冲信号进行过滤。

为了针对脉冲信号进行过滤，研究人员针对滤波对象的特点，研究了十余种常见的数字滤波经典算法，进行了优缺点总结和适用性分析，最终筛选出两种适用于本研究课题的滤波算法。[6]

（1）中位值滤波法

连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列 ，取中间值为本次有效值。

（2）算术平均滤波法

连续取N个采样值进行算术平均运算。

N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高。

为了比较上述两种滤波算法的滤波效果，将分别使用中位值滤波法和算术平均滤波法算法对实际测试过程中采集到的脉冲干扰进行处理，处理后的波形比较如图6所示。从图6中可以看出，算术平均滤波对脉冲干扰有非常明显的抑制作用，但是滤波后脉冲效果仍然存在。而中位值滤波后的波形则非常好的过滤掉了脉冲干扰。因此，最终选用中位值滤波法进行滤波处理。[7]

图6 算术平均滤波与中位值滤波效果比较

5 结语

响应时间测试数据自动处理方法的研究从解决工程应用中的实际问题出发，始终围绕着提高产品测试质量和技术水平。本研究确定了响应时间测试数据自动处理的方法，即通过中位置滤波算法对波形进行滤波处理，通过微分算法识别阶跃信号，最终计算出反应堆保护系统的响应时间结果。

该方法在投入使用前，进行了大量的验证工作。测试团队调取了以往项目使用人工方法处理过的数据，使用自动处理工具进行重新计算后，将自动处理后的结果与人工处理的结果进行比较。结果证明，自动处理方法数据处理精度由人工处理方法的毫秒级提高到了微秒级。

本研究成果已经应用在了辽宁红沿河、福建宁德、广东阳江、广西防城港等14台CPR1000反应堆保护系统测试中。研究成果投入使用后，完成相关工作所耗人力资源将300人工时缩减为约10人工时，同时消除了人因失误，提高了测试数据处理的效率与质量，实现了质量与效率上的双赢。此外，本研究中所采用的阶跃信号识别算法和滤波算法，还应用在了CPU周期测试数据分析等其他测试数据自动化分析研究成果中，并取得了良好的实践。在应用的过程中，测试团队进行长期持续的改进，将应用于ACPR1000、AP1000、高温气冷堆等多种堆型的反应堆保护系统测试中。

[1] 汪绩宁, 周爱平, 郄永学, 支源. 核电厂反应堆保护系统紧急停堆响应时间分析及测试[J]. 核动力工程, 2012, 02 : 5 - 10.

[2] 马刚, 康礼鸿. 核电厂数字化反应堆保护系统T2响应时间分析及测试[J]. 自动化博览, 2015, 32 ( 1 ): 72 - 76.

[3] 王丁, 吴雷, 郄永学. 一种DCS响应时间测试装置及方法[P]. 中国专利: CN102937810A, 2013 - 02 - 20.

[4] 杨敬波, 孙海龙. 零初值条件下系统的阶跃响应, 脉冲响应及其传递函数的关系[J]. 曲阜师范大学学报(自然科学版), 2004, 30( 2 ): 37 - 40.

[5] 张旭, 核电站安全级控制系统自动化测试研究[D]. 北京:华北电力大学, 2015.

[6] 王庆河, 王庆山. 数据处理中的几种常用数字滤波算法[J]. 计量技术, 2003, (4) : 53 - 54.

[7] 张旭, 郄永学, 支源, 高连国. 核电站安全级DCS响应时间测试数据自动处理的方法[P]. 中国专利: CN103019223A, 2013 - 04 - 03.

Research on Automatic Analysis Methods of RPS Response Time Test Data

The response speed of reactor protection system (RPS) directly affects the safety of the reactor. In order to be able to obtain a statistical response time, thousands of tests are required and a large number of test data are formed. In order to accurately and quickly complete the calculation and analysis of a large number of test data, the R & D personnel studied the characteristics of the test data, determined the data analysis algorithm and developed the related data analysis software. The results, to achieve automated analysis of response time test data, improve the quality and efficiency of the test data analysis. The analytical method has been applied to CPR1000, ACPR1000, HTR and other reactor type reactor protection system test.

Response time test；Data processing；Reactor protection system

张旭(1984-)，男，山东日照人，工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电厂安全级DCS测试工作。