核电站智能微型断路器开发及应用.pdf

第30卷 第12期2023年12月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.302023 No.12核电站智能微型断路器开发及应用杨 琦（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）摘 要：核电站包含了大量电动机、执行器、加热器等低压设备，每一个设备的非正常运行都有可能突破安全屏障，其中人的失误是引发故障发生的重要因素。掌握低压设备造成人因事件的基本规律，提出预防人因失误的管理措施，有效减少核电站人因事件发生，必须对低压设备造成的人因失误采集分类，研究其原因，制定针对性的监控方法。本文提出了一种新型的管理方式，运用智能微型断路器监测、控制低压设备的功能，结合核电站纵深防御的安全管理理念，搭建低压设备运行维护监控平台，具备覆盖面广，功能齐全，改造灵活的特点，构建一种有效的防人因失误监控手段。关键词：核电站；微型断路器；防人因中图分类号：TM623 文献标志码：AExploration and Application of Intelligent Miniature Circuit Breakers in Human Error Prevention Managementof Nuclear Power PlantsYang Qi（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.,Zhejiang,Haiyan,314300,China）Abstract：The nuclear power plant contains a large number of low-voltage equipment such as motors,actuators,heaters,etc.The abnormal operation of each equipment may break through the Safety barrier.In the past,many accidents were caused by human errors.In order to grasp the basic laws of human performance events caused by low-voltage equipment,propose management meas-ures to prevent human performance errors,and effectively reduce the occurrence of human performance events in nuclear power plants,it is necessary to collect and classify human performance errors caused by low-voltage equipment,study their causes,and develop targeted monitoring methods.This article proposes a new management method that utilizes the basic method of intelligent miniature circuit breakers to monitor and control low-voltage equipment,combined with the safety management concept of deep defense in nuclear power plants,to build a low-voltage equipment operation and maintenance monitoring platform,which has the characteristics of wide coverage,complete functions,and flexible transformation,and to construct an effective monitoring method.Key words：nuclear power plant；miniature circuit breaker；prevention of human error收稿日期：2023-08-18作者简介：杨琦（1991-），男，新疆喀什人，本科，工程师，班组长，研究方向：核电站低压电气检修。DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2023.12.014文章编号：1671-1041(2023)12-0059-06微型断路器实现对电路通断和保护功能在各个行业广泛运用。在电站内，微型断路器在运行操作、设备维保、管理监管等方面存在弊端。随着行业集约管理、智能控制、自主创新、物联网化1的发展趋势，电站需要创建利用微型断路器进行输配电、保护、管理的智能平台，有效降低人员在使用过程中发生事故的风险。1 总体设计电站部署了大量的低压用电设备和控制设备，结合使用情况总结存在以下问题。第30卷60 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION运行操作方面：大量人员参与操作增加人员失误的概率。电站各种低压用电设备需要运行和维修人员周期性巡检和维护，投入大量的人力物力难以管控。信息化水平和工作效率低，没有远程操作手段，比如 WEB、APP、短信通知预警。运行隔离通过人员就地悬挂隔离锁的方式进行电气隔离，容易造成人员误操作。设备维保方面：依赖人员分析判断。没有故障定位功能，出现故障后维修难度大。定值阶跃不可调，现有普通型微型断路器的额定值是阶跃的，如 4A、6A、10A 等。保护定值不能实现连续可调，无法做到与负荷的完全匹配。过载元件受环境影响大，普通断路器的过载保护由热元件组成，其保护定值受到安装方式、环境温度等客观因素的影响，如并列安装散热降低及环境温度的季节升高，造成降容误跳。厂内断路器使用基数大，如某电站仅断路器物资编码就有 1103 个。数据库庞大，造成采购周期长，库存管理成本增加。管理监管方面：缺乏完善的系统数据平台及对比分析工具。无法掌握用电消耗的数量、构成、分布与流向、状态、历史数据曲线，无法对用电安全进行实时分析评估。如现场开关无需人员授权，即可随意动作且不会记录反馈。综上，断路器在电站中涉及运行、技术、维修、采购等人员共同使用和监管，部分弊端存在人员失误陷阱。防图1 核电站低压配电防人因智能管理平台拓扑图Fig.1 Topology of the Intelligent management platform for preventing human factors in low voltage distribution of nuclear power plants止人为失误重要的一点方法是改进设备和系统的设计，运用人因失误知识型、技能型与规则型人因失误规律2进行设计，搭建一套核电站低压配电防人因智能管理平台，主要包括智能微断、智能网关、智能后台。其拓扑图如图 1所示。智能微断：带有测量、保护、遥控和通信功能的智能化微型断路器。智能网关：连接多个智能微断，实现数据采集、协议转换以及边缘计算3等功能。智能后台：实现设备的监管、控制策略的制定，包括云平台连接多个智能微断，实现数据采集、存储和访问功能；WEB 界面人机接口设施，实现全功能管理和数据展示；手机 APP，实现移动办公对所有智能微断以及网关的管理。1.1 智能微断功能及技术要求区别于普通断路器，考虑智能采集、分析、控制，结合智能微断可通用、替代普通断路器的特点制定要求。1）智能微断需将设备供电、通信和数据采集、控制等功能集成一体，无需外接电源和外置的通信模组即可完成全部功能。2）智能微断分单相和三相两种规格，需覆盖从1A 80A 连续电流等级。单相产品由控制极、火线、零杨 琦核电站智能微型断路器开发及应用第12期61线共三极组成；三相产品由控制极、ABC 三相各一极、零线共五极组成一个整体。每极宽度为 18mm，可安装于DIN3.5cm 导轨。3）智能微断功能包括：数据采集、保护、遥控、通信等功能。1.2 智能网关功能及技术要求发挥平台的通用、数据处理、智能运行的特点制定要求。1）智能网关外观与智能微断外观尺寸相似，宽度为一极，可安装在通用导轨上。2）智能网关需提供边缘计算功能，确保具备多种协议转换和执行多种边缘计算的处理能力。3）智能网关需向下提供通信接入能力；RS-485 有线接入能力、LoRa 接入能力（LoRa WAN 或者点对点接入）、WIFI 接入（网关本身可作为 WIFI 热点），兼容 Modbus-TCP、Modbus-RTU、LoRa 自定义协议等协议。4）智能网关需向上提供通讯接入能力，WIFI、4G（可选 5G）、以太网等网络接入能力，可选 Modbus-TCP、MQTT 和 IEC-104 等协议。5）智能网关需具备数据清洗、现场自动逻辑等边缘计算能力，可根据用户需求扩展边缘计算功能。1.3 智能后台功能及技术要求智能后台根据综合通用、高效管控、安全智能的特点制定要求。1）需实现多个软件模块的松耦合4，降低系统部署难度，提高系统稳健度和可维护性。2）需具备采用关系型数据库、缓存数据库和非关系型数据库结合的存储方式，确保多设备接入和多数据存储时的系统性能。关系型数据库用于实现设备管理、用户管理和权限管理等；缓存数据库在内存中缓存短时间内的业务数据，提高访问速度；业务数据存储在非关系型数据库中，确保数据的存储和访问效率。3）需提供多种协议，包括 IEC-104 和 MQTT 等，确保多个智能网关的数据连接和访问。4）需提供满足 OpenAPI 规范的丰富便利的数据访问接口，前台软件通过该访问接口实现数据访问、统计和远程操作等功能。5）需采用 TLS 等安全技术，确保前后台软件之间访问的安全性。6）后台可采用 Linux 或者类似稳定操作系统，提升系统稳定性和安全性。2 设计实现分析人因失误的发生原因，结合技术防控的思路，融入平台设计。核电站低压配电防人因智能管理平台从智能微断、智能网关、智能平台 3 个方面分别实现。2.1 智能微断实现智能微断是在传统断路器基础上，增加智能化功能的新一代智能化低压电气器件。智能微断和传统断路器安装方式完全相同，接线方式也完全相同。其实现方式及功能如下：1）数据采集：智能微断通过 ADC 功能，每周波 64 点采集电压、电流的实时值，通过傅里叶变换，计算出以下数据：三相电压、三相电流、三相电压谐波、三相电流谐波、有功功率、无功功率、相角和功率因素、电度、温度。通过高精度 CT 采集获得准确的电特性信息，其中电压、电流、有功、无功功率精度达到 0.1 级，电度精度不低于 0.2级，温度精度不低于 1。2）保护功能：智能微断通过软保护设定实现短路、过压、欠压、定时限过流、反时限过流、温度、接线头温度等保护，并可根据需要增加其他保护。3）遥控功能：智能微断通过遥信技术，实现远程遥控。单个设备分闸，通过手机 APP、WEB 界面对指定微断分合闸、闭锁，设置策略。如定时对单个或者一组智能微断执行分闸、合闸、闭锁和解锁等操作。同时可设置就地和远方功能，防止人员误操作。4）通信功能：微断和网关之间支持 RS-485 有线网络连接，以及 WIFI 无线连接或者 LoRa 无线连接，实现Modbus-RTU、Modbus-TCP、LoRa WAN、国家电网 LoRa低功率无线通信协议等通用通信协议，确保兼容性。2.2 智能网关实现通过已下几个功能模块，实现通讯兼容性、数据处理能力和高效稳定的网关设计。1）连接智能微断：泛在电力物联网中，采集装置的种类和数量非常大，分布也非常广，给网络连接带来困难，传统的连接方式可能无法满足需求。因此，分析各种采集装置的特点，采用以下方式融合连接：485 总线：对传统的电力采集装置，采用 485 物理链路、Modbus 规约实现多个设备的数据采集。PLC 网络：利用现有供电线路，将各种计量表计和环境测量设备耦合到电力线上，实现数据的远程采集。LoRa 网络：对于有特殊安全要求的采集装置，或者无电力线且布线麻烦的计量设备，采用 LoRa 实现数据采集。WIFI 和以太网等宽度网络：电力质量采集终端，采集数据量和频次很大，有些需要发出操作命令的装置，如果采用数字签名等安全方式，数据传输量和实时性要求也较高。PLC 和 LoRa 可能都无法满足数据实时性和带宽要求，需要采用宽带网络连接，通过以太网、WIFI 或者5G/4G 等方式连接采集装置。2）协议转换功能：将下行的 Modbus 规约、LoRa WAN规约等转换为 IEC-104 或者 MQTT 协议。3）边缘计算功能：实现一些现场逻辑功能，具备边缘第30卷62 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION计算能力，实现两类边缘计算功能。数据预处理。数据采集 APP 对每个采集到的数据进行预处理，判断数据品质；同时，根据数据品质、种类设置数据生命周期，将数据生命周期作为一个参数存储到数据库中，使同类但价值不同的数据存储的时间不同。自动逻辑。本阶段实现两类自动逻辑：顺序执行和事件执行。顺序执行：通过网关 WEB 界面，配置顺序执行逻辑，人工启动该逻辑后，按照预设的顺序和延时自动执行一系列操作；事件执行：通过网关 WEB 界面，配置事件逻辑。自动逻辑 APP 根据读取的数据，如模拟量和状态量等，满足配置参数要求后，自动输出执行指令，使微断控制更加智能、自主。4）智能网关运行可通过定制 Linux 操作系统，稳定实图2 系统架构图Fig.2 System architecture diagram现多种数据处理和逻辑运算功能。2.3 智能平台实现平台是系统提供数据存储和展示的服务器以及访问终端，其系统架构如图 2 所示。1）系统架构层次硬件层：核心板、接口板、电源模块、开入模块、开出模块、CT、PT、其他传感器、执行机构和人机接口设备等其他连接设备。系统层：主要处理操作系统和各种驱动，包括 lwIP TCP/IP 栈。应用层：主要由电气、通信、配置、安全等子系统构成。2）系统数据流实现方式平台数据流如图 3 所示，主要包括电气处理和通信处图3 系统数据流图Fig.3 System data flow diagram杨 琦核电站智能微型断路器开发及应用第12期63理两部分，通过配置管理模块实现数据的共享和模块之间的通信。此构架将所有的下行接口连接到对应网关中的对应APP，主要实现数据采集、数据缓存、数据转发、人机接口和现场智能逻辑功能。在这些功能之外，实现一个守护进程，监测各个 APP 的状态，必要时重启状态不正常的APP，提高系统的容错能力。3）智能平台可采用以下技术来实现大数据功能松耦合架构5：为松散各个 APP 的耦合程度，由数据缓存 APP 提供数据库访问接口，供其他 APP 进行数据访问。5 个 APP 和守护进程，相互之间不可以直接访问数据。设备参数和现场逻辑由主站下发或者现场配置，配置完成后存储到文件中，供对应的 APP 读取。采用 docker 虚拟化技术，将多个应用隔离，提高不同应用的健壮度。软件功能结构如图 4 所示。非关系型数据库：以 MySQL 等为代表的关系型数据库，无法满足海量接入和数据存储需求，只有采用非关系型数据库，才能实现多个微断的接入和数据存储功能。OPEN API 接口：为前端程序提供 open api 接口，实现所有的配置和数据访问功能。TLS 加密：采用 TLS 加密功能，实现前后台安全通信。平台为上行网络，提供了基于 TLS 的信息安全策略，该策略可满足数据和连接安全要求。对于下行设备，一般的采集装置没有信息安全设计，无法实现信息安全功能。如果采用 CoAP 规约，可以通过 DTLS 实现网关到采集装置信息安全策略；不采用 CoAP 规约的采集装置，设计自有图4 数据交互接口与协议/规约Fig.4 Data interaction interface and protocol/protocol的对称加密和数据签名信息安全策略，确保配置数据和远程操作的安全。3 防人因运用安全作为核电站的生命，与每一个人员息息相关，必须减少一切安全隐患的发生。核电站低压配电防人因智能管理平台可以从纵深防御的角度说明。3.1 多重防护硬件层：系统设计智能微型断路器产品，监测与处理漏电、短路、过流、过载、打火、过压、欠压、雷击浪涌、过温等电气故障，并实时将报警与负载信息通过有线或无线方式提供到系统平台，便于用电管理人员第一时间、全面掌握工厂的用电异常报警，最大限度预防电气火灾，避免人员触电伤亡。在核电站电机、线路、照明、蓄电池等设备可能出现故障时，可提前预判进行预防性维修，运用技术和管理相结合方式预防人因事故。同时，通过先进的采样计算技术实现更宽的计量量程，减少产品的型号种类，将众多物资编码变为一个，解决了设备维保方面的问题。系统层：平台采集分析电流、电压、电流谐波、电压谐波、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、相角、功率因素、频率、剩余电流，将用电情况、断路器状态定时推送实现智能巡检。支持电脑平台或手机平台远程分闸、合闸、闭锁等实时操作功能，运行隔离通过远程指令、强制闭锁、反馈监控的方式，避免就地勿动，也支持定时、分组策略自动控制功能，实现定时启停、漏保自动检测功能，解决了运行操作方面的问题。应用层：系统可以分时段精确查询各用电回路的报警记录、历史回路参数数据、历史设置记录数据，为用电安全管理人员提供清晰、精确的第一手资料。系统可以远程查询各类用电电流、电压、漏电流、开关温度、谐波等实时用电数据，为用电安全管理提供更多的现实依据，使用电安全管理更加科学，更有成效。管理人员可以通过此平台提升管辖区域内各用电区域的电气安全，最大限度预防电气火灾和人员触电伤亡事故。全局掌握工厂内正常用电与大功率电器使用数据，并利用电气故障情况统计汇总分析，有针对性地开展用电安全管理，解决了管理监管方面的问题。3.2 多道屏障在核电站实施分级授权，设置多道屏障可以提高安全性并降低人为操作失误的风险。以下提出一种分级授权实施方式：操作员级别：操作员可以监视智能微型断路器的状态并接收警报，但无权改变设备的参数或配置。他们被授权执行基础的运行和维护任务，例如复位断路器，确认报警信息等。技术员级别：技术员被授权进行一些更复杂的任务，例如更改设备参数，定期测试断路器等。他们负责日常的第30卷64 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION设备维护，可以在遇到问题时执行初步的故障排查。工程师级别：工程师可以访问所有的设备和系统设置，并且被授权执行高级的维护和调试任务。他们通常是对设备和系统有深入理解的专家，可以解决复杂的问题。管理员级别：管理员有权限访问和控制整个系统。他们可以添加和删除用户，更改用户的权限级别，以及配置系统的高级设置。他们也负责监控系统的整体性能，并确保所有的人员授权、设备定值符合要求。这种分级授权的方式可以确保每个级别的员工都只能执行他们被授权的任务，这样可以大大降低由于人为操作失误导致的问题。同时，平台采用先进的秘钥生成、存储、分发机制，使用非对称加密和对称加密算法结合，实现设备/操作人员身份认证、动态对称秘钥协商、对称加密、数字签名等功能，确保开关通信安全。4 结论针对电站断路器领域遇到的问题进行初步分析，提出了一种系统的智能控制方案，给出了从智能微断、智能网关、智能平台 3 个方面实现方案，搭建核电站低压配电防人因智能管理平台，利用平台优势进行数据实时监控、风险预警、远程操作、自我诊断和安全控制，并将防人因管理的思路融入软硬件设计、运行维护方式，有效地管控低压配电及负荷，提升安全性。这是一次融合断路器和核电站防人因管理两个领域的探索运用，其中仍有很多方向值得深入研究，利用分级管理方式进行人员行为的管理将是下一步探索的方向。参考文献：谢昌荣,曾宝国.物联网技术概论M.重庆:重庆大学出版社,2013.许友龙,刘莞,郑丽馨,等.近五年核电站人因相关运行事件统计分析与建议J.核安全,2023,22(01):49-54.刘林山.泛在电力物联网下配电微型智能断路器技术及应用J.农村电气化,2020(01):38-40.赵骥,齐晓锐,吴教丰,等.未来工业互联网松耦合结构理论、分析、评估及实现平台J.计算机集成制造系统,2021,27(05):1249-1255.杜小勇,卢卫,张峰.大数据管理系统的历史、现状与未来J.软件学报,2019,30(01):127-14l.123455 结束语安全级 DCS 系统检测核电厂异常工况并且触发必要的安全相关功能来达到并保持电厂处于安全停堆状态9，直接关系核安全相关功能的执行。因此，安全级 DCS 系统的可靠性和可用性对于核电机组运行的安全性和经济性至关重要。本文针对某核电机组数字化升级的需求，在维持外部接口不变的前提下，提出针对 AI、DI、AO、DO 4 种类型信号的冗余设计方案，实现了设备故障更换时避免测量/输出通道不可用，进而避免了机组不必要的退防。与此同时，这种设计方案提高了系统的可用率和可靠性。这种设计思路与方法同样适用于其他重要信号通道的无扰切换，不仅适用于反应堆保护系统的数字化升级项目，对于华龙系列新建核电机组批量建设也具有借鉴意义。参考文献：李帮军,贺丽岩,赵中河,等.冗余技术在DCS系统中的应用J.自动化应用,2012(06):5-6.董伟鹤,张岚,逄魁建,等.CPR1000核电站安全级DCS冗余DO配置单一故障分析J.自动化博览,2012(11):80-83.傅俊娴.Tricon系统在核电厂的应用J.仪器仪表用户,2018,25(09):71-73.武有光,张子鹏,杜枢,等.基于NASPIC平台的数字化核安全级DCS主辅数据分流研究J.科技视界,2019(14):8-10.马斌,王熙,潘东辉.NASPIC在方家山核电工程的应用研究J.核动力工程,2017,38(S2):136-139.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.单一故障准则应用于核电厂安全系统:GB/T 13626-2008S.北京:中国标准出版社,2008.严浩,丁捷,赵淄弘,等.热备架构的冗余AO模块设计J.上海交通大学学报,2018(S1):102-106.何玉鹏,姜静,徐文杰.AP1000保护与安全监视系统定期试验风险分析与优化J.电力系统装备,2017(11):191-192.12345678（上接68页）