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压水堆核电厂通信系统分析

摘要:介绍了第三代先进压水堆核电厂通信系统的总体结构及设计原则,并对通信子系统的功能与结构进行了分析。指出第三代先进压水堆核电厂规模大、参与方多、技术性高、无成熟堆型及各参与方沟通难的问题,提出了以下建议:将通信系统设备根据负荷进行布置;考虑系统间冗余连接;仅在换料检修期间安装使用安全壳内通信设备;将时钟系统的全球定位系统(GPS)信号接收机前置。

关键词:第三代先进压水堆核电厂;通信系统;可靠性

随着科学技术的发展,核电厂将成为能源工业的重要组成部分,当前国内现役核电厂中,通信系统的设计以有线通信作为主要通信手段,系统间相互独立,无法实现数据共享,维护使用效率低。第三代先进压水堆核电厂通信系统采用分层架构,保证了系统良好的灵活性和可扩展性。根据现役核电厂运行经验的反馈,无线通信系统的便捷性和实时性是有线系统无法比拟的。以下对第三代先进压水堆核电厂通信系统的总体结构、主要通信系统的功能、设计特点等进行分析。

1第三代先进压水堆核电厂通信系统总体结构及设计原则

1.1总体结构。第三代先进压水堆核电厂为单堆布置两环路机组,电功率1250MW,设计寿命60年[1],通信设计理念以无线通信为主,主要包括无线通信、自动电话系统、应急自动电话系统、呼叫通话系统、警报与广播系统、声力电话以及时钟系统。总体结构见图1。1.2设计原则。a.可行性和适应性。保证系统在技术上的可行性、经济上的可能性。b.实用性和经济性。系统建设应始终贯彻面向应用、注重实效的方针,坚持实用、经济的原则。c.先进性和成熟性。系统设计既要采用先进的概念、技术和方法,又要注意结构、设备和工具的相对成熟。d.开放性和标准性。为了满足系统所选用的技术和设备匹配性,满足投资的长期效应以及不断扩展的功能需求,必须追求系统的开放性和标准性。e.可靠性和有效性。通信各子系统采用相对独立、运行方式各不相同但功能重叠的模式,从而保证了整个通信系统的可靠性和多样性。f.安全性和保密性。系统设计中不但要考虑信息资源的充分共享,更要注意信息的保护和隔离。g.可扩展性和易维护性。为了适应系统变化的要求,必须充分考虑系统扩展和维护的便利。h.核电厂通信系统的基础支撑系统如综合布线、供电系统和机房等也有与常规电厂不同之处,设计的难点和特殊要求在于要考虑连接核岛内外的通信线缆系统的通信贯穿件,并充分考虑通信贯穿件有一定的传递衰耗等特性。综合布线要考虑核电厂的特殊要求,采用低烟无卤阻燃的特种电缆[2]。

2通信子系统功能与结构

2.1无线通信系统。目前国内投入运行的核电站的通信手段主要为有线通信,工作的灵活性和高效性受到限制。建设一套低功率、低干扰、抗辐射的无线电话系统可大大提高核电站工作人员的沟通效率,并保证在一些极端事故下通讯的有效性。第三代先进压水堆核电厂的设计中,第一次提出了将无线通信系统作为常规事务和应急处理时的首选通信方式,首次要求覆盖全厂,在确认无线系统对核电站的安全相关设备没有干扰的前提下,核电站运行期间可以使用。无线系统采用无线保真(Wi-Fi)技术,Wi-Fi可以提供热点覆盖、低移动性和高数据传输速率。基于无线网络的特点,适宜在核电前期设置一套无线系统设备,在电厂建设期间投运,满足建设期的语音通信需求。电厂建成投产以后,可方便增加相关设备,对系统进行扩容,满足电厂运行期间的通信需求[2],并可与电厂前期的系统做到无缝连接。无线电话系统在第三代核电通信系统的设计为创新型设计,携带无线电话的工作人员可在厂区的主要区域内被呼叫,该系统由中央控制单元、便携式手持机、便携式头戴耳机、基站和天线及其他设备组成,所以无线通信系统的设计也是整个通信系统设计的重点,国内某在建第三代压水堆核电站无线系统的设计分为应用服务层,网络交换层和终端接入层。应用服务层:为无线电话系统的用户注册、存储、呼叫信令处理、媒体和业务控制、互联接入、展示服务平台。网络交换层:作为软交换网的承载网络,其作用和功能就是将边缘接入层中的各种媒体网关、控制层中的软交换机、业务应用层中的各种服务器平台、各种通信终端等软交换网网元连接起来。终端接入层:可接入的终端具有很大的灵活性,可以支持SIP协议的有线/无线通信终端,实现核电站厂房内外通信调度需求。2.2自动与应急电话系统。自动电话系统与无线通信系统互为备用,提供全厂范围内的常规语音通信,并与所需的厂外通信链路连接。系统由交换机、配线架、电话机和相关设备组成,是非安全相关系统。该系统提供所有话站间的全双工语音通讯,具有呼叫转移、支持包括无线电话系统手持机用户在内的多方电话会议。应急电话系统用于电厂重要岗位之间的备用通信联系,可以转移呼叫且能够提供多方电话会议功能。该系统的规模小于自动电话系统,系统话机主要设置在主控室、远程停堆操作室、技术支援中心和其他关键操作区域。2.3警报与广播系统。2.3.1警报系统。警报系统独立于其他所有的通信子系统,由设置在全厂范围内的声光报警显示屏及报警器等设备组成。该系统通过警报器发出警报,在厂房公共区域及高噪音环境区域设置声光报警显示屏,在主控制室和远距离停堆室提供警报触发及警报信息选择功能。发生事故时,由控制按钮触发警报系统发出相应的声警报信号和文字信息显示方式的光警报,通知人员撤离或紧急撤离,并且在事故排除后能够发出警报解除。2.3.2广播呼叫系统。广播呼叫系统的功能是在全厂范围内呼叫和调度指挥核电厂工作人员,为全厂通信系统提供更多的适应性和可靠性。该系统由通话站、功放、扬声器、调度主机、调度台与自动电话系统及应急自动电话系统的接口电路和其他相关设备组成,并且系统线路独立,不会对厂内外的其他系统施加干扰,反之亦然。系统调度台可发布生产广播信息和调度指令,对某一区域广播,也可对几个或全部区域广播。2.4声力电话。声力电话作为核电站内部设备的调试及检修专用的通信系统,能提供核电站内部任意2点或多点之间的通信联系,通过声音产生的动力,在无需任何供电的情况下,适合长时间的连续通话,可用于核电站执行任务的工作人员间的常规通讯。由手持机、声力电话插座、便携式头戴机、中央配线盘及相关设备组成。该系统故障不会危及安全相关的系统,并且不会妨碍安全停堆。声力电话主要用于以下3个回路。a.换料回路。添加燃料过程所涉及的区域中的通信话站配有换料回路声力电话插座盒,每个插座盒上设有3个通道。b.维修/测试回路。遍布于主控室的所有的通信话站、当地的控制面板、设备支架、电机控制中心(MCC)、开关设备以及大型机电都配有声力维修/测试回路插座盒。c.工厂停堆操作。战略性地配置插座盒,以便在控制室被撤走的情况下提供便利的语音通信。位于启动给水泵区、上水泵区、柴油发电机房、配电室以及主蒸汽排放阀区域的通信站配有带3个通道的声力电话插座盒。2.5时钟系统。时钟系统用来建立一个精确的时间基准,为该系统内所有子钟和电厂其他所需系统提供准确的时间信号。时钟系统采用全球定位系统(GPS)和接收机来提供一个精确的时间基准信号。使用时间基准进行校时的时钟(母钟和子钟)设置在需要同步时间的区域。

3应用中存在的问题及解决措施

第三代先进压水堆核电厂规模大、参与方多、技术性高、无成熟堆型以及项目管理的综合性增加了交流和沟通难度。由于各参与方有不同要求和对项目有不同的期望,导致在采购过程中需要多次反复地沟通和协调。第三代先进压水堆核电厂通信系统比较特殊,部分通信设备的主控单元安放在核岛,但常规岛/电站辅助设施(CI/BOP)的设备需接入核岛主控单元,从而实现通信功能,这就要求在采购设备的时候需要与业主充分沟通:首先,要理解总目标及业主的意图,尽可能保持通信设备接口的一致性及各级设备之间的匹配性;其次,在项目执行过程中,尽可能的多与业主进行交流,使业主对项目进展及时了解和跟进,避免业主反复修改技术方案导致的进度计划的拖延。3.1通信系统设备供电负荷。在项目执行过程中,非核级配电系统(EDS)配电盘负荷配置已满,以至于通信系统的负荷不断要求被压缩。由于整个核岛通信系统的部分系统主机(自动电话系统,广播呼叫与警报系统,无线系统)为2个核岛共用,且均布置在1号核岛,从而导致1号核岛用电负荷紧张。建议可以将自动电话系统,广播呼叫与警报系统,无线系统的主机根据负荷进行布置,将某些用电负荷大的设备主机移至2号核岛,从而减轻1号核电的用电负荷。3.2系统间的可靠性。自动电话系统,广播呼叫与警报系统,无线系统之间相互连接,均通过自动电话系统的交换机进行通讯,因此,对于自动电话系统的可靠性提出了很高的要求,一旦自动电话系统的主机故障,将导致广播呼叫与警报系统和无线系统之间通信中断。后续项目设计中,可以考虑冗余连接,保证系统可靠性。3.3安全壳内通信设备。第三代先进压水堆核电厂安全壳内布置了功放、话站、喇叭等,通信设备中大多为电路板等电子器件,在壳内辐照环境下,设备很快就会故障损坏。第一,影响系统的使用;第二,增加采购成本。壳内通信设备主要是为了核电站换料检修阶段施工人员的使用而设置的,在电站正常运行下,上述设备并不使用,因此,在后续设计中,可将这些设备列为可摘卸设备,仅在换料检修期间安装使用,运行期间拆除。3.4时钟系统。第三代先进压水堆核电厂时钟系统采用的传输方式仍为IRIG-B码,与目前主流的基于网络时间协议(NTP)传输方式存在滞后性,因此在与闭路电视系统连接时就存在传输方式不统一,需要增加额外的转换设备。时钟系统的GPS天线距离主机较远,且需要通过同轴电缆传输。基于同轴电缆传输距离的限制,如此布置可能导致接收信号的不准确。建议将GPS信号接收机前置的方案,无论从系统精确性角度,还是从拉线布置方面,时钟系统都得到了优化。

4结束语

本文分析了第三代先进压水堆核电厂通信系统的总体结构、主要系统功能和设计特点,并结合在项目执行过程中遇到的问题提出改进建议:将通信系统设备根据负荷进行布置;考虑系统间冗余连接;仅在换料检修期间安装使用安全壳内通信设备;将时钟系统的GPS信号接收机前置。由于核电厂通信系统覆盖面广,通信技术的发展和更新换代快,如何将新技术的采用和核电厂通信安全有效结合是一个很大的研究课题,需要设计方、供货方和业主充分沟通,以达到最佳工程实践的目标,随着依托项目的不断推进,对整个系统的认识和理解也将逐步深入。

作者:邹颖男 严振杰 单位:国核工程有限公司

参考文献:

[1]林诚格.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京:原子能出版社,2008.

[2]金怡初.秦山核电站的无线通信设计特点[J].上海电力学院学报,2009,25(2):150-152.

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