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基于FPGA的反应堆保护系统可靠性建模与分析

张栋良 张凯文 张超凡

张栋良, 张凯文, 张超凡. 基于FPGA的反应堆保护系统可靠性建模与分析[J]. 核动力工程, 2021, 42(5): 173-177. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0173
引用本文: 张栋良, 张凯文, 张超凡. 基于FPGA的反应堆保护系统可靠性建模与分析[J]. 核动力工程, 2021, 42(5): 173-177. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0173
Zhang Dongliang, Zhang Kaiwen, Zhang Chaofan. Reliability Modeling and Analysis of Reactor Protection System Based on FPGA[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(5): 173-177. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0173
Citation: Zhang Dongliang, Zhang Kaiwen, Zhang Chaofan. Reliability Modeling and Analysis of Reactor Protection System Based on FPGA[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(5): 173-177. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0173

基于FPGA的反应堆保护系统可靠性建模与分析

doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0173
基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金(51906133);上海市科委地方能力建设项目(18020500900)
详细信息
    作者简介:

    张栋良(1977—),男,副教授,博士,硕士生导师,现从事火电和核电站控制系统和故障诊断技术研究,E-mail: fire_zdl@163.com

    通讯作者:

    张凯文,E-mail: zhangkaiwen73@163.com

  • 中图分类号: TL334

Reliability Modeling and Analysis of Reactor Protection System Based on FPGA

  • 摘要: 为建立基于现场可编程门阵列(FPGA)的反应堆保护系统的可靠性模型,以对系统安全提供有效的分析与验证手段。本研究采用故障树、随机Petri网模型,对CANDU堆1号停堆系统(SDS1)单通道进行可靠性建模与分析。对故障树模型分析得到最小割集,以顶事件发生概率作为系统故障概率,在考虑故障检测、维修与定期试验情况下对随机Petri网模型进行仿真得到系统的拒动概率。研究结果表明,故障树和状态空间方法存在一定局限性,随机Petri网能够反映故障检测与定期试验对反应堆保护系统的影响,可以动态地反映系统可靠性,并且避免了状态空间爆炸问题。因此,本研究建立的随机Petri网模型适用于反应堆保护系统的可靠性建模。

     

  • 图  1  SDS1停堆架构

    Figure  1.  Shutdown Architecture of SDS1

    图  2  SDS1的停堆拒动故障树模型

    Figure  2.  Fault Tree Model of SDS1 Shutdown Rejection

    图  3  SDS1的Markov模型

    λ—系统故障率;λ2—停堆逻辑模块与故障检测模块同时失效的概率;μ—维修率;ψ—响应故障检测信号开始维修的概率

    Figure  3.  Markov Model of SDS1

    图  4  SDS1单通道随机Petri网模型

    p1—停堆逻辑模块初始状态;p2—停堆逻辑模块故障状态;p3—故障检测模块初始状态;p4—故障检测模块故障状态;p5—系统开始维修状态;p6—未检测到停堆逻辑模块失效;p7—停堆信号;p8—产生停堆指令;p9—正常停堆;p10—系统未停堆;p11—定期试验;t1—停堆逻辑模块发生故障;t2—未发现系统故障;t3—故障检测模块发生故障;t4—系统准备维修;t5—检测到停堆信号;t6—停堆动作;t7—停堆拒动;t8—开始进行定期试验;t9—开始维修故障模块

    Figure  4.  SPN Model for Single Channel of SDS1

    图  5  无定期试验停堆拒动概率

    Figure  5.  Probability of Shutdown Rejection without Periodic Test      

    图  6  有定期试验停堆拒动概率

    Figure  6.  Probability of Shutdown Rejection with Periodic Test      

    表  1  造成停堆拒动事件的最小割集

    Table  1.   Minimal Cut Set Causing Shutdown Rejection Event

    i最小割集基本事件描述
    1 {X3,X2,X0}  输入模块上限比较故障;输入信号故障;输入模块时钟故障
    2 {X6,X7}  使能信号故障;决策模块时钟故障
    3 {X9,X10}  手动停堆故障;输出模块比较器故障
    4 {X4}  决策模块比较器故障
    5 {X1,X5}  决策模块上限比较故障;下限比较故障
    6 {X9,X11}  手动停堆故障;与门故障
    7 {X0,X2,X8}  输入模块时钟故障;输入信号故障;与门故障高输出
    下载: 导出CSV

    表  2  随机Petri网模型仿真参数

    Table  2.   SPN Model Simulation Parameters

    参数名称参数值
    系统故障率5.95×10−4
    系统运行时间/h10000
    定期试验时间/h2500
    维修时间/h24
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-24
  • 修回日期:  2020-09-23
  • 刊出日期:  2021-09-30

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