DB34 T 3440-2019 聚变装置变流器控制系统设计要求.pdf

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1、ICS 27.120.99 F 60 DB34 安徽省地方标准 DB 34/T 34402019 聚变装置变流器控制系统设计要求 Design requirements of converter control system for nuclear fusion device 文稿版次选择 2019 - 11 - 04 发布 2019 - 12 - 04 实施 安徽省市场监督管理局 发布 DB34/T 34402019 I 前 言 本标准按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。 本标准由中国科学院等离子体物理研究所提出。 本标准归口单位：安徽省核聚变工程技术及应用标准化技术委员会。

2、本标准起草单位：中国科学院等离子体物理研究所、安徽省质量和标准化研究院。 本标准主要起草人：黄连生、高格、傅鹏、陈晓娇、何诗英、程鸣。 DB34/T 34402019 1 聚变装置变流器控制系统设计要求 1 范围 本标准规定了聚变装置变流器控制系统的术语和定义、 通用要求、 系统构成、 设计要求和系统集成。 本标准适用于超导聚变装置兆瓦级变流器控制系统（以下简称 “控制系统 ”）设计，其它类似的电源 控制系统设计可参考执行。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用

3、于本文件。 GB/T 2900.33 电工术语 电力电子技术 GB/T 2900.56 电工术语 控制技术 GB/T 2900.83 电工术语 电的和磁的器件 GB/T 4960.9 核科学技术术语 第9部分：磁约束核聚变 GB/T 2900.100 电工术语 超导电性 3 术语和定义 GB/T 2900.33、GB/T 2900.56、GB/T 2900.83、GB/T 4960.9 和 GB/T 2900. 100 界定的以及下列 术语和定义适用于本文件。 3.1 开关网络 switchin g network unit（SNU） 由快速直流断路器及高功率电阻构成的换流单元。 4 通用要求

4、 4.1 聚变装置变流器 实现电能变换的功能，为聚变装置磁体供电，实现聚变装置等离子体的产生、加热、控制及约束。 4.2 控制系统 4.2.1 应提供实时通讯网络接口，与等离子体控制系统通讯，接收控制信号，实现聚变装置变流器实 时控制。 4.2.2 应提供网络接口及硬件接口，与聚变装置中央控制系统实现信号交互及系统状态联锁。 4.2.3 应提供控制及保护接口，用于开关网络系统的控制及测量。 4.2.4 应提供控制及保护接口，用于超导磁体失超保护系统的控制及测量。 DB34/T 34402019 2 4.2.5 应独立设置设备联锁保护控制器。 5 系统构成 5.1 控制系统与托卡马克装置等离子体

5、控制系统、中央控制系统、失超检测系统存在众多接口。控制 系统采用主控制层与设备控制层相结合的主从系统结构，所有变流器应具有相互关联的运行时序及逻 辑。结构如图 1 所示。 主控制层常规控制器 主控制层联锁控制器 设备层常规控制器 设备层联锁控制器 等离子体 控制系统 托卡马克中央控制系统 失超检测 系统 其它系统 变流系统 主控制层 变流系统 设备层 失超保护系统开关网络 SNU 其它系统 直联 IO信号 通讯网络 通讯网络 或 /及 直联 IO 信号 图1 控制系统结构 5.2 控制系统从层次上包括主控制层控制器和设备层控制器两个控制层；从控制器功能归属分为常规 控制器和联锁控制器。数据采集

6、以及设备监控功能可以在本系统常规控制器及联锁控制器中实现，也可 以采用独立的硬件系统实现。每一类型控制器设置必要的信号接口单元，实现信号交互。 6 设计要求 DB34/T 34402019 3 6.1 主控制层常规控制器 6.1.1 功能要求 6.1.1.1 协调及同步所有设备层常规控制器运行时序。 6.1.1.2 综合所有设备层常规控制器运行状态，并进行综合判断及处理。 6.1.1.3 周期性接收等离子体控制系统的控制量，并将控制量下发到所有设备层常规控制器，实现聚 变装置变流器控制。 6.1.1.4 能切换控制模式，实现聚变装置变流器控制在聚变装置多负载相互耦合条件下需具有解耦控 制功能。

7、 6.1.1.5 接收中央控制系统对聚变装置变流器的预置参数，实现聚变装置变流器参数配置。 6.1.1.6 实时接收中央控制系统的时序、逻辑等控制信号，并转发到相应设备层常规控制器，实现聚 变装置变流器时序、逻辑等控制。 6.1.2 性能要求 6.1.2.1 运行程序具备最小定时精度 1 us 的定时功能，定时器摆动小于定时周期的 5。定时器 100 s 累积时间误差小于 10 s。 6.1.2.2 运行程序具有不少于 10 个定时功能，最小定时周期不大于 100 s。 6.1.2.3 运行控制周期不大于 1 ms。 6.1.3 硬件要求 6.1.3.1 应采用加固型构架的硬件系统。 6.1.

8、3.2 外部存储器宜采用半导体存储介质，不宜采用机械硬盘，且具备存储冗余配置。 6.1.4 软件要求 6.1.4.1 控制器安装具有实时内核的操作系统。 6.1.4.2 控制程序应运行在实时内核上，且具备多线程（或多进程）架构。 6.1.4.3 控制程序宜采用 C 语言或 C+语言编写。 6.1.5 接口要求 6.1.5.1 与等离子体控制系统应具备实时通讯功能，通讯带宽不小于 100 Mbps、周期不大于 1 ms、传 输延时不大于 300 s，不应采用可能产生阻塞的通讯方式。 6.1.5.2 与聚变装置中央控制系统应具备网络通讯功能，应采用应答式可靠通讯机制，通讯带宽不小 于 100 Mb

9、ps。 6.1.5.3 与设备层常规控制器应具备实时通讯功能，通讯带宽不小于 100 Mbps、周期不大于 1 ms、传 输延时不大于 300 s，不应采用可能产生阻塞的通讯方式。 6.2 主控制层联锁控制器 6.2.1 功能要求 6.2.1.1 接收来自中央控制系统、失超检测系统、设备层联锁控制器的联锁信号，经综合处理后并将 相应指令和信号发送至设备层联锁控制器、常规主控制器及中央控制系统，实现系统联锁保护。 6.2.1.2 应具备功能冗余，确保联锁功能可靠。 6.2.2 性能要求 DB34/T 34402019 4 6.2.2.1 程序具备最小定时精度 1 s 的定时功能， 定时器摆动小于

10、定时周期的 5%， 定时器 100 s 累 积时间误差小于 10 s。 6.2.2.2 程序具有不少于 10 个定时功能，最小定时周期不大于 100 s。 6.2.2.3 运行控制周期不大于 1 ms。 6.2.3 硬件要求 6.2.3.1 宜采用嵌入式硬件系统，不宜采用基于总线制的计算机硬件系统。 6.2.3.2 宜采用故障安全型硬件系统。 6.2.4 接口要求 6.2.4.1 与中央控制系统应采用硬件接口实现信号互联，并保证两个控制器之间电气隔离。 6.2.4.2 与失超检测系统之间应采用硬件接口实现信号互联，并保证两个控制器之间电气隔离，该信 号至少 3 通道互为冗余。 6.2.4.3

11、与设备层联锁控制器之间应采用硬件接口实现信号互联，并保证两个控制器之间电气隔离。 6.3 设备层常规控制器 6.3.1 功能要求 6.3.1.1 实时接收常规主控制器下发的控制指令，实现对聚变装置变流器的控制。 6.3.1.2 需具备聚变装置变流器环流控制功能时，环流电流波动小于环流设定值的 40。 6.3.1.3 需具备聚变装置变流器并联单元的均流控制功能时，并联单元电流误差小于并联单元电流均 值的 10。 6.3.1.4 在过流、快速熔断器损坏、冷却系统故障等故障情况下，应具备控制聚变装置变流器正常退 出的功能。 6.3.2 性能要求 6.3.2.1 程序具备最小定时精度 1 s的定时功能

12、， 定时器摆动小于定时周期的5， 定时器 100 s 累 积时间差小于 10 s。 6.3.2.2 程序具有不少于 10 个定时功能，最小定时周期不大于 100 s。 6.3.2.3 运行控制周期不大于 1 ms。 6.3.3 硬件要求 6.3.3.1 应采用加固型构架的硬件系统。 6.3.3.2 外部存储器宜采用半导体存储介质，不宜采用机械硬盘，且具备存储冗余配置。 6.3.4 软件要求 6.3.4.1 控制器安装具有实时内核的操作系统。 6.3.4.2 控制程序应运行在实时内核上，且具备多线程（或多进程）架构。 6.3.4.3 控制程序宜采用 C 语言或 C+语言编写。 6.3.5 接口要

13、求 6.3.5.1 与主控制层常规控制器具备实时通讯功能， 通讯带宽不小于 100 Mbps， 通讯周期不大于 1 ms， 传输延时不大于 300 s。 DB34/T 34402019 5 6.3.5.2 与设备层联锁控制器之间应采用硬件接口实现信号互联，并保证两个控制器之间电气隔离。 6.3.5.3 设备层常规控制器具备与开关网络（SNU）硬件接口，并保证两个控制器之间电气隔离。 6.4 设备层联锁控制器 6.4.1 功能要求 6.4.1.1 接收主控制层常规控制器、失超系统等联锁信号，实现聚变装置变流器联锁保护。 6.4.1.2 实时检测聚变装置变流器输出的电流及其他设备联锁信号，综合处理

14、，在故障情况下实现聚 变装置变流器联锁保护，同时将联锁信号传送至主控制层联锁控制器及设备层常规控制器。 6.4.1.3 应具备功能冗余，确保联锁功能可靠。 6.4.2 性能要求 6.4.2.1 收、发失超保护信号的总延时不大于 20 ms。 6.4.2.2 从聚变装置变流器过流保护阈值触发到保护信号输出的总延时不大于 10 ms。 6.4.3 硬件要求 6.4.3.1 宜采用嵌入式硬件系统，不宜采用基于总线制的计算机硬件系统。 6.4.3.2 宜采用故障安全型硬件系统。 6.4.4 接口要求 6.4.4.1 与主控制层联锁控制器之间应采用硬件接口实现信号互联， 并保证两个控制器之间电气隔离。

15、6.4.4.2 与设备层常规控制器之间应采用硬件接口实现信号互联，并保证两个控制器之间电气隔离。 6.4.4.3 与失超保护系统之间应采用硬件接口实现信号互联，并保证两个控制器之间电气隔离。 7 附属功能 7.1 设备监控 7.1.1 功能要求 实现对聚变装置变流器所有设备的运行状态信息采集、监视、开关的远程合闸及分闸操作，监控范 围包括但不限于： a) 交流侧高压开关合闸及分闸状态； b) 整流变压器绕组温度； c) 聚变装置变流器冷却系统运行状态； d) 聚变装置变流器快速熔断器状态； e) 聚变装置变流器交流母排及直流母排温度； f) 交流侧及直流侧过电压保护单元运行状态； g) 聚变装

16、置变流器输出端接地电流。 7.1.2 性能要求 设备状态巡检周期应不大于 100 ms。 7.2 数据采集及存储 DB34/T 34402019 6 7.2.1 功能要求 采集聚变装置变流器运行过程中的关键参数，用于聚变装置变流器性能分析或作为故障分析依据。 以下设备运行参数、信号应被采集及存储： a) 聚变装置变流器子单元输出电压； b) 聚变装置变流器子单元输出电流； c) 聚变装置变流器总输出电压； d) 聚变装置变流器总输出电流； e) 等离子体控制系统输出的聚变装置变流器控制指令； f) 中央控制系统的配置信息； g) 中央控制系统的联锁信号； h) 失超检测系统的失超信号。 7.2

17、.2 性能要求 7.2.2.1 模拟信号采样频率不小于 5 倍信号截止频率。 7.2.2.2 确保有效采集脉冲宽度 1 ms 的数字信号。 7.2.2.3 所有信号被记录，应具有相同的零时刻，通道之间零时刻误差不大于 10 s。 7.2.2.4 所有信号有效存储，并具备历史数据检索、查阅功能。 8 系统集成 8.1 通用要求 8.1.1 控制系统应按层级分类集成，设备层控制器与主控制层控制器分别安装在相互独立机柜内。 8.1.2 控制系统应按功能分类集成，常规控制器及联锁控制分别安装在相互独立机柜内。 8.1.3 控制柜柜内状态须在线监测，包括但不限于：机柜内温度、机柜内湿度、机柜门开合状态。 8.1.4 控制系统具有可靠接地点，控制系统接地网络应与主设备接地网络分离。 8.2 控制电源要求 8.2.1 常规控制器采用单回路供电，应使用在线式不间断电源供电，控制电与动力电应使用变压器隔 离。 8.2.2 联锁控制器应采用双回路冗余供电，其中一回路应使用在线式不间断电源供电，另一回路可以 采用常规供电，控制电与动力电应使用变压器隔离。 8.2.3 每一控制器电源进线端应安装熔断器或断路器。 8.2.4 安装于聚变装置变流器内部的控制器低压直流电源（不大于 48 V），应采用线性电源供电。 _