具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。

本发明实施例提供了一种核电站严重事故仪表可用性仿真分析方法，如图1所示，该方法包括：

S100、基于核电站仪表的实际电路，构建各仪表的仿真电路；

S200、对各仪表的仿真电路中各元器件的不同环境影响因素进行环境试验，得到不同环境下的各元器件参数的变化情况，以及不同环境影响因素的具体参数对电路性能的影响；

本发明实施例中，S200包括：分析各仪表的仿真电路中各元器件并对其进行相应的环境试验，观察和记录不同环境下电路中各元器件参数的变化以及电路的输出电流波形，绘制出电路输出随环境影响因素改变而变化的曲线图，得出不同环境影响因素对电路性能的影响。

S300、基于各仪表的实际电路和等效电路，建立仪表电路模型；

本发明实施例中，S300包括：对于各仪表信号传输通道中相关组成部分的各元器件参数已知的情况下，按照实际电路进行仿真建模，对于各仪表信号传输通道中某组成部分中部分元器件参数未知的情况下，建立等效电路。

S400、基于各仪表在不同严重事故下环境影响因素的具体参数以及等效电路的特点，确定仪表电路模型中各仪表可能的电路变化模式及仿真方案；

S500、基于各仪表在不同环境下的各元器件参数的变化情况，修改等效电路中的相关参数，模拟不同环境影响因素的具体参数对电路性能的影响，在仪表电路模型中建立性能降级的电路特征；

S600、在仪表电路模型中引入噪声电路，将其并入各仪表的供电和信号获取部分，接入等效电路电缆，建立完整的电路模型；

本发明实施例中，S600包括：使用一个串联的电压源来模拟高温情况下电阻上的热噪声；在仪表电路模型中仪表电缆输出端的屏蔽部分与地之间接入一个50Hz的正弦波发生器来模拟工频干扰噪声。

S700、基于完整的电路模型，按照计算所得的严重事故环境条件设置环境影响因素的具体参数，运行仿真，得到仪表输出信号即仿真结果，将完整的电路模型的仿真结果与各仪表的各元器件典型环境试验结果和/或仪表鉴定试验进行对比，不断迭代修正环境影响因素的具体参数，最终实现与试验时真正的仪表输出保持一致，得到最终的仿真模型。

本发明实施例中，S700包括：根据严重事故下核电站各仪表的可用情况以及仪表鉴定要求，将各仪表输出信号可能出现的不正常情况分为以下几种：信号大小超过正常信号范围、信号大小低于正常信号范围、信号值不变和不稳定存在振荡。

举例来说，如图2所示，首先根据核电厂仪表变送和信号传输电路特点，建立仪表电路模型，包含所有仪表电路关键元器件和仪表信号传输通道所有关键部件(例如电缆连接件、贯穿件、电缆、接线盒等)，并与原仪表电路针对同一输入的输出进行比较，以确认电路模型的有效性；然后根据各类元器件在不同环境条件下的参数，计算各元件参数在不同工况环境下的变化情况；再利用试验得到的元件参数通过软件仿真得到该工况下仪表信号的输出情况，并以不同工况下仪表信号的输出情况为依据，分析比较该工况下仪表的可用性；结合典型仪表鉴定数据以及相关文献试验数据验证模型及影响量引入合理性。进而通过电路仿真确定仪表可用和不可用的评判阈值，验证所得可用性判断阈值的可信度，设计不同环境条件影响量(例如温度、湿度、辐照等)下的仪表输出信号测试试验，结合仪表鉴定试验数据验证评判阈值选取的合理性。本发明以仪表输出信号作为可用性的评价依据，相比于传统评价方法，降低了保守性。

本发明采用建立电路模型的方式，充分利用电路仿真软件的功能，结合电子元件环境应力和失效机理分析，研究仪表在核电厂严重事故环境下的元件参数的变化、失效模式和噪声引入等，建立合理电路模型，并根据环境条件设置合理的元件参数，添加合理的噪声源。利用电路仿真软件的温度扫描功能计算电路元件参数值的变化，在不同温度下对于给定典型输入，比较电路的输出与额定输出的偏差，分析仪表测量精度的变化。

下面以严重事故用电容式压力变送器为例进行详细说明。

将整个压力仪表信号传输电路分为三个部分：变送器部分、信号传输线路部分和控制室部分，如图3所示。

·传感变送器部分

严重事故用电容式变送器为典型的4～20mA标准信号变送器。

·信号传输部分

以双绞屏蔽对连接电缆作为研究连接部分的对象，双绞屏蔽电缆的线对外有一层金属箔，具有较好的抗干扰性。

·控制室部分

根据项目实际情况，信号接收部分会因产品供货商不同而有差别，为了方便建模比较，对于控制室信号接收部分的研究，采用较为普遍的电压源的负极侧和屏蔽层接地的电路模型进行仿真分析。

(1)电路建立与仿真

传感变送器部分

根据其实际电路图，建立电路仿真模型。

信号传输部分

将双绞屏蔽连接电缆用导线电感和介电电容表示，其中电缆屏蔽层为电阻率较薄的半导电层，故在此不考虑电阻，仅模拟电感和电容，其中电容、电感数值可根据导线的长线干扰模型来计算。

控制室部分

接收器表示为电源，直流电压源和分流电容。电压源将电流驱动到与发射器串联的电压感测电阻器。电压源的负极侧和屏蔽层接地，“实际情况中，传感电阻的大小和它接地的位置因工厂而异，并将直接影响安全壳中环境引起的电路退化的敏感性。”

(2)试验验证(如需要)

在构建了合理的仿真电路即(1)中的电路仿真模型之后，需要通过电路中元件的温度、湿度、辐照等环境参数试验，来得到不同的电阻、电容、电感在不同环境下的物理量值(如电阻的阻值、电容的电容值、电感的电感值等)变化情况，再根据某具体环境试验得到的原件物理量值通过仿真试验得到仪表在该种环境下仪表信号的输出情况。

为得出不同温度、湿度等环境条件对电路性能的影响，可分析电路关键元器件并针对这些关键元器件进行对应的环境试验，观察和记录不同环境条件下电路中关键元件参数的变化以及变送器电路的输出电流波形。绘制出电路输出随环境影响因素改变而变化的曲线图，得出不同环境影响因素对电路性能的影响。

(3)仪表电路模型

仪表电路模型是对(1)中的传感变送器部分的仿真建模。在仪表测量通道中相关的仪表电路、电缆、连接件等组成部分的各项元器件及其参数均已知的情况下，可按照实际电路进行仿真建模，以获取更高的仿真精度。对于通道中某组成部分或仪表中部分元器件的参数未知的情况，可采用在端钮处具有相同端电压、端电流及其伏安关系的两个网络，进行等效。等效电路主要包括直流等效、交流等效及元器件等效。例如可根据变送器的电路特性，考虑为直流等效及元器件等效。仪表中部分元器件的等效则严格依照等效的定义，其简化后的电路特征需要对外保持等效。

(4)确定不同严重事故环境影响因素对等效电路的影响

由于严重事故序列和仪表安装位置不同，各仪表需要考虑的环境因素的具体参数也不同。计算出环境参数后，根据给出的等效电路的特点，确定其可能的电路变化模式及仿真方案。

例如：热电阻变送器等效电路如图4所示，其关键电气参数包括输入漏电阻R10，导线电阻R2、R3、R4和R5，导线电感L2、L3、L4、L5，屏蔽层电阻R1和电感L1，输入电容C1，仪表电缆的导线之间的电容C3和C4，导线对屏蔽层的电容C5，仪表电缆的导线与屏蔽之间的电容C2、C5和电阻R11，输出电阻R7。然后根据无源元件(电阻和电容)的温度系数和事故后环境温度，根据式(1)改变无源元件的参数。

R＝R_ref[1+α(T-T_ref)] (1)

其中，R为温度T下的导体的阻值，R_ref为参考温度T_ref下导体的阻值,参考温度通常为20℃，α为电阻导体材料的温度系数，T为导体的温度，单位为摄氏度，T_ref为导体参考温度，单位为摄氏度。

当仪表电缆密封性能降级，水或潮气进入电缆内部，可导致导线间的电容如C3和C4增大，从而使温度测量的响应时间变长。

(5)建立性能降级的电路特征

部分严重事故环境因素可能导致仪表(包括电缆)防护降级，保护外壳受损、绝缘及屏蔽性能下降等。可以通过按照仪表元器件在不同环境下的参数变化规律修改等效电路中的对地或电缆间电阻、电容等参数，模拟实际环境对其的影响，建立性能降级的电路特征。

图5为被辐照过的电阻的等效电路(R为辐照前电阻)。电路中有一个与γ剂量率成正比的康普顿置换电流，以及由中子引起的永久性的电阻变化ΔR；瞬态并联泄漏电阻Rs与γ剂量率成反比。并联泄漏电阻和康普顿置换电流的一次近似值为：

(6)引入噪声电路

严重事故环境条件下，电磁环境恶化，仪表抗干扰能力减弱，各类噪声会通过不同途径与仪表电路耦合。通常以电感耦合、电容耦合、电磁辐射等形式串入干扰电压或因本地和远方的地电位不同而直接导入。噪声干扰通常由供电线、信号输入输出线及外壳引入。因此噪声电路可并入仪表的供电和信号获取部分，接入等效电路电缆，建立完整的测量电路。以下给出高温下热噪声和工频干扰引入的模拟方法。

电阻热噪声模拟

1.高温情况下电阻R上的热噪声可以用一个串联的电压源来模拟，如图6所示，其单边谱密度为：

S_V(f)＝4kTR,f≥0

其中，k为玻尔兹曼常数，T为电阻工作温度。

2.工频干扰噪声模拟

当变送器仪表电缆的屏蔽层由于严重事故后高温、辐照而受损后，屏蔽层对地电阻减小，电容增大，屏蔽对于地线失效，工频干扰对电路输出产生明显影响。根据变送器的安装位置，在仪表电缆敷设路径上最可能由于电缆同地之间寄生电容引入共模干扰信号。因此，可在电路模型中仪表电缆输出端的屏蔽部分与地之间接入一个50Hz的正弦波发生器来模拟工频干扰，如图7所示。

(7)运行仿真程序，对比输出波形

通过上述步骤以建立完整的核电厂严重事故工况的电路模型，按计算所得的严重事故环境条件设置环境变量，运行仿真。通过电路模型的输出量可以得到相应环境下的输出波形。根据事故核电站的仪表可用情况及仪表鉴定要求将仪表输出信号可能出现的不正常情况分为以下几种：信号大小超过正常信号范围、信号大小低于正常信号范围、信号值不变和不稳定存在振荡。

分析环境对仪表可用性的影响，给出事故环境条件对仪表输出信号的影响，并可结合可用性分析软件在预计仪表的可能失效模式及计算可用性。

采用本发明实施例的方法，对仪表进行电路仿真，给出了环境条件影响量的引入方案，仿真建模的方法及流程。通过建立典型仪表电路的等效模型，根据对该仪表环境条件及故障模式的分析，可以得到该仪表在事故工况下未受噪声干扰及受到噪声干扰的电路模型的输出波形。通过将电路模型的仿真结果同关键元器件典型环境试验结果和/或仪表鉴定试验试验进行对比，如阈值超差则进一步对仿真模型进行修正，用于评价结论及失效原因分析。在可用性评价的基础上，电路仿真法在一定程度上可以预测事故环境下仪表性能变化趋势，并从理论上解释了环境对仪表影响原因。该方法的评价结果可以很好的运用于核电厂严重事故管理及薄弱环节分析中，还可以用于改进严重事故监测的仪表设计，提高其在严重事故下的生存能力。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种核电站严重事故仪表可用性仿真分析系统，如图7所示，包括：

构建模块100，用于基于核电站各仪表的实际电路，构建各仪表的仿真电路；

试验模块200，用于对各仪表的仿真电路中各元器件的不同环境影响因素进行环境试验，得到不同环境下的各元器件参数的变化情况，以及不同环境影响因素的具体参数对电路性能的影响；

建立模块300，用于基于各仪表的实际电路和等效电路，建立仪表电路模型；

确定模块400，用于基于各仪表在不同严重事故下环境影响因素的具体参数以及等效电路的特点，确定所述仪表电路模型中各仪表可能的电路变化模式及仿真方案；

模拟模块500，用于基于各仪表在不同环境下的各元器件参数的变化情况，修改等效电路中的相关参数，模拟不同环境影响因素的具体参数对电路性能的影响，在仪表电路模型中建立性能降级的电路特征；

引入模块600，用于在仪表电路模型中引入噪声电路，将其并入各仪表的供电和信号获取部分，接入等效电路电缆，建立完整的电路模型；

仿真模块700，用于基于完整的电路模型，按照计算所得的严重事故环境条件设置环境影响因素的具体参数，运行仿真，得到仪表输出信号即仿真结果，将完整的电路模型的仿真结果与各仪表的各元器件典型环境试验结果和/或仪表鉴定试验进行对比，不断迭代修正环境影响因素的具体参数，最终实现与试验时真正的仪表输出保持一致，得到最终的仿真模型。

需要说明的是，本发明的核电站严重事故仪表可用性仿真分析系统与前述的核电站严重事故仪表可用性仿真分析方法属于同一发明构思，具体实施方式不再赘述。

采用本发明实施例的系统，对仪表进行电路仿真，给出了环境条件影响量的引入方案，仿真建模的方法及流程。通过建立典型仪表电路的等效模型，根据对该仪表环境条件及故障模式的分析，可以得到该仪表在事故工况下未受噪声干扰及受到噪声干扰的电路模型的输出波形。通过将电路模型的仿真结果同关键元器件典型环境试验结果和/或仪表鉴定试验试验进行对比，如阈值超差则进一步对仿真模型进行修正，用于评价结论及失效原因分析。在可用性评价的基础上，电路仿真法在一定程度上可以预测事故环境下仪表性能变化趋势，并从理论上解释了环境对仪表影响原因。该方法的评价结果可以很好的运用于核电厂严重事故管理及薄弱环节分析中，还可以用于改进严重事故监测的仪表设计，提高其在严重事故下的生存能力。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。