ICS27.120 CCSF60 中华人民共和国国家标准 GB/T 41821—2022 聚变装置变流器控制系统设计准则 Design criteria of control system for nuclear fusion device converter 2023-05-01实施 2022-10-12发布 国家市场监督管理总局 发布 国家标准化管理委员会 GB/T41821—2022 目 次 前言 1 范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义 系统构成 4 5 设计要求 设备状态巡检及数据采集 6 设备安装要求 GB/T41821—2022 前言 本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定 起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 本文件由全国核能标准化技术委员会（SAC/TC58）提出并归口。 本文件起草单位：中国科学院合肥物质科学研究院、合肥聚能电物理高技术开发有限公司、中南大 学、华中科技大学、核工业标准化研究所。 本文件主要起草人：黄连生、何诗英、陈晓娇、张秀青、王泽京、吴杰峰、李传、杨建、宋冬然、傅鹏、 李波、李令鹏、左英、黄素贞、李昱防、潘建均、于浩洋。 GB/T41821—2022 聚变装置变流器控制系统设计准则 1范围 本文件规定了聚变装置变流器控制系统的系统构成、设计要求、设备状态巡检及数据采集和设备安 装要求。 本文件适用于聚变装置变流器控制系统设计。其他大功率变流器电源控制系统设计参照执行。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 本文件。 GB/T2900.33 电工术语 电力电子技术 GB/T 2900.49 电工术语 电力系统保护 GB/T2900.56 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 2900.100 电工术语超导电性 GB/T4960.9 核科学技术术语 第9部分：磁药束核聚变 3术语和定义 GB/T2900.33、GB/T2900.49、GB/T2900.56.GB/T2900.83、GB/T2900.100和GB/T4960.9界 定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 聚变装置变流器 nuclearfusiondeviceconverter 实现兆瓦级以上大功率交直流变换功能，满足聚变装置磁体供电要求的装置。 3.2 运行控制器 conventionalcontroller 由比较元件和控制元件组成，执行规定操作功能的单元设备 3.3 开关网络 switchingnetworkunit 由快速直流断路器及高功率电阻构成的换流单元 3.4 保护系统 protectionsystem 完成某项规定保护功能，由一个或多个保护装置和其他器件组成。 3.5 失超保护系统 quenchprotectionsystem 在超导磁体线圈失超时用于保护磁体安全的装置或设备的集合。 注：失超保护系统包含一系列的开关装置、耗能电阻、控制及测量设备 1 GB/T41821—2022 3.6 定时功能timingfunction 在控制系统中，采取软件或硬件技术手段，给控制器软件提供不同时间分辨率的高精度时钟源，实 现在特定的时间内对时序的控制。 4系统构成 4.1系统结构 变流器控制系统与聚变装置等离子体控制系统、中央控制系统、失超检测系统（如有）存在接口。变 流器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。 聚变装置 其他 小火控制系统 系 统！ 等离了体 失超检测 控制系统 系统（如有） 变 主控制层 主控制层 运行控制器 联锁控制器 统 上控制层 控1 设备状态巡检 制 及数抑采集 设备控制层 统 设备层 设备层 运行控制器 联锁控制器 变流器 开关网络 保护系统 对于超导聚变装置，应包含失超保护系统 图1 变流器控制系统结构示意图 4.2系统层次 变流器控制系统从层次上包括主控制层和设备控制层：按控制器功能归属不同分为运行控制器和 联锁控制器。数据采集以及设备状态巡检功能可以在本系统运行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。 4.3系统特点 变流器控制系统应具备以下特点： 2 GB/T41821—2022 a） 提供实时通信网络接口，与等离子体控制系统通信，接收控制信号，实现聚变装置变流器实时 控制； b) 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； 提供控制及保护接口，用于开关网络系统的控制及测量； c） (P 提供控制及保护接口，用于保护系统（超导磁体聚变装置包含失超保护系统）的控制及测量； 独立设置设备联锁控制器。 5设计要求 5.1主控制层控制器 5.1.1功能要求 功能要求包括对主控制层运行控制器和主控制层联锁控制器的要求。 a）主控制层运行控制器的功能设计应包括： 1) 协调及同步所有设备控制层运行控制器运行时序； 2) 监控所有设备控制层运行控制器运行状态，具备综合判断及处理功能； 3） 周期性接收等离子体控制系统的控制量转换成控制信号，并下发到所有设备控制层运行 控制器，实现聚变装置变流器控制； 4) 实时接收中央控制系统的时序、逻辑等控制信号，并转发到相应设备控制层运行控制器， 实现聚变装置变流器时序、逻辑等控制； 5） 接收中央控制系统对聚变装置变流器的参数预置指令，完成自检及初始化，实现聚变装置 变流器参数配置； 6） 能切换控制模式，具备解耦控制功能，实现聚变装置变流器在多负载相互耦合条件下的稳 定运行功能。 b）主控制层联锁控制器的功能设计应包括： 1) 接收来自中央控制系统、设备控制层联锁控制器、失超检测系统（如有）的联锁信号，经联 锁控制器的逻辑算法分析处理后，生成相应指令和信号，发送至设备控制层联锁控制器、 运行主控制器及中央控制系统，实现系统联锁保护； 2）具备功能穴余，确保联锁功能可靠。 5.1.2性能要求 主控制层的运行控制器和联锁控制器的性能均应满足以下要求： 最小定时精度1μs，定时器摆动小于定时周期的5%，100s累积时间误差不超过10us； a) b) 具有不少于10个定时功能.最大控制频率10kHz； 控制周期小于1ms。 c） 5.1.3硬件及软件要求 对主控制层运行控制器和主控制层联锁控制器的硬件及软件设计要求如下。 a）主控制层运行控制器的硬件及软件设计要求如下： 1 应采用机械与抗电磁干扰加固型构架硬件系统； 2) 外部存储器应满足经久耐用、可靠稳定、存取速度快、防震抗摔、发热量低和功耗低等要 求，宜采用半导体存储介质，且具备存储元余配置； 3）控制器应选用具有实时内核的操作系统； 3 GB/T41821—2022 4）控制软件应满足实时控制要求，且具备多线程（或多进程）架构。 b）主控制层联锁控制器的硬件设计要求如下： 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； 2）宜采用故障安全型硬件系统 5.1.4接口要求 对主控制层运行控制器和主控制层联锁控制器的接口要求如下。 主控制层运行控制器的接口设计应满足以下要求： 2） 与设备控制层运行控制器具备实时通信功能； 3） 与设备状态巡检及数据采集之间采用硬件接口实现信号传输，并保证二者之间电气隔离 4） 对选取的通信方式进行抗阻塞性能测试，以满足实时通信的要求。 b）主控制层联锁控制器的接口设计应满足以下要求： 与中央控制系统采用硬件接口实现信号互联，并保证二者之间电气隔离； 1) 与设备控制层联锁控制器之间采用硬件接口实现信号互联，并保证二者之间电气隔离； 3) 与失超检测系统（如有）之间采用硬件接口实现信号互联，并保证二者之间电气隔离，该信 号至少3通道互为穴余； 4）与设备状态巡检及数据采集之间采用硬件接口实现信号传输，并保证二者之间电气隔离。 5.2设备控制层控制器 5.2.1功能要求 对设备控制层运行控制器和设备控制层联锁控制器的功能要求如下。 a) 设备控制层运行控制器的功能设计应包括： 1）实时接收主控制层运行主控制器下发的控制指令，实现对聚变装置变流器的控制； 2）需具备聚变装置变流器环流控制功能，环流电流波动小于环流设定值的40%； 3）需具备聚变装置变流器并联单元的均流控制功能，并联单元电流误差小于并联单元电流 均值的10%； 4） 在过流、快速熔断器损坏、冷却系统故障等异常情况下，具备控制聚变装置变流器正常退 出的功能。 b）设备控制层联锁控制器功能设计应包括： 1）接收主控制层运行控制器、保护系统（超导磁体聚变装置应包含失超保护系统）等联锁信 号，实现聚变装置变流器联锁保护； 25 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，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控制层运 行控制器； 3）具备功能穴余，确保联锁功能可靠。 5.2.2性能要求 对设备控制层运行控制器和设备控制层联锁控制器的性能要求如下。 a）设备控制层运行控制器的性能要求应满足： 1）最小定时精度1us，定时器摆动小于定时周期的5%，100s累积时间误差不超过10μs； 2）具有不少于10个定时功能，最大控制频率10kHz； 4 GB/T41821—2022 3）控制周期小于1ms。 b)1 设备控制层联锁控制器额性能要求应满足： 从聚变装置变流器过流保护阈值触发