ВИЗУАЛИЗАЦИЯ АРХИВА ПАРАМЕТРОВ ЯДЕРНОГО ЭНЕРГОБЛОКА С РЕАКТОРОМ РБМК
А.М.Загребаев, Р.Н.Рамазанов
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Россия
amzagrebayev@mephi.ru, tem@gmx.com
Содержание
3. Создание визуальной оболочки
Аннотация
Описана программа для ЭВМ, предназначенная для анализа архивных данных и визуализации различных параметров ядерного энергоблока с реактором типа РБМК-1000. Активная зона реактора состоит из 1884 каналов, каждый из которых обладает набором различных свойств и измеряемых параметров. Программа позволяет представить накопленный архив данных о состоянии энергоблока в виде картограмм состояния, прослеживать историю изменения параметров любого количества каналов в виде графиков изменения параметров по времени, выводить необходимые данные в текстовый файл. Также программа предоставляет возможности сравнивать различные параметры в любые моменты времени, представлять результат сравнения в виде картограмм или текстовых данных, что позволяет выявлять необходимые для проведения исследований участки архива. Для проведения предварительных расчётов с архивными данными предусмотрен специальный редактор скриптов Boo. Источником данных для отображения являются удаленные хранилища бинарных файлов системы «СКАЛА-МИКРО», текстовые файлы, базы данных с записями системы контроля герметичности оболочек (КГО). Входные данные приводятся к единообразному формату и записываются в базу данных PostgreSQL, что позволяет подключаться к архиву с удаленных рабочих мест.
Ключевые слова: анализ данных, научная визуализация, ядерный реактор, РБМК, СКАЛА-МИКРО, КГО, научные исследования, графическая интерпретация.
1. Введение
Реактор Большой Мощности Канальный (РБМК) – это энергетический ядерный реактор, разработанный в СССР. Данный тип реакторов – гетерогенный, уран-графитовый (графито-водный по замедлителю), кипящего типа, на тепловых нейтронах. Предназначен для выработки насыщенного пара. Теплоносителем в нём является кипящая вода. В современной России эксплуатируется 11 энергоблоков с реакторами РБМК на трёх атомных электростанциях (АЭС): Ленинградской, Курской и Смоленской. Вклад АЭС с реакторами РБМК в общую выработку электроэнергии всеми АЭС России составляет порядка 50%.
Одной из важнейших систем технологического контроля реактора РБМК-1000 является система централизованного контроля «СКАЛА». Эта система, первоначально разработанная для первых двух блоков Ленинградской АЭС («СКАЛА» расшифровывалось как Система Контроля Аппарата Ленинградской Атомной), в дальнейшем была применена на всех энергоблоках с реактором РБМК-1000 в России. Информационно-измерительная система непрерывно ведёт циклический опрос датчиков технологического контроля и контроля состояния оборудования. Такие параметры как расход, давление и температура теплоносителя, уровень в барабанах-сепараторах, параметры воды в контуре охлаждения каналов управления и защиты, параметры газового контура и т. д. вводятся в эту систему.
На АЭС между системами технологического контроля существует общестанционная сеть обмена данных. Информация с различных систем через определенные промежутки времени поступает в общую систему СКАЛА-МИКРО. Текущая информация выводится на блочный щит управления (БЩУ), а устаревшая информация собирается в базе данных. Под базой данных понимается каталог с набором файлов, содержащих всю информацию по измеряемым и расчётным параметрам, а также уставки, константы и другие данные. Глубина архива – от шести месяцев до года. Однако, работать с таким набором файлов неудобно. Помимо этого, при переполнении жёсткого диска самые ранние по времени создания архивы автоматически удаляются.
При проведении различных научных исследований, связанных с работой ядерных реакторов, часто встречаются задачи анализа архивных данных. Например, работники энергоблока могут анализировать данные для корректировки работы реактора. Также архивные данные позволяют проверить различные математические модели, описывающие физические процессы, проходящие в активной зоне реактора. Статистическая обработка данных позволяет оценивать различные вероятностные характеристики распределения полей в активной зоне, которые могут использоваться, например, для модификации алгоритмов нейтронно-физических расчётов, восстановления утраченных показаний датчиков контроля параметров энергоблока математическими методами и даже для диагностики работоспособности внутриреакторных детекторов.
Для решения задач анализа данных в настоящее время широко используется метод научной визуализации. Суть этого метода заключается в том, что исходным анализируемым данным ставится в соответствие в том или ином виде их графическая интерпретация, которая впоследствии может быть проанализирована визуально, а результаты анализа этой графической интерпретации затем истолкованы по отношению к исходным данным.
Особенно часто в исследованиях процессов, протекающих в ядерных реакторах, метод научной визуализации используется для представления данных моделирования, а также в технических средствах обучения. Примером таких систем могут служить, например, научно-технический комплекс «Ядерный топливный цикл», созданный в Харьковском научно-техническом институте, и тренажерная обучающая система ПМТ-4, созданная на базе интегрированной среды ЭНИКАД в лаборатории тренажерных систем НИЯУ МИФИ. Данные системы, как и все зарубежные комплексы, моделируют активную зону ядерных реакторов типа ВВЭР. Примером визуализации активной зоны ядерного реактора РБМК может служить разработанный в РФЯЦ ВНИИЭФ модуль визуализации характеристик КОРАТ-3D. Однако все эти системы позволяют визуализировать результаты моделирования и расчётов, в то время как часто возникает необходимость исследования реальных архивных данных с различных систем реактора, в том числе, с реакторов типа РБМК.
Таким образом, возникает задача формирования такого хранилища данных, в которое во время работы реактора типа РБМК поступала бы информация о важнейших параметрах функционирования энергоблока с различных систем технологического контроля (таких как система «СКАЛА-МИКРО», система контроля герметичности оболочек (КГО) и т.д.) Хранилище должно обеспечивать возможность хранения достаточных объемов данных. Визуальная оболочка должна обеспечивать возможность представлять данные в виде картограмм состояния, прослеживать историю изменения параметров любого количества каналов в виде графиков изменения параметров по времени, выводить необходимые данные в текстовый файл, а также сравнивать различные параметры в любые моменты времени. Результат сравнения также должен представляться визуально в виде картограмм или упорядоченных текстовых данных (таблиц). Такие возможности необходимы для выявления необходимых для проведения исследований участков архива.
2. Создание хранилища данных
Изначально на АЭС с реактором РБМК-1000 использовалась система «СКАЛА», предназначенная для осуществления технологического контроля основного оборудования, а также для выполнения расчётов. Чуть позже было внедрено второе поколение информационно-измерительных систем «СКАЛА-М». В настоящее время используется система третьего поколения «СКАЛА-МИКРО». Система реализована в виде локально-вычислительной сети. Она построена на основе микропроцессорных модульных средств управляющей вычислительной техники и персональных компьютеров. Архив системы «СКАЛА-МИКРО» формируется в виде файлов на жёстких дисках. Существует два формата хранения данных – на Курской АЭС используется старый формат хранения, на Смоленской АЭС – новый формат хранения (в виде MDX-файлов).
База данных в старом формате хранения данных состоит из 4-х категорий файлов:
- файлы констант с расширением *.INI, включают каталоги параметров, таблицы координат, масштабы, размерности измеряемых величин и другую редко изменяемую информацию;
- файлы данных с расширением *.IZM, включают коды замеров параметров, коды уставок и отклонения от уставок технологических параметров реакторной установки;
- файлы рестарта программы «ПРИЗМА» (расшифровывается как ПРограмма ИЗмерения Мощности Аппарата) без расширения, включают интегральные параметры, а также параметры, задаваемые дежурным оперативным персоналом;
- файлы с расширениями *.PRZ, *.BDN, *.STG, содержат результаты расчётов с помощью программы «ПРИЗМА» и усредняемые параметры.
В новом формате файлы рестарта и расчётов программы «ПРИЗМА» с расширениями *.PRZ, *.BDN, *.STG или без расширения отсутствуют, данные хранятся в базе Firebird. Каждой таблице базы соответствует файл с расширением *.MDX. Некоторые файлы присутствуют в каждом временном срезе, некоторые хранят данные, не зависящие от времени. Краткие описания таблиц (и соответствующих им файлов с расширением *.MDX) представлены в табл. 1, 2.
Таблица 1. Описания файлов, присутствующих в каждом временном срезе
|
Тип |
Содержимое файла |
|
DA |
Измеряемые параметры, необходимые для расчета по программе «ПРИЗМА» |
|
NR |
Загрузка реактора, градуировочные коэффициенты, дисперсии калибровки, нейтронно-физический расчёт (НФР2) |
|
CN |
Журнал констант программы «ПРИЗМА» и прочие константы |
|
CL |
Результаты расчётов по программе «ПРИЗМА» для использования в программах и процедурах печати (обновление в конце каждого расчёта) |
|
CI |
Интегральные параметры, рассчитываемые в программе «ПРИЗМА» (обновление с периодом 1 час) |
|
CG |
Данные по контролю расходов воды по каналам реактора |
|
CH |
Положение запорно-регулирующих клапанов каждого топливного канала |
Таблица 2. Описания файлов, отсутствующих во временных срезах
|
Тип |
Содержимое таблицы |
|
CP |
Массивы признаковых диагностических кодов программы «ПРИЗМА» (обновление в конце каждого расчёта) |
|
С8 |
Средние за смену значения распределенных параметров (обновление раз в смену или при санкционированном завершении работы «ПРИЗМА») |
|
US |
Уставки |
|
PL |
Результат расчёта по POLARIS |
|
PO |
Результат расчёта по POLARIS |
|
CF |
Константы для расчета по POLARIS |
|
PA |
Адреса датчиков СКПК |
|
PC |
Токи датчиков СКПК |
|
PU |
Последовательность извлечения регулирующих стержней |
К данным в новом формате прилагается файл ARC_MDX.XLS, содержащий подробные описания таблиц (файлов). Он представляет собой электронную таблицу, где каждый лист содержит описание полей одной таблицы (структуру одного файла). На рис. 1 представлен один из листов, содержащий структуру файла SANR.MDX.
Рис. 1. Описание расположения данных в SANR.MDX
Архив системы КГО формируется в базе данных MySQL, к которой можно подключаться удаленно. Однако, каждый набор данных о герметичности оболочек записывается в течение 30 минут, а данные в систему «СКАЛА-МИКРО» поступают каждые 5 минут. Поэтому необходимо связывать поступающие из различных систем данные по времени и конвертировать их в единый формат.
В качестве хранилища архивных данных была выбрана свободная объектно-реляционная СУБД PostgreSQL. Плюсом PostgreSQL является то, что она является кроссплатформенной: существует в реализациях для следующих платформ: Linux, Solaris, Windows, Mac OS X, FreeBSD, QNX. Сама программа для ЭВМ написана на языке программирования C# для .NET 2.0 и разделена на отдельные проекты. Работа с базами данных, модули преобразования данных и модули визуализации данных разнесены по разным проектам. Взаимодействие модулей показано на рис. 2.
Рис. 2. Взаимодействие модулей программы
3. Создание визуальной оболочки
Для визуализации собранных из различных систем и приведенных к единому формату данных в программе существуют модули визуализации. Они обладают гибкими возможностями, и в случае необходимости позволяют добавить свой визуализатор или сделать свой класс отображения для возможности расширения набора отображаемых параметров. Для просмотра архивной базы с удаленных рабочих мест создан специальный модуль визуализации архивных данных в удобном для пользователя виде. Этот модуль также служит для простого экспорта данных для последующего анализа и проведения расчётов.
Интерфейс модуля представлен на рис. 3. При запуске открывается главное окно программы, анализируется текущее состояние базы данных и формируется список доступных «временных срезов». В заголовке главного окна выводится информация о времени последнего обновления. На панели инструментов присутствует кнопка для обновления списка доступных срезов вручную. В центре окна программы отображается картограмма того параметра, который выбран в списке слева. Периодически (по умолчанию один раз в 30 секунд) программа автоматически обновляет список доступных срезов.
Рис. 3. Окно модуля визуализации после выбора необходимой информации
Из данных системы «СКАЛА-МИКРО» извлекаются такие параметры, как загрузка реактора, расход теплоносителя в каждом канале, информация о положении стержней СУЗ, показания датчиков контроля энерговыделения, а также расчётные параметры – мощность реактора, энерговыработка кассет и запас до кризиса (см. рис. 4, 5, 6).
Рис. 4. Загрузка реактора в начале кампании
При выводе картограмм в правой части окна программы отображается гистограмма распределения каналов по выбранному параметру. Высота столбика гистограммы соответствует числу каналов со значением параметра, лежащим в указанных пределах. Такой способ визуализации позволяет наглядно представить интегральные характеристики, а также визуально оценить плотность распределения изучаемого параметра.
Рис. 5. Расход теплоносителя в каналах реактора
Рис. 6. Энерговыработка ТВС реактора
Для тех характеристик, которые непредставимы в виде картограмм, используются представления в виде графиков и таблиц. Например, информация с системы КГО выводится в виде графиков. По графикам можно оценить, является ли информация достоверной или при сборе возникла ошибка (остановка тележки с датчиком, нулевой сигнал и т.п.). После визуального оценивания можно связать данные с архивом системы «СКАЛА-МИКРО» или же отказаться от добавления данных (см. рис. 7).
Рис. 7. Добавление информации с системы КГО
Также программа позволяет просматривать историю изменения любого параметра по времени с любой глубиной отображения архива. Такая возможность может использоваться для поиска переходных процессов (см. рис. 7) как локальных, так и глобальных.
Рис. 8. Визуализация изменения выбранного параметра по времени накопления архива позволяет выявлять переходные процессы
Активная зона реактора является в достаточной степени симметричной, поэтому в ней присутствуют схожие по характеристиками каналы. Графическое представление изменений параметров может использоваться для поиска таких схожих каналов, чтобы в дальнейшем разбивать активную зону на кластеры и проводить исследования.
Рис. 9. Изменение параметров во времени для различных каналов
Внутри визуальной оболочки можно сравнивать различные параметры в различные моменты времени и сразу же наглядно представлять результат сравнения картограмм в виде цвета. Отклонение параметров во времени отображается синим или красным цветом, причем насыщенность цвета говорит о модуле отклонения, а сам цвет о знаке отклонения. Каналы с неизменными параметрами отображаются белым цветом (см. рис. 10).
Рис. 10. Просмотр разности картограмм
Помимо этого, визуальная оболочка включает в себя специальный редактор скриптов Boo для проведения предварительных расчётов c архивными данными. Интерфейс редактора представлен на рис. 11.
Рис. 11. Редактор скриптов для предобработки информации
4. Заключение
В данной статье приведено описание программы для ЭВМ, предназначенной для анализа архивных данных и визуализации различных параметров ядерного энергоблока с реактором типа РБМК-1000.
Отметим, что рассмотренная программа для ЭВМ может использоваться как персоналом АЭС для целей управления реальным реактором, так и для проведения научных исследований архивных данных, используя только собранную на станции базу данных. Наряду с научными исследованиями программа может использоваться также и в учебном процессе НИЯУ МИФИ при обучении студентов-физиков.
В дальнейшем планируется расширение как самого комплекса программных средств научной визуализации параметров ядерного энергоблока, так и прикладных программ, использующих накопленный архив данных и их визуальные представления для научных исследований.
Список литературы
1. Nuclear Power Engineering. Problems. Solution / Edited by M.N. Strikhanov. - Part 1. - M.: Social Forecasts and Marketing Center, 2011. - 424 c.
2. Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. Канальный ядерный энергетический реактор. - М.: Атомиздат, 1980. - 208 с.
3. Канальный ядерный энергетический реактор РБМК. М.А. Абрамов, В.И. Авдеев, Е.О. Адамов и др. Под общей редакцией Ю.М. Черкашова. М.: ГУП НИКИЭТ, 2006. С.632.
4. Zagrebaev A. M., Kostanbaev S. V., Ovsyannikova N. V. et al. Flowrate monitoring in an RBMK process channel on the basis of coolant information. ATOMIC ENERGY, Volume: 108 Issue: 2 Pages: 103-107 Published: JUN 2010.
NUCLEAR REACTOR RBMK ARCHIVE DATA VISUALIZATION
A.M.Zagrebayev, R.N.Ramazanov
National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute), Russia
amzagrebayev@mephi.ru, tem@gmx.com
Abstract
The described computer program is designed for the analysis of archival data and the visualization of various parameters of the nuclear power RBMK unit. The reactor core includes 1884 channels. Each channel has varying properties and measured parameters. The program allows presenting the archive data about the condition of the unit as cartograms, tracking the history of parameters changes as graphs and writing the required data in a text file. The program also provides opportunities to compare various parameters and to represent the result of the comparison as cartograms or text data allowing identifying the areas for research. For preliminary calculations with archival data, there is a special script editor called Boo. The data to display is taken from the "SKALA-MICRO" system remote storage, text files, burst can detection system database. The input data is stored in the same format in a PostgreSQL database, which supports the remote connection to the archive.
Keywords: data analysis, scientific visualization, nuclear reactor RBMK, "SKALA-MICRO" system, burst can detection system, research, graphic interpretation.
References
1. Nuclear Power Engineering. Problems. Solution / Edited by M.N. Strikhanov. - Part 1. - Social Forecasts and Marketing Center (2011)
2. N. A. Dollezhal' and I. Ya. Emelyanov Kanal'nyj jadernyj jenergeticheskij reaktor [A Channel-Type Nuclear Power Reactor], Atomizdat, Moscow (1980) [in Russian].
3. M. A. Abramov, V. I. Avdeev, E. O. Adamov, et al., in: Kanal'nyj jadernyj jenergeticheskij reaktor RBMK [RBMK Nuclear Channel Power Reactor], Yu. M. Cherkashov (ed.), NIKIET, Moscow (2006) [in Russian].
4. Zagrebaev A. M., Kostanbaev S. V., Ovsyannikova N. V. et al. Flowrate monitoring in an RBMK process channel on the basis of coolant information. ATOMIC ENERGY, Volume 108 Issue: 2 (2010).