核工业：微小的技术，巨大的变化

1、小型和虚拟为中心的革命

嵌入式数字设备为核工业带来了许多优势，但也存在潜在风险(图源：Michael Dziedzic，Unsplash)

对于核工业界来说，登上头条的新技术往往是关于重大的新发展和重大的技术进步。

例如出现一种新的反应堆设计，英国核管理办公室认证的三个反应堆设计，或者小型模块化反应堆。

同样的说法也适用于其他电力部门，例如海上风电的快速扩大。尽管整个电力行业的头条新闻往往是关于新形式的大型发电，但在表面之下，该行业经历了一场不同的革命——一场以小型和虚拟为中心的革命。

与制造业和运输业等其他行业一样，能源行业也受益于一些主要的全球发展趋势，如大幅降低成本，大量使用传感器等小型电子设备。

这些固态设备可以嵌入到系统和网络中，在这些系统中，它们的重要性在不断提高。

随着公司转向“云”存储，存储大量数据的成本和灵活性密切相关。

对于能源行业来说，这也意味着数百家新的小型和专业方的积极参与——从贸易商和资产管理公司，到分布式发电业主。

这些都是机会，但也存在潜在的风险。

2、数据反馈回路

传感器等嵌入式设备正变得无处不在。

在2019年的制造趋势回顾中，微软指出，运动传感器的成本，已从2004年的每台1.30美元下降到2018年的每台0.44美元。目前成本仍在下降，微软预计，到2021将有超过360亿台联网设备。

计量公司Landis和Gyr研究了传感器在配电网络中的使用，也发现成本在持续下降，传感器价格从2010年的每台0.66美元降至2020年的每台0.29美元，并预测此类传感器的市场将从2021的23亿美元同时增至2026年的38亿美元。

这些数十亿的嵌入式电子设备(EDD)，同时提供了大量的数据。

在过去，这并不是个好事，因为数据存储和处理能力不足，根本无法处理过量数据。传感器的成本下降了，数据存储和处理的成本和选项也在发生了变化。

区别在于所谓的“云”存储。

以前，安装基于单个公司的大型数据存储，代表着高资本成本，因此，充分利用EDD数据十分困难。

但“云”服务是灵活的，前期成本相对较低。随着人们克服对数据安全性和可靠性的最初担忧，电力部门的公司越来越多地使用云服务。

云服务和“存储即服务”或“软件即服务”模型的出现，导致了一个反馈回路，从而消除了使用EDD数据的障碍，使EDD的安装和使用更有可能。

由于对数据安全的担忧，能源行业最初采用云存储的速度较慢。

但这些担忧已经消退，云服务现在被能源行业以及向能源公司提供软件或中央服务(如结算)的公司例行使用。

3、仍然存在的担忧?

实际上，“云”的名字是错误的。这是一套基于地面的数据存储设施，主要依靠三家供应商：亚马逊网络服务、微软和谷歌。

英国金融服务业监管机构认为，只有三家供应商令人担忧。

据英国《金融时报》报道，监管机构和英格兰银行在最近的一次会议上讨论了这一问题，会议记录显示，“关键第三方提供的服务越来越关键，加上集中在少数供应商，在缺乏更大的直接监管的情况下，对金融稳定构成威胁。”

4、电力行业的嵌入式设备

监管机构是否会对云存储提供商采取任何行动还有待观察。与此同时，能源行业正在采用小型嵌入式设备和大数据功能。

这是核工业以前走过的一条路——例如，它在使用振动监测器等早期设备方面处于领先地位。

在核工业中，大部分无法接近的部件，以及检查或维修的高停机时间成本，让远程监测和状态维护优势凸显。

如今，新一代设备的低成本、高性能更具有吸引力。

在电力行业，新一代设备变得越来越常见，提供了越来越精细的数据，帮助发现和管理网络中断，并管理单个资产和电网本身的电力负荷。

嵌入式设备正在我们经济发展系统中普及。Landis+Gyr列出了大量用例，例如智能城市。

为什么这些对核工业很重要?

核能不是电力或能源领域的孤岛，在系统方面，无论是物理上还是电气上都紧密相连，不再依赖于缺乏相关性(所谓的“气隙”)来保持安全。嵌入式数字设备通常配有软件和通信能力，可能会产生意想不到的后果。

美国核管理委员会(NRC)在2021的一份报告中提到了这种情况，该报告为嵌入式数字设备和新兴技术开发了技术基础，作为其工作的一部分，旨在制定美国商业核电站中EDD安全使用指南。

该报告列出了EDD中意外或定义不清的活动，可能对核操作员造成意外后果的十几种情况。

例如，报告引用了在英国塞拉菲尔德燃料循环工厂安装无纸图表记录仪的一个例子。在安装后，录像机开始出现故障，大部分是“进入睡眠”或需要不断重新启动。

“录像机用相同的备件更换，退回制造商，并在大约18个月的时间内重新配置，但可靠性没有真正提高。”

原因是什么?

“图表记录器包含一个名为Cave Fly的游戏，该游戏基于电影《追捕红色十月》(Hunt for Red October)，该游戏无法从固件中删除;只能从运营商那里锁定。

在游戏锁定后，可靠性似乎有所提高，但故障从未完全消除。塞拉菲尔德决定将记录器换成另一个版本。”

更重要的是，随着设备变得更具通信性，现场和非现场发生障碍更具渗透性，安全相关系统和非安全相关系统之间的障碍也更具渗透性。

由于“现成”设备具有内置功能，用户对设备行为和交互方式的控制变得不那么确定。

由于在整个经济体中，使用这些设备在成本上具有吸引力，因此控制这些设备的物理部署能力变得更加困难。

5、NRC报告

NRC在去年的报告中指出，EDD可以“通过在组件和系统级别造成新的危险、漏洞、故障模式、触发机制和其他潜在安全问题”来影响安全，它列出了可能包含EDD的18种组件。

一些问题主要围绕首次用于核工业的产品的风险，例如市场上的新供应商不熟悉与核电工业相关的质量要求，尤其是安全相关应用的质量要求。

其他人则不那么直截了当。

其中之一是设备中可能存在未声明的数字内容(如上文塞拉菲尔德的示例)——这一问题可能会扩展到表面上熟悉的组件，因为现在用数字版本替换模拟子组件具有成本效益。

对于制造商来说，数字化的改变提供了更多的选择，并通过允许使用更少的零件进行更多配置，降低了制造成本。

商用现成设备中的数字组件，可能包含用户或评估人员未知的嵌入式软件，NRC警告，“由于设备功能保持不变，因此可能不会修改设备的产品说明书和零件号”。

因此，新的数字版本没有进行适当的质量评估，可能有新的故障机制和模式。

围绕低成本频繁使用EDD和其他技术的发展，核电站运营商必须考虑的几个问题之一就是组件中未检测到的变化。

NRC表示，“新的故障模式，可能会增加故障或失效的后果，或产生与之前评估的任何不同的事故类型的可能性”。

这可能发生在售后零件、特殊制造、维修或新建、等效、逆向工程或设计变更的情况下。

“如果不被发现，未申报的数字内容可能会进入该工厂的许可基础，并成为该工厂许可基础上的事实变化。”

6、共因失效与安全漏洞

NRC考虑了EDD是否会增加核电站对共因失效(CCF)的脆弱性。

它得出结论，EDD具有这种潜在风险，解决方案可能并不简单。通常通过具有不同的通道来避免共因失效。

然而，如果有像阀门控制器这样的通用组件都具有相同的EDD和相同的软件触发器，可能会引起共因失效问题。

但是，由于其物理位置，将不同阀门的阀门控制器放置在机架上可能会导致共因失效。“因此，虽然一个问题可能得到解决，但解决方案可能会产生其他问题。”

NRC在其报告中指出，供应链代表着“数字资产和系统的重大网络攻击途径”，通常情况下，EDD的使用越来越多，越来越可能来自核工业以外的供应商，这将增加网络安全漏洞和担忧。

无线技术“大大提高了EDD能力”并超越了其模拟对手，但同时引发了网络安全问题和电磁干扰问题。

网络安全自然是核工业和整个能源工业关注的首要问题。风险管理和质量保证提供商DNV发布的新研究表明，该行业并没有变得自满。

NRC指出，核工业对EDD的使用仍持谨慎态度，其评论认为“数字系统和组件中存在新的潜在未知故障模式，与过程工业相比，将数字系统纳入核电站的速度较慢”，这无疑将同样适用于其他新的数字技术。

NRC也认为，软件故障将是可靠性的主要威胁。它建议，如果更改会增加复杂性，那么应该非常仔细地考虑更改，即使这些更改是有用的功能，例如自动自测试。

它说：“自诊断可以通过识别错误和偏离性能来增加很多优势;然而，自诊断增加了复杂性，可能有未经测试的步骤，并且可能会错误地增加设备的信心。”

然而，美国监管机构强调了EDD和相关技术带来的机遇。例如：

如果没有车载电子设备提供的高速数据采集和处理能力以及仪表和控制(I&C)系统和组件的进步，嵌入式数字能力将使新型组件成为可能。

自动控制的新兴应用，允许在极端环境下运行的反应堆部件——NRC的例子是用磁性轴承取代机械轴承，使泵能够由可在650°C以上运行的材料制成。

允许从集中式控制架构转移，该架构需要操作员掌握发电厂特殊知识，并且涉及操作和安全系统的成本高昂且复杂的设计。NRC表示：“通过使用EDD进行局部控制，可以简化设计，简化复杂系统的操作，同时提高模块化程度，类似于面向对象的控制架构。”

总的来说，机会在于为未来提供更好装备的核工业和电力工业。

提供数据存储和分析等功能的“即服务”新嵌入式技术，以及专注于这些技术的新各方，可以帮助核工业降低成本并改进其产品，只要它们被仔细整合。

7、对网络安全的担忧日益增加

美国NRC确定了18种可能包含数字内容的EDD组件，他们是：

图表(数据)记录器;

优先级逻辑模块;

断路器;

泵;

柴油发电机;

辐射监测器;

流量计;

继电器，延时继电器;

气体分析仪;

温度变送器;

液位计;

不间断电源;

电机控制中心;

阀门执行器;

电源;

阀门;

压力变送器;

电压调节器。

DNV最近发布了网络优先权，这是一项研究调查，旨在探讨人们对能源行业网络安全状况的态度。

在该测试和验证中，公司与世界各地从事电力、可再生能源和石油天然气行业的940多名能源专业人士进行了交谈。

报告显示，大多数人认为网络攻击是一个主要漏洞。受访者认为，在未来两年内，对该行业的网络攻击可能导致运营关闭(85%)、能源资产和关键基础设施损坏(84%)、环境损害(74%)或生命损失(57%)。

DNV表示，俄乌战争爆发后，人们对这些威胁的担忧加剧，67%的受访者表示，最近针对该行业的网络攻击促使他们对其安全策略和系统进行了重大更改。