1　概述

   隨著科技的不斷發(fā)展以及安全生產(chǎn)理念的不斷進(jìn)步，機(jī)組重要設(shè)備的運(yùn)行可靠性越來越受到重視。熱工保護(hù)系統(tǒng)對于機(jī)組的運(yùn)行可靠性尤為重要，正是由于熱工保護(hù)的存在，電廠中的各種熱力設(shè)備在非正常運(yùn)行狀態(tài)下就不會出現(xiàn)過大的或者是毀滅性的損壞，從而大大提高了電廠的安全性和可恢復(fù)性。在判斷一套熱工保護(hù)回路是否合理有效時(shí)，需要從拒動和誤動這兩個(gè)方面的可能性出發(fā)。保護(hù)誤動是機(jī)組在正常運(yùn)行工況下發(fā)出錯(cuò)誤信息，造成重要設(shè)備甚至整個(gè)機(jī)組跳閘，產(chǎn)生不必要的損失和資源浪費(fèi)。而保護(hù)拒動是機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常情況需要保護(hù)動作時(shí)，保護(hù)回路未能正常動作。保護(hù)拒動時(shí)可能會發(fā)生重要設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞，甚至機(jī)毀人亡。因此，在熱工保護(hù)回路中，防止保護(hù)拒動尤為重要。

  當(dāng)前各發(fā)電企業(yè)的重要設(shè)備保護(hù)中或多或少存在著單點(diǎn)保護(hù)的情況。所謂單點(diǎn)保護(hù)，是指在機(jī)組重要設(shè)備保護(hù)回路中，可以直接導(dǎo)致保護(hù)回路動作的唯一的硬件測量信號或者軟件控制回路。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，保護(hù)回路中軟硬件發(fā)生故障的可能性越來越大，當(dāng)單點(diǎn)保護(hù)回路出現(xiàn)隱患異常時(shí)，可能直接導(dǎo)致整個(gè)保護(hù)回路誤動甚至拒動，造成正常運(yùn)行中的重要設(shè)備跳閘，或者機(jī)組運(yùn)行異常時(shí)保護(hù)未動導(dǎo)致產(chǎn)生更大安全事故。在確保重要保護(hù)不會發(fā)生拒動的前提下，對單點(diǎn)保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，降低保護(hù)誤動率不但能夠提高機(jī)組運(yùn)行效率，更能夠避免不必要的資源浪費(fèi)，保證經(jīng)濟(jì)效益。

   2　單點(diǎn)保護(hù)的分類

  單點(diǎn)保護(hù)的分析按照信號處理過程可以分為測量回路和邏輯判斷回路兩部分，測量回路按照信號類型可以分為模擬量信號測量回路和開關(guān)量信號測量回路；而邏輯判斷回路主要指DCS系統(tǒng)中負(fù)責(zé)主要設(shè)備保護(hù)邏輯控制運(yùn)算功能的軟、硬件系統(tǒng)。下面將分別就這兩部分的單點(diǎn)保護(hù)特點(diǎn)及優(yōu)化方法進(jìn)行分析。

  3　單點(diǎn)保護(hù)的特點(diǎn)及優(yōu)化方法

  3.1　信號測量回路

  3.1.1　模擬量信號測量回路

  模擬量信號包括溫度、壓力、流量、振動、位移、轉(zhuǎn)速等，是判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)是否正常的重要信息。模擬量信號通常采取設(shè)置限值的方法輸出開關(guān)量信號進(jìn)行保護(hù)回路邏輯判斷，當(dāng)某一模擬量信號作為單點(diǎn)保護(hù)信號引入DCS系統(tǒng)時(shí)，如果系統(tǒng)接收到的信號發(fā)生異常，將無法判斷現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行工況，對設(shè)備的正常運(yùn)行造成重大的安全隱患。

   模擬量信號測量回路可能發(fā)生如下幾種故障現(xiàn)象：

  就地測點(diǎn)損壞故障。此時(shí)DCS系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)大多變化為量程上限或下限值，導(dǎo)致保護(hù)回路誤動或拒動。

  測量回路電纜短路、接地或斷線。此時(shí)DCS顯示數(shù)據(jù)大多變化為量程上限或下限值，導(dǎo)致保護(hù)回路誤動或拒動；當(dāng)測量回路由于接線端子接觸不良或電纜絕緣不好導(dǎo)致瞬間故障時(shí)，DCS系統(tǒng)會出現(xiàn)測量信號瞬時(shí)的擺動，且擺動范圍會超出信號量程上下限，短時(shí)間內(nèi)會影響到保護(hù)回路的邏輯判斷。

  測量回路信號干擾。DCS系統(tǒng)會顯示測量信號大幅度異常波動，如果波動范圍超過設(shè)定限值，會造成保護(hù)誤動或短時(shí)間內(nèi)的拒動；如波動范圍在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，則不會對保護(hù)邏輯造成影響，但也無法真實(shí)反映設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

  無論出現(xiàn)以上哪種故障現(xiàn)象，都不利于機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的可靠性，尤其是對單點(diǎn)保護(hù)信號而言。單一信號的故障可能直接導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組保護(hù)誤動跳閘，甚至保護(hù)誤動，擴(kuò)大事故影響。

   針對這種情況最有效的優(yōu)化措施就是增加測量回路。將單路測量信號回路改為兩路或三路測量信號回路進(jìn)行邏輯判斷后引入保護(hù)邏輯回路，不僅可以增加設(shè)置狀態(tài)監(jiān)視的可信度，更可以有效避免由于就地單一測量回路故障造成的保護(hù)拒動或誤動。

  如果現(xiàn)場設(shè)備不具備增加測點(diǎn)的條件，可以考慮增加信號故障判斷邏輯。如有些DCS系統(tǒng)具備信號斷線故障判斷功能，當(dāng)現(xiàn)場重要信號斷線時(shí)發(fā)出一故障判斷位報(bào)警提醒運(yùn)行人員加強(qiáng)監(jiān)視，同時(shí)屏蔽該信號造成保護(hù)邏輯誤動；又如針對溫度等正常情況下不會發(fā)生瞬間大幅度突變的信號，增加信號單位時(shí)間變化率的監(jiān)視，變化率超出正常范圍時(shí)屏蔽保護(hù)信號避免誤動。

   另外，針對模擬量信號瞬間突變的故障現(xiàn)象，可以采用限值輸出開關(guān)量信號后延時(shí)動作的方法，降低保護(hù)誤動的可能性。

   3.1.2　開關(guān)量信號測量回路

   很多直接輸出開關(guān)量的測量信號（如液位、壓力開關(guān)等）在保護(hù)邏輯中也經(jīng)常被設(shè)計(jì)成單點(diǎn)保護(hù)。當(dāng)測點(diǎn)發(fā)生故障、信號電纜短路（相當(dāng)于開關(guān)量接點(diǎn)閉合）或者斷線（相當(dāng)于開關(guān)量接點(diǎn)斷開）造成開關(guān)量信號發(fā)生反轉(zhuǎn)或無法翻轉(zhuǎn)時(shí)，都可能造成保護(hù)邏輯的誤動或拒動。

   與模擬量測量回路相似，增加相同的測量回路也是避免由于單一測量回路故障造成保護(hù)誤動或拒動的有效手段之一。與模擬量信號有所不同，由于兩套開關(guān)量測量信號出現(xiàn)不同時(shí)，很難判斷出哪一路是真實(shí)狀態(tài)，因此，在開關(guān)量回路的保護(hù)設(shè)置時(shí)至少應(yīng)該設(shè)置三路或三路以上的測量回路。同樣，為了避免由于電纜虛接等原因造成的信號瞬間突變，可以在保護(hù)回路中增加開關(guān)量翻轉(zhuǎn)延時(shí)動作等邏輯，在保證保護(hù)不會發(fā)生拒動的前提下，降低保護(hù)誤動風(fēng)險(xiǎn)。

   在保護(hù)系統(tǒng)中，可以用模擬量信號和開關(guān)量信號相結(jié)合的方式，共同判斷運(yùn)行工況，決定保護(hù)是否動作，也可有效降低保護(hù)誤動或拒動的危險(xiǎn)。

   3.2　邏輯判斷回路

   無論是模擬量信號還是開關(guān)量信號，避免單點(diǎn)保護(hù)最有效的措施就是增加整套測量回路。三套及以上的測量回路可以在邏輯判斷回路中進(jìn)行三取二或四取二以上的邏輯判斷，這種做法相對比較穩(wěn)妥。當(dāng)某一測量信號出現(xiàn)變化時(shí)，DCS系統(tǒng)可以根據(jù)其他點(diǎn)的狀態(tài)判斷信號是否故障，如果設(shè)備運(yùn)行正常，僅為單一信號源出現(xiàn)異常，則將該信號屏蔽出保護(hù)回路，同時(shí)報(bào)警提示運(yùn)行監(jiān)視人員，此時(shí)重要設(shè)備保護(hù)依然有效，可有效避免保護(hù)邏輯誤動及拒動。

   如果實(shí)際現(xiàn)場僅能夠提供兩路模擬量信號引入DCS系統(tǒng)，就需要考慮信號的故障判斷問題。如果DCS系統(tǒng)具備電纜斷線判斷功能或能夠通過邏輯判斷出哪一路信號發(fā)生故障時(shí)，可以屏蔽該信號的保護(hù)功能同時(shí)報(bào)警提示運(yùn)行監(jiān)視人員。

   我們通常單點(diǎn)保護(hù)優(yōu)化時(shí)往往更多的考慮的是現(xiàn)場測量回路的風(fēng)險(xiǎn)，常常忽略邏輯判斷回路的軟硬件問題。

   DCS控制系統(tǒng)邏輯判斷功能往往通過控制模件實(shí)現(xiàn)，而控制模件大多屬于電氣元器件，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，電器元器件發(fā)生老化故障的概率也越來越大。我們在分析保護(hù)邏輯是否合理時(shí)也需要考慮DCS控制系統(tǒng)軟硬件中某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)，重要保護(hù)邏輯是否有效以及能否正常動作。

   以我廠DCS實(shí)際運(yùn)行程序?yàn)槔ㄟ^近兩年的不斷優(yōu)化改造，已經(jīng)基本杜絕了現(xiàn)場測量回路的單點(diǎn)保護(hù)情況。我廠機(jī)組主保護(hù)控制邏輯采取三取二的邏輯判斷方式，三個(gè)保護(hù)通道同時(shí)動作時(shí)，機(jī)組跳閘。但是我們發(fā)現(xiàn)三個(gè)通道的主保護(hù)邏輯中具有相同的判斷邏輯子回路，且這些子回路來自同一控制模件，當(dāng)某一子回路所在模件發(fā)生故障或者運(yùn)行中進(jìn)行插拔更換時(shí)，會導(dǎo)致部分中間信號發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)三個(gè)保護(hù)通道同時(shí)誤動，造成整個(gè)機(jī)組誤跳閘。我們認(rèn)為可能觸發(fā)所有保護(hù)通道同時(shí)動作的控制回路中間信號也屬于單點(diǎn)保護(hù)。針對這種單點(diǎn)保護(hù)情況，我們另外重新選取了兩塊控制模件，將同時(shí)向三個(gè)保護(hù)通道提供信號的子回路邏輯進(jìn)行復(fù)制組態(tài)下載，然后將這三套相同的控制子回路分別引入三個(gè)機(jī)組主保護(hù)通道。保證機(jī)組主保護(hù)邏輯三個(gè)通道間無論軟件還是硬件上都彼此獨(dú)立，不會由于某一個(gè)信號源或邏輯運(yùn)算中間信號的故障造成機(jī)組主保護(hù)的誤動與拒動。

   4　結(jié)論

  我們在分析重要設(shè)備的保護(hù)邏輯是否合理有效時(shí)，不僅需要從包括測量信號等的所有設(shè)備正常運(yùn)行期間的工況考慮，更需要考慮當(dāng)某一部分測點(diǎn)、信號、控制硬件以及控制子邏輯回路出現(xiàn)故障時(shí)，保護(hù)邏輯會不會出現(xiàn)誤動或拒動，會不會帶來不必要的損失，甚至更加嚴(yán)重的后果。無論軟件還是硬件，凡是局部單一設(shè)備可能造成整個(gè)機(jī)組保護(hù)誤動或拒動的，都可視作單點(diǎn)保護(hù)，都應(yīng)在實(shí)際保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能避免。

   我廠通過近幾年對重要設(shè)備重要保護(hù)信號的整理、統(tǒng)計(jì)，確立優(yōu)化方案，最后具體實(shí)施并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，主要設(shè)備運(yùn)行安全可靠性有了很大的提升，也為我們處理類似問題積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

  參考文獻(xiàn)：

  [1] 王大為. 火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)[M]. 北京: 中國電力出版社,2007.

  [2] 華東六省一市電機(jī)工程學(xué)會. 熱工自動化[M]. 北京: 中國電力出版社,2000.

  作者簡介

  何櫟（1982-）男，天津人，本科，現(xiàn)就職于神華國華國際電力股份有限公司北京熱電分公司，主要從事電力系統(tǒng)信號測量、自動連鎖和保護(hù)控制方面的研究。 

    摘自《自動化博覽》2013年8月刊