電廠DCS控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性研究

葛錚

【摘 要】在科學(xué)技術(shù)不斷進步的過程中，計算機技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)中，同時也促進了國民經(jīng)濟的增長，電力部門也加強了對計算機技術(shù)的應(yīng)用研究。目前，計算機DCS控制系統(tǒng)在電廠中獲得推廣應(yīng)用，電廠的安全穩(wěn)定也取決于DCS系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，為了促進電力行業(yè)的發(fā)展，必須提高DCS控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文結(jié)合DCS控制系統(tǒng)的可靠性和干擾的形成，提出了影響DCS控制系統(tǒng)的主要因素，論述了提高DCS控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。

【關(guān)鍵詞】DCS控制系統(tǒng) 可靠性 抗干擾性

隨著電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加快了DCS控制系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，提高了電廠的工作效率。但是在實際運行過程中，DCS控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性將對電廠的安全產(chǎn)生影響，在分析DCS控制系統(tǒng)故障的過程中也面臨著一些困難。為了保證電廠的安全穩(wěn)定運行，必須結(jié)合DCS控制系統(tǒng)的運行實際，提高可靠性，及時處理系統(tǒng)故障。

1 DCS控制系統(tǒng)概述

DCS即分布式控制系統(tǒng)，借助計算機技術(shù)、通信技術(shù)和圖像顯示技術(shù)發(fā)展起來的一種集中式電力控制方法。傳統(tǒng)模式中的DCS系統(tǒng)主要應(yīng)用PLC進行數(shù)據(jù)采集，進而實現(xiàn)系統(tǒng)控制，電廠中的DCS系統(tǒng)有一定的差異，它整合兩種以上的功能，結(jié)合電廠的實際運行狀況對不同的結(jié)構(gòu)部件進行控制。由于控制層面的不同，一般將DCS控制系統(tǒng)分為過程級、操作級和管理級。其中過程級包含過程控制部分、儀表系統(tǒng)和I/O單元，是整個DCS控制系統(tǒng)的核心。操作級主要包含系統(tǒng)的操作站和工程師站，用于系統(tǒng)中不同結(jié)構(gòu)部件的操作，在電廠的控制中，操作級主要對內(nèi)部系統(tǒng)的不同部件進行組合和控制。管理級主要是電廠的信息管理部分，可以借助電壓、電流和運行時間的記錄實現(xiàn)系統(tǒng)分析，為設(shè)備的可靠運行提供重要的依據(jù)[1]。

2 DCS控制系統(tǒng)的可靠性和干擾

在人們生活水平不斷提高的同時，加大了對電力資源的需求量，DCS控制系統(tǒng)獲得了廣泛的應(yīng)用。由于電廠企業(yè)注重安全生產(chǎn)和質(zhì)量效益，這就使得DCS控制系統(tǒng)的可靠性研究成為工作重點。DCS控制系統(tǒng)在電廠運行中發(fā)揮著重要的作用，保障電力系統(tǒng)安全運行的同時，提高了電廠的自動化水平。但是DCS控制系統(tǒng)的可靠性關(guān)系著電廠的安全運行，必須在電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中認識到這一問題。

在DCS控制系統(tǒng)受到干擾的情況下，電廠的安全性和穩(wěn)定性也將受到影響。DCS控制系統(tǒng)的干擾主要受到干擾源的影響，干擾源分為外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾與控制系統(tǒng)本身無關(guān)，主要受到自然環(huán)境和工作環(huán)境的影響，自然環(huán)境包括環(huán)境溫度、空氣濕度和雷電等，工作環(huán)境因素包括電磁場、大功率電器和無線電波等。內(nèi)部干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部和設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生的干擾，例如電源運行中的干擾、系統(tǒng)震蕩過程中的干擾、地線電位差的干擾和元器件本身的干擾等，內(nèi)部干擾與系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備的性能有關(guān)[2]。

3 DCS控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素

目前，DCS控制系統(tǒng)在電廠運行中獲得了廣泛的應(yīng)用，但是電廠的安全穩(wěn)定也會受到DCS控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，影響DCS控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素主要包括然間部分和硬件部分。

3.1 DCS控制系統(tǒng)軟件的影響

目前的DCS控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用還不夠成熟，軟件的開發(fā)過程也比較換慢，最終導(dǎo)致DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用效益并不高。當(dāng)系統(tǒng)軟件升級過程中出現(xiàn)問題時，將會直接影響到DCS控制系統(tǒng)的安全，例如控制器程序出現(xiàn)故障、控制模塊的輸入輸出問題、歷史存儲數(shù)據(jù)異常等。另外，如果DCS控制系統(tǒng)與電廠中的其它模塊連接不穩(wěn)定，也會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 DCS控制系統(tǒng)硬件的影響

在DCS控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方面依然面臨著一些問題，導(dǎo)致系統(tǒng)的控制卡件存在故障。系統(tǒng)故障與控制卡件的抗干擾能力和控制器功能的配置等有直接的關(guān)系。DCS控制卡件選用浮空的接地措施，如果控制卡件的電源接地后使執(zhí)行部分的信號傳輸工作正常，一般執(zhí)行部分的信號選用二線制傳輸，在大量的靜電集聚之后很容易對系統(tǒng)造成電磁干擾，電磁干擾也成為DCS控制系統(tǒng)中的重要影響因素。為了保證控制系統(tǒng)的抗干擾能力滿足要求，可以在電纜的安裝過程中按照一定的順序進行排列，同時保證電纜遠離溫度較高的環(huán)境，避免電纜受損。在控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中，需要重視對系統(tǒng)配置的優(yōu)化，提高控制部分處理信息的能力，為了避免控制功能的危險集中，需要選用科學(xué)的保護系統(tǒng)。如果控制器的數(shù)量不足時，可以結(jié)合實際配置情況增用控制器，實現(xiàn)對系統(tǒng)功能的合理控制[3]。通常情況下，室內(nèi)環(huán)境溫度會對系統(tǒng)電子元器件的工作產(chǎn)生影響，DCS控制系統(tǒng)的可靠性也會降低，如果空氣濕度較低，系統(tǒng)在運行的過程中就將會產(chǎn)生大量的靜電，影響計算機設(shè)備的運行。如果空氣中存在灰塵，磁盤部分和接插件部分將會受到影響，甚至造成機械損傷，嚴重時出現(xiàn)短路問題。

4 DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

4.1 應(yīng)用案例

某發(fā)電公司總裝機容量大1040MW，電廠中應(yīng)用了2臺100MW機組，編號#1和#2，此外還有4臺210MW機組，編號#3、#4、#5和#6。該電廠自2007年-2009年間，共出現(xiàn)大型故障36例，其中被迫停機22次，對故障總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，只要其中一臺機組出現(xiàn)故障，其它機組都會被迫停機。在檢修的過程中遇到較大的困難，主要表現(xiàn)在電纜較復(fù)雜，原有的控制系統(tǒng)無法滿足擴展的要求，仍然只能采用儀表控制的方式，相關(guān)設(shè)備的使用周期不長，增加了系統(tǒng)的故障幾率。為了跟上電力系統(tǒng)的發(fā)展，該公司在2010年首先對故障率較高的#4機組進行DCS系統(tǒng)改造，應(yīng)用中國電力科學(xué)研究院江蘇大志公司生產(chǎn)的EDPF-NT分散控制系統(tǒng)，改造后系統(tǒng)運行良好，后對#1、#2、#3、#5和#6號機組進行了改造，所有機組全部實現(xiàn)了DCS控制，運行過程中發(fā)現(xiàn)故障率大大降低，其中一臺機組出現(xiàn)故障時，其它機組可以正常運行，提高了發(fā)電質(zhì)量，促進了經(jīng)濟效益的提高。

4.2 優(yōu)勢總結(jié)

DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用解決了故障集中的問題，其中的微處理器只承擔(dān)較小范圍的控制，某個微處理器出現(xiàn)故障時不會影響整個發(fā)電系統(tǒng)的工作?？刂葡到y(tǒng)減少了大量的電纜，方便檢修工作的開展，提高了控制系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。系統(tǒng)中加強了對實時參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)的管理，可以隨時查閱系統(tǒng)故障，這是傳統(tǒng)儀表控制方法無法實現(xiàn)的。

5 提高DCS控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法

5.1 引進先進的系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，必須考慮到后期運行的可靠性和抗干擾性，對電源和控制器等進行規(guī)劃配置，保證系統(tǒng)接地設(shè)計的合理性。從而保證系統(tǒng)信號傳輸?shù)目煽啃?，保證電源信號的變化在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)。在控制器分配的過程中，應(yīng)該選用多臺控制器聯(lián)合工作，在一臺控制器出現(xiàn)故障后，不會對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。由于系統(tǒng)接地部分會影響DCS系統(tǒng)的抗干擾能力，必須保證不同電纜之間有一定的間距，避免電纜受到溫度的影響。

5.2 選擇抗干擾性設(shè)備

（1）應(yīng)選用抗干擾能力強的產(chǎn)品，綜合考慮系統(tǒng)的電磁兼容性和工作能力，必要時可以采用浮地技術(shù)，提高產(chǎn)品的隔離性能，避免不同的大功率設(shè)備之間造成影響。在詳細掌握生產(chǎn)廠家給出的抗干擾指標后，結(jié)合系統(tǒng)的差模擬制比、共模擬制比和耐壓能力等，合理規(guī)劃磁場強度和設(shè)備功率。（2）保證控制系統(tǒng)的硬件部分具有較高的可靠性，電子元器件可以實現(xiàn)多次拔插，在結(jié)構(gòu)方面可以采用冗余技術(shù)。（3）積極關(guān)注DCS系統(tǒng)在電廠中的應(yīng)用實際，優(yōu)選業(yè)績較好的控制系統(tǒng)。

5.3 系統(tǒng)安裝過程切斷干擾途徑

嚴格遵循技術(shù)規(guī)范對電源進行布置，電源供電的穩(wěn)定性會直接影響到信號的采集和通訊傳輸，必須保證通訊電源變化符合規(guī)定要求。DCS系統(tǒng)一般采用冗余供電的方式，選用不同ups電源為系統(tǒng)供電，采用電源冗余配置的方法可以保證在一路電源斷電的情況下系統(tǒng)仍然正常運行，保證監(jiān)視系統(tǒng)可以正常工作，DCS測量系統(tǒng)的220V、24V和5V電源按照要求進行調(diào)整[4]。DCS系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)差異不大，控制總線的分配將直接影響控制器的運行能力?？刂破鲾?shù)量較多，需要傳輸?shù)男盘柧驮蕉?，系統(tǒng)比較分散，存在的故障也會越多。控制器數(shù)量較少，單臺控制器的負荷將越高，系統(tǒng)安全受到一定的影響。在設(shè)計過程中必須在保證正常運行的前提下選擇盡可能少的控制器，針對主要控制器，采用冗余配置，嚴格遵循保護原則均勻分配負荷，將控制器的負荷控制在50%以下。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，需要做好系統(tǒng)接地和電纜敷設(shè)工作，必要時可以降低接地電阻，排除系統(tǒng)故障。電纜必須按照分層布置的要求，強弱電的走向分開，避免相互干擾，系統(tǒng)中應(yīng)用的屏蔽線可靠接地。

6 結(jié)語

本文結(jié)合DCS控制系統(tǒng)的介紹，提出了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素，論述了提高DCS控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的方法。DCS控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性直接影響著電廠的安全運行，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，將有助于機組的高效運行，降低設(shè)備的運行維護成本。在提高控制系統(tǒng)可靠性和抗干擾性的過程中，需要將理論聯(lián)系實際，技術(shù)人員不斷鉆研，提高自動化控制水平。

參考文獻：

[1] 高軍禮，鄧則名，陳瑋 等.基于可靠性預(yù)測的DCS選型方法的研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（4）：91.

[2] 白會賢，牛玉廣，劉吉臻 等.DCS電源供電系統(tǒng)的可靠性定量分析[J].自動化儀表，2009（7）：191.

[3] 路永宇.提高DCS運行可靠性的措施[J].化工自動化及儀表，2011（8）：103.

[4] 王建鋒，羅振新，薛鵬 等.影響DCS可靠性的因素分析[J].華東電力，2013（4）：109.