DCS系統(tǒng)接地方式對(duì)模擬量信號(hào)的影響分析

方國(guó)春，張騰宇，唐 堂

(大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130102)

火力發(fā)電過(guò)程中涉及的工藝參數(shù)主要包括溫度、壓力、流量、液位(料位)等，信號(hào)采集的準(zhǔn)確性往往影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，保護(hù)系統(tǒng)在明確保護(hù)定值的情況下，如果參數(shù)一旦越限，保護(hù)會(huì)立即動(dòng)作或延時(shí)一定時(shí)間后動(dòng)作，進(jìn)而引起一系列聯(lián)鎖動(dòng)作?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備尤其涉及到單點(diǎn)保護(hù)邏輯的，對(duì)于信號(hào)的準(zhǔn)確性必須進(jìn)行可靠判斷，有效甄別信號(hào)干擾，才能避免信號(hào)誤動(dòng)[1]。

受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境因素影響，信號(hào)采集存在系統(tǒng)內(nèi)擾、電源干擾、傳導(dǎo)干擾、接地干擾、輻射干擾5種干擾因素[2]。本文主要分析DCS系統(tǒng)接地方式對(duì)模擬量信號(hào)的影響。

1 存在問(wèn)題

某電廠2019年6月30日1號(hào)機(jī)組汽動(dòng)給水泵(汽泵)傳動(dòng)端徑向軸承溫度測(cè)點(diǎn)具體變化趨勢(shì)見(jiàn)表1。

表1 溫度變化趨勢(shì) 單位：℃

6月30日07：46：12，“汽泵徑向軸承溫度>95 ℃”保護(hù)動(dòng)作，集控光字盤發(fā)出“1號(hào)機(jī)組鍋爐MFT動(dòng)作”，機(jī)組跳閘，首出為“給水泵全?！保C(jī)METS首出“小機(jī)軸瓦溫度高停機(jī)”，事故發(fā)生過(guò)程曲線如圖1所示。

圖1 MFT跳閘前后變量歷史趨勢(shì)

2 溫度異常波動(dòng)分析

該臺(tái)機(jī)組配置1臺(tái)電動(dòng)給水泵(電泵)和1臺(tái)100%汽泵，其中電泵為啟動(dòng)泵，機(jī)組給水系統(tǒng)采用單輔機(jī)運(yùn)行方式。通過(guò)查詢歷史數(shù)據(jù)，機(jī)組MFT時(shí)汽泵傳動(dòng)端徑向軸承溫度為92.77 ℃，由于該溫度測(cè)點(diǎn)波動(dòng)速率快，DCS系統(tǒng)受數(shù)據(jù)存儲(chǔ)死區(qū)等因素影響，歷史趨勢(shì)未采集到波動(dòng)至95 ℃的數(shù)據(jù)，保護(hù)跳閘邏輯見(jiàn)圖2。

圖2 小機(jī)溫度保護(hù)邏輯

結(jié)合溫度跳閘保護(hù)邏輯，確認(rèn)該輔機(jī)溫度保護(hù)屬于單點(diǎn)保護(hù)，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)檢索及信號(hào)品質(zhì)判斷確定，溫度測(cè)點(diǎn)在事故發(fā)生時(shí)品質(zhì)無(wú)異常。檢查就地測(cè)量元件接線端子和端子箱接線端子排接線良好，不存在接線松動(dòng)以及進(jìn)油的異常現(xiàn)象；檢查溫度電纜為完整電纜；檢查熱電阻RTD卡件運(yùn)行狀態(tài)正常；對(duì)信號(hào)電纜相間絕緣、對(duì)地絕緣、電纜老化及屏蔽接地情況進(jìn)行檢查均未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，初步判斷溫度測(cè)點(diǎn)由于受到干擾導(dǎo)致異常波動(dòng)。

a.電子設(shè)備間電磁干擾分析

現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)線纜一般都采用帶屏蔽層的專用線纜，在DCS電子設(shè)備間機(jī)柜側(cè)接地。為排除無(wú)線電設(shè)備在電子設(shè)備間造成信號(hào)干擾，按照DL/T 659《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程》要求，利用對(duì)講機(jī)在67號(hào)控制柜門前進(jìn)行無(wú)線電干擾測(cè)試，在上位機(jī)畫(huà)面監(jiān)控溫度并無(wú)明顯波動(dòng)。結(jié)合圖1分析，汽泵自由端軸承溫度、汽泵推力軸承外側(cè)溫度、汽泵推力軸承內(nèi)側(cè)溫度分別布置在67號(hào)柜3號(hào)卡和4號(hào)卡上，但上述3個(gè)本體測(cè)點(diǎn)并無(wú)異常波動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，所以可以排除電子設(shè)備間電磁干擾的原因。

b.接地干擾

電廠控制系統(tǒng)中的基準(zhǔn)電位是各回路工作的參考點(diǎn)位[3]，基準(zhǔn)電位之間的連接方式統(tǒng)稱為工作地，根據(jù)接地功能分為邏輯地、信號(hào)地、模擬地等，其信號(hào)接地方式如圖3所示。

圖3 工作地接地方式

對(duì)DCS接地系統(tǒng)進(jìn)行檢查[4-5]，發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)電子設(shè)備間匯總接地扁鐵在進(jìn)入地網(wǎng)前與汽輪機(jī)廠房0 m電氣接地環(huán)網(wǎng)存在交叉互聯(lián)情況，不符合《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》(國(guó)能安全[2014]161號(hào))第9.1.7條“分散控制系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)共用1個(gè)接地網(wǎng)時(shí)，分散控制系統(tǒng)接地線與電氣接地網(wǎng)只允許有1個(gè)連接點(diǎn)的要求”[6]。汽輪機(jī)電子設(shè)備間DCS接地系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 DCS實(shí)際接地

c.就地電磁干擾

通過(guò)查找工作票及詢問(wèn)檢修人員發(fā)現(xiàn)，07：32—07：46測(cè)點(diǎn)波動(dòng)期間，正在進(jìn)行1號(hào)機(jī)組6.5 m工業(yè)供汽直管段更換焊接工作(有3臺(tái)電焊機(jī)同時(shí)在工作)，電焊機(jī)接地連接到汽輪機(jī)廠房0 m接地環(huán)網(wǎng)上。電焊機(jī)工作時(shí)檢修電源電流如圖5所示。

圖5 電焊機(jī)工作時(shí)電流曲線

由歷史曲線發(fā)現(xiàn)，6月20日對(duì)外供汽系統(tǒng)停運(yùn)檢修后，汽泵傳動(dòng)端徑向軸承溫度測(cè)點(diǎn)多次出現(xiàn)毛刺，分析該溫度測(cè)量回路存在一定的靜電積累，再受到電焊機(jī)焊接時(shí)對(duì)DCS接地系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的影響，造成該溫度出現(xiàn)異常波動(dòng)而導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)。

3 保護(hù)邏輯分析

按照DL/T 5791—2019《火力發(fā)電建設(shè)工程機(jī)組熱控調(diào)試導(dǎo)則》要求[7]，應(yīng)充分利用DCS系統(tǒng)中的質(zhì)量判斷和自診斷邏輯功能模塊來(lái)輔助判斷信號(hào)測(cè)點(diǎn)和測(cè)量通道故障。所有DCS系統(tǒng)都設(shè)計(jì)品質(zhì)判斷功能模塊，當(dāng)信號(hào)超限或者符合其他設(shè)計(jì)參數(shù)變化時(shí)，即發(fā)出“壞質(zhì)量”判斷[8]，同時(shí)對(duì)于溫度等不可能發(fā)生短時(shí)間內(nèi)突變的過(guò)程信號(hào)，原則上需要設(shè)計(jì)有變化速率限制和異常值判斷的邏輯功能。通過(guò)設(shè)置速率和報(bào)警功能，合理配置參數(shù)變化率設(shè)定值，當(dāng)跳閘信號(hào)發(fā)生階躍性驟變時(shí)，其輸出不突變，同時(shí)發(fā)出變化速率超限信號(hào)報(bào)警，在上述2組信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)的情況下，需要增設(shè)信號(hào)閉鎖功能，防止保護(hù)誤動(dòng)作，同時(shí)配置延時(shí)復(fù)位功能，當(dāng)信號(hào)恢復(fù)正常值后延時(shí)一段時(shí)間，復(fù)位“信號(hào)故障”。

由圖2可知，輔機(jī)單點(diǎn)保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)依據(jù)：溫度測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)慢速率保護(hù)模塊(在溫度測(cè)點(diǎn)低于設(shè)定參數(shù)值時(shí)有效)時(shí)，上述功能模塊邏輯信號(hào)輸出和溫度測(cè)點(diǎn)品質(zhì)判斷條件相“與”構(gòu)成溫度保護(hù)動(dòng)作跳閘信號(hào)。核查該機(jī)組邏輯，高低限判斷模塊(BLOCK 44)定值設(shè)置為80 ℃，溫度慢速率保護(hù)模塊參數(shù)設(shè)置為600 ℃/min。通過(guò)事故發(fā)生前后曲線分析判斷，當(dāng)輸入溫度處于慢速率保護(hù)模塊中的高低限值范圍外且輸入溫度速率變化超過(guò)設(shè)定值時(shí)，速率保護(hù)功能將被切除，即在合理的溫度升速率設(shè)定范圍外，實(shí)際測(cè)點(diǎn)溫度超過(guò)保護(hù)限值，將屏蔽保護(hù)信號(hào)，保護(hù)動(dòng)作不會(huì)觸發(fā)。

針對(duì)溫度升速率開(kāi)展試驗(yàn)進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)有保護(hù)邏輯參數(shù)設(shè)置的合理性驗(yàn)證。采用DCS信號(hào)仿真試驗(yàn)方法，在DCS組態(tài)軟件上搭建測(cè)試邏輯。設(shè)計(jì)頁(yè)面邏輯掃描周期為500 ms，通過(guò)模擬量輸入模塊(KBML)進(jìn)行溫度階梯變化仿真，為確保SLWPRT模塊的D2管腳信號(hào)有歷史趨勢(shì)，新增中間開(kāi)關(guān)量變量點(diǎn)，人為模擬溫度輸入數(shù)值依次輸入62 ℃、74 ℃、82 ℃、96 ℃，模擬每秒超過(guò)10 ℃及不超過(guò)10 ℃的溫度變化。結(jié)果表明，當(dāng)輸入溫度小于80 ℃時(shí)，高低限值模塊ACK信號(hào)管腳始終保持置位“1”狀態(tài)，但因SLWPRT模塊中的高低限定值條件不滿足觸發(fā)條件，所以保護(hù)不會(huì)觸發(fā)；當(dāng)輸入溫度大于80 ℃時(shí)，由于RS觸發(fā)器保持，此時(shí)無(wú)論速率限制模塊是否觸發(fā)動(dòng)作，因?qū)嶋H溫度值不滿足保護(hù)動(dòng)作限值，RS觸發(fā)器復(fù)位管腳保持復(fù)位“0”狀態(tài)；當(dāng)溫度接近保護(hù)跳閘定值95 ℃時(shí)，高低限保護(hù)模塊置位，如果此時(shí)溫度保護(hù)速率模塊(復(fù)位RS觸發(fā)器)未置位[9]，說(shuō)明系統(tǒng)判斷溫度變化符合正常趨勢(shì)；此時(shí)一旦實(shí)際溫度超過(guò)95 ℃，單點(diǎn)保護(hù)立即觸發(fā)動(dòng)作。但當(dāng)系統(tǒng)判斷溫度變化速率異常，則會(huì)復(fù)位RS觸發(fā)器，屏蔽保護(hù)輸出，所以該保護(hù)動(dòng)作可靠性的關(guān)鍵點(diǎn)是合理設(shè)置溫度升速率保護(hù)限值。

為確定溫度升速率的極限值，通過(guò)實(shí)際物理?xiàng)l件模擬試驗(yàn)，選用熱電阻PT100溫度元件，在室溫條件下采取物理加熱方式模擬溫度測(cè)點(diǎn)溫度突增現(xiàn)象，觀察并記錄實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度元件能夠反映溫度升速率約為7.2 ℃/s，也是溫度元件能夠?qū)崟r(shí)反映的極限溫度升速率，即當(dāng)實(shí)際溫度超過(guò)對(duì)應(yīng)溫度升速率說(shuō)明信號(hào)存在故障，所以速率限制模塊中的參數(shù)設(shè)置為10 ℃/s[10]，并不能真正起到切除溫度保護(hù)的作用，建議將定值設(shè)置偏低一些。

4 結(jié)論

a.對(duì)汽輪機(jī)電子設(shè)備間DCS接地系統(tǒng)存在的2點(diǎn)接地隱患進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)DCS接地情況進(jìn)行全面排查。

b.優(yōu)化汽泵軸承溫度保護(hù)邏輯:①溫度元件選用雙支熱電阻，增加1路測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)雙冗余配置；②適當(dāng)減小返回溫度定值并增加一定延時(shí)后再進(jìn)行復(fù)位，提高溫度測(cè)點(diǎn)抗干擾能力；③增加壞質(zhì)量、超速率二級(jí)報(bào)警，有助于運(yùn)行人員分析判斷，為隱患快速消除提供保障。

c.修改完善溫度升速率切除保護(hù)定值。