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    趙  軍（1968－）
男，高級工程師，山西保德人，從事電廠自動化技術應用研究。

摘要：火力發電廠汽輪機控制系統中的超速103%保護控制和超速110%保護跳機是機組緊急跳閘回路中一條重要分支，針對國華電力某臺600MW機組發生超速保護誤發事故，分析了汽輪機控制系統中邏輯運算功能塊的排序問題以及運算周期對超速保護的影響，通過試驗驗證了運算周期和時序對選擇功能塊的影響。制定了改進措施，總結了事故教訓，提出了邏輯設計中要注意的事項。

關鍵詞：程序設計；超速保護；組態；周期；時序

Abstract: One important branch in turbine emergency trip system is 103%overspeed protection control & 110% overspeed protection trip in steam turbine electro-hydraulic control system In this paper, aiming at the 600MW unit of Guohua electric power, we analyze the sorting problem of the logic operation function blocks and the influence of computation period on the overspeed protection in the steam turbine control system. Through the experiments, it is demonstrated that operation cycle and time sequence have influences on the selection function block. Thus we make the improvement measures, summarize the lesson from the accident, and proposes the key issues in logical design.

Key words: program design；overspeed protection；configuration；cycle；time sequence

1 前言

    轉動機械的轉速測量與控制在自動控制領域品質要求很高，在火力電力廠汽輪機轉速測量元件中，轉速信號有三項主要指標：精度、穩定性、響應速度。火力電力廠汽輪機控制系統普遍采用數字電液控制系統(簡稱DEH)。數字控制系統中的模擬量/數字量轉換周期、運算控制周期對轉動機械系統中的控制誤差和控制系統性能產生直接影響。超速103%保護控制信號(overspeed protection control，簡稱OPC)和超速110%保護跳機信號(overspeed protection trip，簡稱OPT)是汽輪機控制系統一個重要的功能，國內外大型機組DEH的OPC和OPT設計，強調可靠性和快速性及其與調節系統的協調關系。ABB集團ETSI公司汽輪機保護系統由3塊TPS02模件及以電纜連接的單一TPSTU02終端單元組成，這些保護功能是獨立于控制系統的數據總線和多功能處理器。中國電科院電研智深公司EDPF型DEH系統亦將測速、OPC和OPT邏輯處理功能集成在一塊模件上，系統控制運算周期小于50ms；上海新華公司DEH－III A采用3塊高速數字采樣測速卡，OPC采用三選二，與基本控制分開，采用一套獨立的硬件和軟件；北京和利時公司DEH亦采用了專用的測速單元；北京太極通瑞公司TJDEH4000系統OPC的動作時間在20ms以下，OPC系統采用全冗余配置；哈汽廠開發的DEH系統控制周期亦在50ms以下[1]。

    在DEH中控制邏輯組態中，算法功能塊是算法邏輯的基本元素，一定數量和種類的算法功能塊在一定周期時間內完成部分具有相對獨立的過程控制功能，這些算法功能塊最終要編排處理順序，每個算法功能塊分配一個序號，稱作算法時序。

    國華電力有9臺600MW亞臨界機組采用了某一類型的DEH設備，在某臺機組發生超速保護誤動作后，對跳機原因分析中發現導致超速保護誤動的原因是功能塊時序排列先后和超速保護邏輯運算處理周期太長的問題。

2 超速保護邏輯概述

    2007年國華某臺600MW機組發生超速保護動作，經過現場SOE和歷史趨勢記錄分析。發現機組跳閘后超速OPC和OPT還發了兩次，同時對轉速信號模擬量歷史記錄調閱，未發現超速現象，機組運行人員的監視也未發現超速現象，因此初步判斷該保護屬誤動。

    該機組DEH結構采用兩級控制單元結構，上級控制單元為慢速處理器，運算周期定義為200ms，下級控制單元為快速處理器，周期定義為6ms。I/O卡件也分為兩類，一類為快速處理I/O模件,另一類為常規I/O模件。重要的轉速信號通過快速處理I/O模件進行處理，硬件采樣周期為2ms。

    設計將閉環控制、熱應力計算以及對上通訊等任務放置在慢速處理器里處理，它與快速處理器和普通I/O卡件通過PROFIBUS總線連接，而將OPT、OPC等重要任務放置在快速處理器里處理，快速處理器與慢速處理器和快速處理I/O模件通過另一組PROFIBUS總線連接。

    機組OPC信號由DEH系統軟件產生，OPT信號一路由DEH產生，另一路由ETS（汽輪機緊急跳閘系統）產生，DEH這路OPT保護信號由圖1中產生模擬量信號判斷是否大于110%而產生，它與ETS的OPT共同形成兩道OPT，任意一路動作均會跳機，且兩路保護的源不同，ETS的轉速信號采自汽輪機8瓦，DEH的轉速信號采自汽輪機前箱。

    OPT跳機的保護邏輯在快慢處理器內均做，最終回到快速處理器中匯總采用“或”邏輯算法輸出。而慢速處理器中的轉速模擬量信號的三選一結果送閉環控制，并給DCS發送。快速處理器中的三選一結果只用來判斷OPT和OPC，如圖1所示。

圖1   機組OPT和OPC組態原理圖

    圖2為機組DEH中的轉速三選一邏輯，該思想為西屋公司設計。在此邏輯中，三路選擇采用的是“安全保證原則”，初始時刻，優選A通道，當A通道故障時才優選B，C是參考信號，該邏輯成立的前提是不允許兩個探頭故障長期運行，如果兩個探頭故障則立即跳機。在優選A的時候，B的故障不會造成信號選擇功能塊動作，當選擇B后，一直要到B再次發生故障才會切換到A。模擬量切換判據由圖2中的RS觸發器產生。

    圖2中，三個轉速信號進行越上限和越下限判斷，同時對轉速信號兩兩偏差進行越限判斷，三個“或”功能塊輸出即信號品質判據。

    若K值為RS觸發器的輸出值，

    則：Y=A，A正常，B故障，K=0
　 
    Y=B，B正常，A故障，K=1
　  
    A正常，B正常。Y保持

    圖3給出了帶有擾動分量的單個轉速信號被邏輯處理頁離散化采入，并觸發切換信號K的過程。分析發現RS觸發器功能塊的處理順序號小于圖2中切換功能塊的處理順序號。這樣在本周期處理過程中，切換功能塊的A、B模擬量轉速信號入口執行本周期采樣進來的信號，判據K采用上一周期的結果，切換功能塊進行切換運算時，如果此前被選中輸出的A通道信號，在本周期已判斷出超過3300rpm，但該判據結果未被切換功能塊采用，而該超出3300rpm的模擬量信號正常通過切換功能塊輸出，導致超速信號觸發。

    試驗發現上述分析結果，在快速處理器中的超速判斷邏輯結果中并沒有出現，是因為快速處理器的處理周期為6ms，遠小于慢速處理器的200ms，快速處理器采入的模擬量信號雖然超前了切換判據一個周期,但由于采樣間隔短,且擾動信號變化仍帶有一定速率，所以輸出的有問題信號值還不足以觸發OPC、OPT，在下一個周期切換功能塊在選中的轉速信號發生問題前是能夠剔除該問題信號。這說明如果處理周期很短也可以掩蓋此類問題。但前提是擾動信號的速率不是很快。

    時序排列問題是造成此次事故的根本原因，但邏輯設計不合理也是造成這次事故的因素。

    首先，快速處理器已經采用冗余配置，而設計又將該部分邏輯放在慢速處理器中。

    其次，依據DL/T656-2006《火力發電廠汽輪機控制系統驗收測試規程》和DL/T996-2006《火力發電廠汽輪機電液控制系統技術條件》，分別要求采用軟件系統的OPC、OPT處理周期應不大于50ms和20ms。而該設計中運算OPC、OPT的一路慢速處理器的處理周期設置為200ms。

    轉速測量誤發環節有2處：一處是就地轉速信號有干擾，這可以通過示波器確認干擾是否存在，導致存在這種干擾的原因有磁阻傳感器故障或轉速信號屏蔽不良；另一處是前置放大器的轉速整形、濾波、判斷回路存在故障[2]。本次事故后經檢測,就地5支磁阻傳感器中,用在轉速回路中的三只阻值分別為3200歐姆、605歐姆、155歐姆，均偏離正常值范圍（120～140歐姆）。

4 試驗論證

    為了驗證上述分析，在國華公司同類另一臺機組上，利用停機計劃。首先修改原邏輯時序，對產生問題的局部邏輯進行時序調整，調整后編譯在線下裝,采用在轉速通道前置放大器前甩線的方式,測試原邏輯是否發出OPT和OPC信號。其次，恢復原邏輯,測試原邏輯是否發出OPT和OPC信號。

    調整后實驗結果表明，工程師站邏輯動態、所有轉速實時趨勢曲線、SOE、ETS首出記錄均未見異常,從工程師站邏輯動態中可觀察到轉速通道此時切換正常,轉速最終輸出信號由A通道切換到B通道，恢復原邏輯。開始拔B轉速探頭，機組跳閘，工程師站邏輯動態未見異常,但B通道實時趨勢記錄有突增記錄。

    在機組停機后,采用從硬通道加模擬轉速信號的方法,再次對上述試驗內容進行了檢驗,試驗干擾方式采用加長信號和拔線干擾的方式。兩類方式均證明原邏輯在單個通道擾動時,必定觸發OPC、OPT信號,但一次未捕捉到ETS首發記憶、一次目測OPT輸出繼電器未動作，其它兩次試驗均正常；修改時序后邏輯在拔線擾動和加長電平信號擾動時，OPC、OPT輸出和各環節均未見動作和異常。這說明有些頻率極快的擾動,系統的事故追憶裝置是捕捉不到的,但能觸發保護動作。

    文獻[3]記錄了大唐湖南石門電廠2號機組因為時序問題引起的鍋爐MFT，說明DCS系統內的時序問題確實能夠造成關鍵邏輯誤動作，正確分析和處理時序問題是DCS軟件組態的一個重要步驟。

    在早期的梯形圖邏輯設計中，時序問題本是一個很嚴格的環節，目前大多數DCS系統組態均采用了P&ID圖（Process & Instrument Diagram，工藝和儀表流程圖）界面，對功能塊排序采用自動排列的原則，但要求將輸出盡量放置在右側，同時結合組態工程師從上向下安排邏輯的習慣，時序自動排列是從左到右、然后從上至下，因此通常是不會出現問題的，本次事故也說明了邏輯修改中，組態工程師未遵守該規則,特別是在執行插入、追加工作時很容易犯該錯誤。

5 改進方案和時序的應用

    通過上述分析和試驗，確證了時序對選擇功能塊的影響是導致本次停機事故發生的根本原因。同時根據DL/T656-2006《火力發電廠汽輪機控制系統驗收測試規程》要求：“重要信號的檢測元件應為三取二(開關量)或三取中(模擬量)的冗余配置，采用去掉一個測量元件信號或一個測量元件輸出端改變信號的方式，檢查其冗余的可靠性”。按照問題發生的原因,只要修改時序即可解決問題，但參考兩份規程的規定，以及投產機組的實際情況，新的超速邏輯進行了以下修改。

    首先，慢速處理器中的OPC、OPT結果不作為停機的分支，只保留快速處理器的結果，因為快速處理器已經是冗余設置,符合規程要求。且慢速處理器的處理速度慢，給結果增加了不安全環節；其次，采用真正意義上的三取二和三取中邏輯，這樣能夠避開時序問題,也遵守了規程，三取二邏輯直接采用輸入信號進行高值判斷，然后進行三取二運算，三取中也直接采用輸入信號進行三取中運算，如圖4所示；三，降低兩兩比較偏差大的門檻值到50rpm，使得切換動作盡量靠前。

圖4 三取中運算原理圖

6 結論

    本次停機事件得到了兩點教訓。首先為DL/T656-2006《火力發電廠汽輪機控制系統驗收測試規程》提供了很好的案例，DEH邏輯設計中，開關量處理周期應設置到20ms以下，模擬量處理周期設置到50ms以下。重要信號的檢測元件應為三取二(開關量)或三取中(模擬量)的冗余配置。

    在軟件設計方面，所有采用判據的切換塊、狀態轉換功能塊（例如PID控制算法塊），均應將判斷邏輯的執行時序安排到算法邏輯前。

    隨著超臨界和超超臨界技術的大范圍應用，機組的參數越來越高，允許的控制調整范圍也越窄，控制精度和可靠性要求提高，而DCS設備作為機組高度自動化中的龍頭，其重要性越來越大，DCS系統從設計、制造、裝配、組態、調試等環節應更加嚴格規范，在DCS組態設計過程中應該注意的環節須形成規范作業條款，DCS設備供貨商在執行自身規則的同時要遵守國內法規和行業規程，以減少生產中的事故。

作者信息:

    趙  軍（北京國華電力技術研究中心有限公司，北京  100601） 

    劉衛國 （浙江國華浙能發電有限責任公司，浙江  寧波  315612）
 
    楊洪波 （河北國華滄東發電有限責任公司，河北  滄州  061113） 

    尹武昌 （廣東國華粵電臺山發電有限公司，廣東  臺山  529228） 

參考文獻

    [1] 田豐,張俊杰. 大型機組電超速保護裝置綜述[J]. 國際電力,2001,5(4)：13-18.

    [2] 莊力,姚峰. 汽輪機超速防護常見故障判斷及預防對策[J].湖北電力,2003,27(4)：49-52.

    [3] 宋梅林. 時序問題引起鍋爐MFT的分析與對策[J]. 湖南電力, 2005,25(5)：15-17.

    [4] 李萍,劉友寬. DCS內部模塊實現的控制器處理周期測試新方法[J]. 云南電力技術,2006,34(4)：36-36.