DCS系統接地方式對模擬量信號的影響分析

方國春，張騰宇，唐 堂

(大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春 130102)

火力發電過程中涉及的工藝參數主要包括溫度、壓力、流量、液位(料位)等，信號采集的準確性往往影響系統運行的可靠性，保護系統在明確保護定值的情況下，如果參數一旦越限，保護會立即動作或延時一定時間后動作，進而引起一系列聯鎖動作?，F場設備尤其涉及到單點保護邏輯的，對于信號的準確性必須進行可靠判斷，有效甄別信號干擾，才能避免信號誤動[1]。

受現場設備運行環境因素影響，信號采集存在系統內擾、電源干擾、傳導干擾、接地干擾、輻射干擾5種干擾因素[2]。本文主要分析DCS系統接地方式對模擬量信號的影響。

1 存在問題

某電廠2019年6月30日1號機組汽動給水泵(汽泵)傳動端徑向軸承溫度測點具體變化趨勢見表1。

表1 溫度變化趨勢 單位：℃

6月30日07：46：12，“汽泵徑向軸承溫度>95 ℃”保護動作，集控光字盤發出“1號機組鍋爐MFT動作”，機組跳閘，首出為“給水泵全?！?，小機METS首出“小機軸瓦溫度高停機”，事故發生過程曲線如圖1所示。

圖1 MFT跳閘前后變量歷史趨勢

2 溫度異常波動分析

該臺機組配置1臺電動給水泵(電泵)和1臺100%汽泵，其中電泵為啟動泵，機組給水系統采用單輔機運行方式。通過查詢歷史數據，機組MFT時汽泵傳動端徑向軸承溫度為92.77 ℃，由于該溫度測點波動速率快，DCS系統受數據存儲死區等因素影響，歷史趨勢未采集到波動至95 ℃的數據，保護跳閘邏輯見圖2。

圖2 小機溫度保護邏輯

結合溫度跳閘保護邏輯，確認該輔機溫度保護屬于單點保護，通過歷史數據檢索及信號品質判斷確定，溫度測點在事故發生時品質無異常。檢查就地測量元件接線端子和端子箱接線端子排接線良好，不存在接線松動以及進油的異?，F象；檢查溫度電纜為完整電纜；檢查熱電阻RTD卡件運行狀態正常；對信號電纜相間絕緣、對地絕緣、電纜老化及屏蔽接地情況進行檢查均未發現問題，初步判斷溫度測點由于受到干擾導致異常波動。

a.電子設備間電磁干擾分析

現場控制信號線纜一般都采用帶屏蔽層的專用線纜，在DCS電子設備間機柜側接地。為排除無線電設備在電子設備間造成信號干擾，按照DL/T 659《火力發電廠分散控制系統驗收測試規程》要求，利用對講機在67號控制柜門前進行無線電干擾測試，在上位機畫面監控溫度并無明顯波動。結合圖1分析，汽泵自由端軸承溫度、汽泵推力軸承外側溫度、汽泵推力軸承內側溫度分別布置在67號柜3號卡和4號卡上，但上述3個本體測點并無異常波動現象發生，所以可以排除電子設備間電磁干擾的原因。

b.接地干擾

電廠控制系統中的基準電位是各回路工作的參考點位[3]，基準電位之間的連接方式統稱為工作地，根據接地功能分為邏輯地、信號地、模擬地等，其信號接地方式如圖3所示。

圖3 工作地接地方式

對DCS接地系統進行檢查[4-5]，發現1號機組汽輪機電子設備間匯總接地扁鐵在進入地網前與汽輪機廠房0 m電氣接地環網存在交叉互聯情況，不符合《防止電力生產事故的二十五項重點要求》(國能安全[2014]161號)第9.1.7條“分散控制系統與電氣系統共用1個接地網時，分散控制系統接地線與電氣接地網只允許有1個連接點的要求”[6]。汽輪機電子設備間DCS接地系統如圖4所示。

圖4 DCS實際接地

c.就地電磁干擾

通過查找工作票及詢問檢修人員發現，07：32—07：46測點波動期間，正在進行1號機組6.5 m工業供汽直管段更換焊接工作(有3臺電焊機同時在工作)，電焊機接地連接到汽輪機廠房0 m接地環網上。電焊機工作時檢修電源電流如圖5所示。

圖5 電焊機工作時電流曲線

由歷史曲線發現，6月20日對外供汽系統停運檢修后，汽泵傳動端徑向軸承溫度測點多次出現毛刺，分析該溫度測量回路存在一定的靜電積累，再受到電焊機焊接時對DCS接地系統產生干擾的影響，造成該溫度出現異常波動而導致機組非計劃停機。

3 保護邏輯分析

按照DL/T 5791—2019《火力發電建設工程機組熱控調試導則》要求[7]，應充分利用DCS系統中的質量判斷和自診斷邏輯功能模塊來輔助判斷信號測點和測量通道故障。所有DCS系統都設計品質判斷功能模塊，當信號超限或者符合其他設計參數變化時，即發出“壞質量”判斷[8]，同時對于溫度等不可能發生短時間內突變的過程信號，原則上需要設計有變化速率限制和異常值判斷的邏輯功能。通過設置速率和報警功能，合理配置參數變化率設定值，當跳閘信號發生階躍性驟變時，其輸出不突變，同時發出變化速率超限信號報警，在上述2組信號同時出現的情況下，需要增設信號閉鎖功能，防止保護誤動作，同時配置延時復位功能，當信號恢復正常值后延時一段時間，復位“信號故障”。

由圖2可知，輔機單點保護邏輯設計依據：溫度測點經過慢速率保護模塊(在溫度測點低于設定參數值時有效)時，上述功能模塊邏輯信號輸出和溫度測點品質判斷條件相“與”構成溫度保護動作跳閘信號。核查該機組邏輯，高低限判斷模塊(BLOCK 44)定值設置為80 ℃，溫度慢速率保護模塊參數設置為600 ℃/min。通過事故發生前后曲線分析判斷，當輸入溫度處于慢速率保護模塊中的高低限值范圍外且輸入溫度速率變化超過設定值時，速率保護功能將被切除，即在合理的溫度升速率設定范圍外，實際測點溫度超過保護限值，將屏蔽保護信號，保護動作不會觸發。

針對溫度升速率開展試驗進行分析，對現有保護邏輯參數設置的合理性驗證。采用DCS信號仿真試驗方法，在DCS組態軟件上搭建測試邏輯。設計頁面邏輯掃描周期為500 ms，通過模擬量輸入模塊(KBML)進行溫度階梯變化仿真，為確保SLWPRT模塊的D2管腳信號有歷史趨勢，新增中間開關量變量點，人為模擬溫度輸入數值依次輸入62 ℃、74 ℃、82 ℃、96 ℃，模擬每秒超過10 ℃及不超過10 ℃的溫度變化。結果表明，當輸入溫度小于80 ℃時，高低限值模塊ACK信號管腳始終保持置位“1”狀態，但因SLWPRT模塊中的高低限定值條件不滿足觸發條件，所以保護不會觸發；當輸入溫度大于80 ℃時，由于RS觸發器保持，此時無論速率限制模塊是否觸發動作，因實際溫度值不滿足保護動作限值，RS觸發器復位管腳保持復位“0”狀態；當溫度接近保護跳閘定值95 ℃時，高低限保護模塊置位，如果此時溫度保護速率模塊(復位RS觸發器)未置位[9]，說明系統判斷溫度變化符合正常趨勢；此時一旦實際溫度超過95 ℃，單點保護立即觸發動作。但當系統判斷溫度變化速率異常，則會復位RS觸發器，屏蔽保護輸出，所以該保護動作可靠性的關鍵點是合理設置溫度升速率保護限值。

為確定溫度升速率的極限值，通過實際物理條件模擬試驗，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點溫度突增現象，觀察并記錄實時溫度數據曲線。試驗結果表明，溫度元件能夠反映溫度升速率約為7.2 ℃/s，也是溫度元件能夠實時反映的極限溫度升速率，即當實際溫度超過對應溫度升速率說明信號存在故障，所以速率限制模塊中的參數設置為10 ℃/s[10]，并不能真正起到切除溫度保護的作用，建議將定值設置偏低一些。

4 結論

a.對汽輪機電子設備間DCS接地系統存在的2點接地隱患進行處理，同時對DCS接地情況進行全面排查。

b.優化汽泵軸承溫度保護邏輯:①溫度元件選用雙支熱電阻，增加1路測點，實現保護雙冗余配置；②適當減小返回溫度定值并增加一定延時后再進行復位，提高溫度測點抗干擾能力；③增加壞質量、超速率二級報警，有助于運行人員分析判斷，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定值。