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

摘要：火力發(fā)電廠汽輪機控制系統(tǒng)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(fā)生超速保護誤發(fā)事故，分析了汽輪機控制系統(tǒng)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?qū)x擇功能塊的影響。制定了改進措施，總結(jié)了事故教訓(xùn)，提出了邏輯設(shè)計中要注意的事項。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計；超速保護；組態(tài)；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(zhuǎn)動機械的轉(zhuǎn)速測量與控制在自動控制領(lǐng)域品質(zhì)要求很高，在火力電力廠汽輪機轉(zhuǎn)速測量元件中，轉(zhuǎn)速信號有三項主要指標：精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度?；鹆﹄娏S汽輪機控制系統(tǒng)普遍采用數(shù)字電液控制系統(tǒng)(簡稱DEH)。數(shù)字控制系統(tǒng)中的模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換周期、運算控制周期對轉(zhuǎn)動機械系統(tǒng)中的控制誤差和控制系統(tǒng)性能產(chǎn)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(tǒng)一個重要的功能，國內(nèi)外大型機組DEH的OPC和OPT設(shè)計，強調(diào)可靠性和快速性及其與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系。ABB集團ETSI公司汽輪機保護系統(tǒng)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(tǒng)的數(shù)據(jù)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(tǒng)亦將測速、OPC和OPT邏輯處理功能集成在一塊模件上，系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)OPC的動作時間在20ms以下，OPC系統(tǒng)采用全冗余配置；哈汽廠開發(fā)的DEH系統(tǒng)控制周期亦在50ms以下[1]。

    在DEH中控制邏輯組態(tài)中，算法功能塊是算法邏輯的基本元素，一定數(shù)量和種類的算法功能塊在一定周期時間內(nèi)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(shè)備，在某臺機組發(fā)生超速保護誤動作后，對跳機原因分析中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)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(fā)生超速保護動作，經(jīng)過現(xiàn)場SOE和歷史趨勢記錄分析。發(fā)現(xiàn)機組跳閘后超速OPC和OPT還發(fā)了兩次，同時對轉(zhuǎn)速信號模擬量歷史記錄調(diào)閱，未發(fā)現(xiàn)超速現(xiàn)象，機組運行人員的監(jiān)視也未發(fā)現(xiàn)超速現(xiàn)象，因此初步判斷該保護屬誤動。

    該機組DEH結(jié)構(gòu)采用兩級控制單元結(jié)構(gòu)，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(guī)I/O模件。重要的轉(zhuǎn)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(shè)計將閉環(huán)控制、熱應(yīng)力計算以及對上通訊等任務(wù)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(wù)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(tǒng)軟件產(chǎn)生，OPT信號一路由DEH產(chǎn)生，另一路由ETS（汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)）產(chǎn)生，DEH這路OPT保護信號由圖1中產(chǎn)生模擬量信號判斷是否大于110%而產(chǎn)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(zhuǎn)速信號采自汽輪機8瓦，DEH的轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)速模擬量信號的三選一結(jié)果送閉環(huán)控制，并給DCS發(fā)送?？焖偬幚砥髦械娜x一結(jié)果只用來判斷OPT和OPC，如圖1所示。

圖1   機組OPT和OPC組態(tài)原理圖

    圖2為機組DEH中的轉(zhuǎn)速三選一邏輯，該思想為西屋公司設(shè)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(yōu)選A通道，當(dāng)A通道故障時才優(yōu)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(yōu)選A的時候，B的故障不會造成信號選擇功能塊動作，當(dāng)選擇B后，一直要到B再次發(fā)生故障才會切換到A。模擬量切換判據(jù)由圖2中的RS觸發(fā)器產(chǎn)生。

    圖2中，三個轉(zhuǎn)速信號進行越上限和越下限判斷，同時對轉(zhuǎn)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(zhì)判據(jù)。

    若K值為RS觸發(fā)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(zhuǎn)速信號被邏輯處理頁離散化采入，并觸發(fā)切換信號K的過程。分析發(fā)現(xiàn)RS觸發(fā)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(zhuǎn)速信號入口執(zhí)行本周期采樣進來的信號，判據(jù)K采用上一周期的結(jié)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(jù)結(jié)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(dǎo)致超速信號觸發(fā)。

    試驗發(fā)現(xiàn)上述分析結(jié)果，在快速處理器中的超速判斷邏輯結(jié)果中并沒有出現(xiàn)，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(jù)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(fā)OPC、OPT，在下一個周期切換功能塊在選中的轉(zhuǎn)速信號發(fā)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(shè)計不合理也是造成這次事故的因素。

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

    其次，依據(jù)DL/T656-2006《火力發(fā)電廠汽輪機控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程》和DL/T996-2006《火力發(fā)電廠汽輪機電液控制系統(tǒng)技術(shù)條件》，分別要求采用軟件系統(tǒng)的OPC、OPT處理周期應(yīng)不大于50ms和20ms。而該設(shè)計中運算OPC、OPT的一路慢速處理器的處理周期設(shè)置為200ms。

    轉(zhuǎn)速測量誤發(fā)環(huán)節(jié)有2處：一處是就地轉(zhuǎn)速信號有干擾，這可以通過示波器確認干擾是否存在，導(dǎo)致存在這種干擾的原因有磁阻傳感器故障或轉(zhuǎn)速信號屏蔽不良；另一處是前置放大器的轉(zhuǎn)速整形、濾波、判斷回路存在故障[2]。本次事故后經(jīng)檢測,就地5支磁阻傳感器中,用在轉(zhuǎn)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(chǎn)生問題的局部邏輯進行時序調(diào)整，調(diào)整后編譯在線下裝,采用在轉(zhuǎn)速通道前置放大器前甩線的方式,測試原邏輯是否發(fā)出OPT和OPC信號。其次，恢復(fù)原邏輯,測試原邏輯是否發(fā)出OPT和OPC信號。

    調(diào)整后實驗結(jié)果表明，工程師站邏輯動態(tài)、所有轉(zhuǎn)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(tài)中可觀察到轉(zhuǎn)速通道此時切換正常,轉(zhuǎn)速最終輸出信號由A通道切換到B通道，恢復(fù)原邏輯。開始拔B轉(zhuǎn)速探頭，機組跳閘，工程師站邏輯動態(tài)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(zhuǎn)速信號的方法,再次對上述試驗內(nèi)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(fā)OPC、OPT信號,但一次未捕捉到ETS首發(fā)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(huán)節(jié)均未見動作和異常。這說明有些頻率極快的擾動,系統(tǒng)的事故追憶裝置是捕捉不到的,但能觸發(fā)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(tǒng)內(nèi)的時序問題確實能夠造成關(guān)鍵邏輯誤動作，正確分析和處理時序問題是DCS軟件組態(tài)的一個重要步驟。

    在早期的梯形圖邏輯設(shè)計中，時序問題本是一個很嚴格的環(huán)節(jié)，目前大多數(shù)DCS系統(tǒng)組態(tài)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(cè)，同時結(jié)合組態(tài)工程師從上向下安排邏輯的習(xí)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(xiàn)問題的，本次事故也說明了邏輯修改中，組態(tài)工程師未遵守該規(guī)則,特別是在執(zhí)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(yīng)用

    通過上述分析和試驗，確證了時序?qū)x擇功能塊的影響是導(dǎo)致本次停機事故發(fā)生的根本原因。同時根據(jù)DL/T656-2006《火力發(fā)電廠汽輪機控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程》要求：“重要信號的檢測元件應(yīng)為三取二(開關(guān)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(fā)生的原因,只要修改時序即可解決問題，但參考兩份規(guī)程的規(guī)定，以及投產(chǎn)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(jié)果不作為停機的分支，只保留快速處理器的結(jié)果，因為快速處理器已經(jīng)是冗余設(shè)置,符合規(guī)程要求。且慢速處理器的處理速度慢，給結(jié)果增加了不安全環(huán)節(jié)；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(guī)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(jié)論

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

    在軟件設(shè)計方面，所有采用判據(jù)的切換塊、狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能塊（例如PID控制算法塊），均應(yīng)將判斷邏輯的執(zhí)行時序安排到算法邏輯前。

    隨著超臨界和超超臨界技術(shù)的大范圍應(yīng)用，機組的參數(shù)越來越高，允許的控制調(diào)整范圍也越窄，控制精度和可靠性要求提高，而DCS設(shè)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(tǒng)從設(shè)計、制造、裝配、組態(tài)、調(diào)試等環(huán)節(jié)應(yīng)更加嚴格規(guī)范，在DCS組態(tài)設(shè)計過程中應(yīng)該注意的環(huán)節(jié)須形成規(guī)范作業(yè)條款，DCS設(shè)備供貨商在執(zhí)行自身規(guī)則的同時要遵守國內(nèi)法規(guī)和行業(yè)規(guī)程，以減少生產(chǎn)中的事故。

作者信息:

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

    劉衛(wèi)國 （浙江國華浙能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江  寧波  315612）
 
    楊洪波 （河北國華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司，河北  滄州  061113） 

    尹武昌 （廣東國華粵電臺山發(fā)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(yù)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(nèi)部模塊實現(xiàn)的控制器處理周期測試新方法[J]. 云南電力技術(shù),2006,34(4)：36-36.