1　概述

   隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展以及安全生產(chǎn)理念的不斷進(jìn)步，機組重要設備的運行可靠性越來(lái)越受到重視。熱工保護系統對于機組的運行可靠性尤為重要，正是由于熱工保護的存在，電廠(chǎng)中的各種熱力設備在非正常運行狀態(tài)下就不會(huì )出現過(guò)大的或者是毀滅性的損壞，從而大大提高了電廠(chǎng)的安全性和可恢復性。在判斷一套熱工保護回路是否合理有效時(shí)，需要從拒動(dòng)和誤動(dòng)這兩個(gè)方面的可能性出發(fā)。保護誤動(dòng)是機組在正常運行工況下發(fā)出錯誤信息，造成重要設備甚至整個(gè)機組跳閘，產(chǎn)生不必要的損失和資源浪費。而保護拒動(dòng)是機組在運行過(guò)程中出現異常情況需要保護動(dòng)作時(shí)，保護回路未能正常動(dòng)作。保護拒動(dòng)時(shí)可能會(huì )發(fā)生重要設備的嚴重損壞，甚至機毀人亡。因此，在熱工保護回路中，防止保護拒動(dòng)尤為重要。

  當前各發(fā)電企業(yè)的重要設備保護中或多或少存在著(zhù)單點(diǎn)保護的情況。所謂單點(diǎn)保護，是指在機組重要設備保護回路中，可以直接導致保護回路動(dòng)作的唯一的硬件測量信號或者軟件控制回路。隨著(zhù)機組運行時(shí)間的增加，保護回路中軟硬件發(fā)生故障的可能性越來(lái)越大，當單點(diǎn)保護回路出現隱患異常時(shí)，可能直接導致整個(gè)保護回路誤動(dòng)甚至拒動(dòng)，造成正常運行中的重要設備跳閘，或者機組運行異常時(shí)保護未動(dòng)導致產(chǎn)生更大安全事故。在確保重要保護不會(huì )發(fā)生拒動(dòng)的前提下，對單點(diǎn)保護進(jìn)行優(yōu)化，降低保護誤動(dòng)率不但能夠提高機組運行效率，更能夠避免不必要的資源浪費，保證經(jīng)濟效益。

   2　單點(diǎn)保護的分類(lèi)

  單點(diǎn)保護的分析按照信號處理過(guò)程可以分為測量回路和邏輯判斷回路兩部分，測量回路按照信號類(lèi)型可以分為模擬量信號測量回路和開(kāi)關(guān)量信號測量回路；而邏輯判斷回路主要指DCS系統中負責主要設備保護邏輯控制運算功能的軟、硬件系統。下面將分別就這兩部分的單點(diǎn)保護特點(diǎn)及優(yōu)化方法進(jìn)行分析。

  3　單點(diǎn)保護的特點(diǎn)及優(yōu)化方法

  3.1　信號測量回路

  3.1.1　模擬量信號測量回路

  模擬量信號包括溫度、壓力、流量、振動(dòng)、位移、轉速等，是判斷機組運行狀態(tài)是否正常的重要信息。模擬量信號通常采取設置限值的方法輸出開(kāi)關(guān)量信號進(jìn)行保護回路邏輯判斷，當某一模擬量信號作為單點(diǎn)保護信號引入DCS系統時(shí)，如果系統接收到的信號發(fā)生異常，將無(wú)法判斷現場(chǎng)設備的實(shí)際運行工況，對設備的正常運行造成重大的安全隱患。

   模擬量信號測量回路可能發(fā)生如下幾種故障現象：

  就地測點(diǎn)損壞故障。此時(shí)DCS系統顯示數據大多變化為量程上限或下限值，導致保護回路誤動(dòng)或拒動(dòng)。

  測量回路電纜短路、接地或斷線(xiàn)。此時(shí)DCS顯示數據大多變化為量程上限或下限值，導致保護回路誤動(dòng)或拒動(dòng)；當測量回路由于接線(xiàn)端子接觸不良或電纜絕緣不好導致瞬間故障時(shí)，DCS系統會(huì )出現測量信號瞬時(shí)的擺動(dòng)，且擺動(dòng)范圍會(huì )超出信號量程上下限，短時(shí)間內會(huì )影響到保護回路的邏輯判斷。

  測量回路信號干擾。DCS系統會(huì )顯示測量信號大幅度異常波動(dòng)，如果波動(dòng)范圍超過(guò)設定限值，會(huì )造成保護誤動(dòng)或短時(shí)間內的拒動(dòng)；如波動(dòng)范圍在正常運行范圍內，則不會(huì )對保護邏輯造成影響，但也無(wú)法真實(shí)反映設備的實(shí)際運行狀態(tài)。

  無(wú)論出現以上哪種故障現象，都不利于機組設備運行的可靠性，尤其是對單點(diǎn)保護信號而言。單一信號的故障可能直接導致整個(gè)機組保護誤動(dòng)跳閘，甚至保護誤動(dòng)，擴大事故影響。

   針對這種情況最有效的優(yōu)化措施就是增加測量回路。將單路測量信號回路改為兩路或三路測量信號回路進(jìn)行邏輯判斷后引入保護邏輯回路，不僅可以增加設置狀態(tài)監視的可信度，更可以有效避免由于就地單一測量回路故障造成的保護拒動(dòng)或誤動(dòng)。

  如果現場(chǎng)設備不具備增加測點(diǎn)的條件，可以考慮增加信號故障判斷邏輯。如有些DCS系統具備信號斷線(xiàn)故障判斷功能，當現場(chǎng)重要信號斷線(xiàn)時(shí)發(fā)出一故障判斷位報警提醒運行人員加強監視，同時(shí)屏蔽該信號造成保護邏輯誤動(dòng)；又如針對溫度等正常情況下不會(huì )發(fā)生瞬間大幅度突變的信號，增加信號單位時(shí)間變化率的監視，變化率超出正常范圍時(shí)屏蔽保護信號避免誤動(dòng)。

   另外，針對模擬量信號瞬間突變的故障現象，可以采用限值輸出開(kāi)關(guān)量信號后延時(shí)動(dòng)作的方法，降低保護誤動(dòng)的可能性。

   3.1.2　開(kāi)關(guān)量信號測量回路

   很多直接輸出開(kāi)關(guān)量的測量信號（如液位、壓力開(kāi)關(guān)等）在保護邏輯中也經(jīng)常被設計成單點(diǎn)保護。當測點(diǎn)發(fā)生故障、信號電纜短路（相當于開(kāi)關(guān)量接點(diǎn)閉合）或者斷線(xiàn)（相當于開(kāi)關(guān)量接點(diǎn)斷開(kāi)）造成開(kāi)關(guān)量信號發(fā)生反轉或無(wú)法翻轉時(shí)，都可能造成保護邏輯的誤動(dòng)或拒動(dòng)。

   與模擬量測量回路相似，增加相同的測量回路也是避免由于單一測量回路故障造成保護誤動(dòng)或拒動(dòng)的有效手段之一。與模擬量信號有所不同，由于兩套開(kāi)關(guān)量測量信號出現不同時(shí)，很難判斷出哪一路是真實(shí)狀態(tài)，因此，在開(kāi)關(guān)量回路的保護設置時(shí)至少應該設置三路或三路以上的測量回路。同樣，為了避免由于電纜虛接等原因造成的信號瞬間突變，可以在保護回路中增加開(kāi)關(guān)量翻轉延時(shí)動(dòng)作等邏輯，在保證保護不會(huì )發(fā)生拒動(dòng)的前提下，降低保護誤動(dòng)風(fēng)險。

   在保護系統中，可以用模擬量信號和開(kāi)關(guān)量信號相結合的方式，共同判斷運行工況，決定保護是否動(dòng)作，也可有效降低保護誤動(dòng)或拒動(dòng)的危險。

   3.2　邏輯判斷回路

   無(wú)論是模擬量信號還是開(kāi)關(guān)量信號，避免單點(diǎn)保護最有效的措施就是增加整套測量回路。三套及以上的測量回路可以在邏輯判斷回路中進(jìn)行三取二或四取二以上的邏輯判斷，這種做法相對比較穩妥。當某一測量信號出現變化時(shí)，DCS系統可以根據其他點(diǎn)的狀態(tài)判斷信號是否故障，如果設備運行正常，僅為單一信號源出現異常，則將該信號屏蔽出保護回路，同時(shí)報警提示運行監視人員，此時(shí)重要設備保護依然有效，可有效避免保護邏輯誤動(dòng)及拒動(dòng)。

   如果實(shí)際現場(chǎng)僅能夠提供兩路模擬量信號引入DCS系統，就需要考慮信號的故障判斷問(wèn)題。如果DCS系統具備電纜斷線(xiàn)判斷功能或能夠通過(guò)邏輯判斷出哪一路信號發(fā)生故障時(shí)，可以屏蔽該信號的保護功能同時(shí)報警提示運行監視人員。

   我們通常單點(diǎn)保護優(yōu)化時(shí)往往更多的考慮的是現場(chǎng)測量回路的風(fēng)險，常常忽略邏輯判斷回路的軟硬件問(wèn)題。

   DCS控制系統邏輯判斷功能往往通過(guò)控制模件實(shí)現，而控制模件大多屬于電氣元器件，隨著(zhù)機組運行時(shí)間的增加，電器元器件發(fā)生老化故障的概率也越來(lái)越大。我們在分析保護邏輯是否合理時(shí)也需要考慮DCS控制系統軟硬件中某一個(gè)環(huán)節出現故障時(shí)，重要保護邏輯是否有效以及能否正常動(dòng)作。

   以我廠(chǎng)DCS實(shí)際運行程序為例，通過(guò)近兩年的不斷優(yōu)化改造，已經(jīng)基本杜絕了現場(chǎng)測量回路的單點(diǎn)保護情況。我廠(chǎng)機組主保護控制邏輯采取三取二的邏輯判斷方式，三個(gè)保護通道同時(shí)動(dòng)作時(shí)，機組跳閘。但是我們發(fā)現三個(gè)通道的主保護邏輯中具有相同的判斷邏輯子回路，且這些子回路來(lái)自同一控制模件，當某一子回路所在模件發(fā)生故障或者運行中進(jìn)行插拔更換時(shí)，會(huì )導致部分中間信號發(fā)生狀態(tài)翻轉，觸發(fā)三個(gè)保護通道同時(shí)誤動(dòng)，造成整個(gè)機組誤跳閘。我們認為可能觸發(fā)所有保護通道同時(shí)動(dòng)作的控制回路中間信號也屬于單點(diǎn)保護。針對這種單點(diǎn)保護情況，我們另外重新選取了兩塊控制模件，將同時(shí)向三個(gè)保護通道提供信號的子回路邏輯進(jìn)行復制組態(tài)下載，然后將這三套相同的控制子回路分別引入三個(gè)機組主保護通道。保證機組主保護邏輯三個(gè)通道間無(wú)論軟件還是硬件上都彼此獨立，不會(huì )由于某一個(gè)信號源或邏輯運算中間信號的故障造成機組主保護的誤動(dòng)與拒動(dòng)。

   4　結論

  我們在分析重要設備的保護邏輯是否合理有效時(shí)，不僅需要從包括測量信號等的所有設備正常運行期間的工況考慮，更需要考慮當某一部分測點(diǎn)、信號、控制硬件以及控制子邏輯回路出現故障時(shí)，保護邏輯會(huì )不會(huì )出現誤動(dòng)或拒動(dòng)，會(huì )不會(huì )帶來(lái)不必要的損失，甚至更加嚴重的后果。無(wú)論軟件還是硬件，凡是局部單一設備可能造成整個(gè)機組保護誤動(dòng)或拒動(dòng)的，都可視作單點(diǎn)保護，都應在實(shí)際保護系統設計時(shí)盡可能避免。

   我廠(chǎng)通過(guò)近幾年對重要設備重要保護信號的整理、統計，確立優(yōu)化方案，最后具體實(shí)施并通過(guò)試驗驗證，主要設備運行安全可靠性有了很大的提升，也為我們處理類(lèi)似問(wèn)題積累了豐富的經(jīng)驗。

  參考文獻：

  [1] 王大為. 火力發(fā)電廠(chǎng)分散控制系統應用基礎[M]. 北京: 中國電力出版社,2007.

  [2] 華東六省一市電機工程學(xué)會(huì ). 熱工自動(dòng)化[M]. 北京: 中國電力出版社,2000.

  作者簡(jiǎn)介

  何櫟（1982-）男，天津人，本科，現就職于神華國華國際電力股份有限公司北京熱電分公司，主要從事電力系統信號測量、自動(dòng)連鎖和保護控制方面的研究。 

    摘自《自動(dòng)化博覽》2013年8月刊