论机组重要设备的单点保护优化

  1　概述

   随着科技的不断发展以及安全生产理念的不断进步，机组重要设备的运行可靠性越来越受到重视。热工保护系统对于机组的运行可靠性尤为重要，正是由于热工保护的存在，电厂中的各种热力设备在非正常运行状态下就不会出现过大的或者是毁灭性的损坏，从而大大提高了电厂的安全性和可恢复性。在判断一套热工保护回路是否合理有效时，需要从拒动和误动这两个方面的可能性出发。保护误动是机组在正常运行工况下发出错误信息，造成重要设备甚至整个机组跳闸，产生不必要的损失和资源浪费。而保护拒动是机组在运行过程中出现异常情况需要保护动作时，保护回路未能正常动作。保护拒动时可能会发生重要设备的严重损坏，甚至机毁人亡。因此，在热工保护回路中，防止保护拒动尤为重要。

  当前各发电企业的重要设备保护中或多或少存在着单点保护的情况。所谓单点保护，是指在机组重要设备保护回路中，可以直接导致保护回路动作的唯一的硬件测量信号或者软件控制回路。随着机组运行时间的增加，保护回路中软硬件发生故障的可能性越来越大，当单点保护回路出现隐患异常时，可能直接导致整个保护回路误动甚至拒动，造成正常运行中的重要设备跳闸，或者机组运行异常时保护未动导致产生更大安全事故。在确保重要保护不会发生拒动的前提下，对单点保护进行优化，降低保护误动率不但能够提高机组运行效率，更能够避免不必要的资源浪费，保证经济效益。

   2　单点保护的分类

  单点保护的分析按照信号处理过程可以分为测量回路和逻辑判断回路两部分，测量回路按照信号类型可以分为模拟量信号测量回路和开关量信号测量回路；而逻辑判断回路主要指DCS系统中负责主要设备保护逻辑控制运算功能的软、硬件系统。下面将分别就这两部分的单点保护特点及优化方法进行分析。

  3　单点保护的特点及优化方法

  3.1　信号测量回路

  3.1.1　模拟量信号测量回路

  模拟量信号包括温度、压力、流量、振动、位移、转速等，是判断机组运行状态是否正常的重要信息。模拟量信号通常采取设置限值的方法输出开关量信号进行保护回路逻辑判断，当某一模拟量信号作为单点保护信号引入DCS系统时，如果系统接收到的信号发生异常，将无法判断现场设备的实际运行工况，对设备的正常运行造成重大的安全隐患。

   模拟量信号测量回路可能发生如下几种故障现象：

  就地测点损坏故障。此时DCS系统显示数据大多变化为量程上限或下限值，导致保护回路误动或拒动。

  测量回路电缆短路、接地或断线。此时DCS显示数据大多变化为量程上限或下限值，导致保护回路误动或拒动；当测量回路由于接线端子接触不良或电缆绝缘不好导致瞬间故障时，DCS系统会出现测量信号瞬时的摆动，且摆动范围会超出信号量程上下限，短时间内会影响到保护回路的逻辑判断。

  测量回路信号干扰。DCS系统会显示测量信号大幅度异常波动，如果波动范围超过设定限值，会造成保护误动或短时间内的拒动；如波动范围在正常运行范围内，则不会对保护逻辑造成影响，但也无法真实反映设备的实际运行状态。

  无论出现以上哪种故障现象，都不利于机组设备运行的可靠性，尤其是对单点保护信号而言。单一信号的故障可能直接导致整个机组保护误动跳闸，甚至保护误动，扩大事故影响。

   针对这种情况最有效的优化措施就是增加测量回路。将单路测量信号回路改为两路或三路测量信号回路进行逻辑判断后引入保护逻辑回路，不仅可以增加设置状态监视的可信度，更可以有效避免由于就地单一测量回路故障造成的保护拒动或误动。

  如果现场设备不具备增加测点的条件，可以考虑增加信号故障判断逻辑。如有些DCS系统具备信号断线故障判断功能，当现场重要信号断线时发出一故障判断位报警提醒运行人员加强监视，同时屏蔽该信号造成保护逻辑误动；又如针对温度等正常情况下不会发生瞬间大幅度突变的信号，增加信号单位时间变化率的监视，变化率超出正常范围时屏蔽保护信号避免误动。

   另外，针对模拟量信号瞬间突变的故障现象，可以采用限值输出开关量信号后延时动作的方法，降低保护误动的可能性。

   3.1.2　开关量信号测量回路

   很多直接输出开关量的测量信号（如液位、压力开关等）在保护逻辑中也经常被设计成单点保护。当测点发生故障、信号电缆短路（相当于开关量接点闭合）或者断线（相当于开关量接点断开）造成开关量信号发生反转或无法翻转时，都可能造成保护逻辑的误动或拒动。

   与模拟量测量回路相似，增加相同的测量回路也是避免由于单一测量回路故障造成保护误动或拒动的有效手段之一。与模拟量信号有所不同，由于两套开关量测量信号出现不同时，很难判断出哪一路是真实状态，因此，在开关量回路的保护设置时至少应该设置三路或三路以上的测量回路。同样，为了避免由于电缆虚接等原因造成的信号瞬间突变，可以在保护回路中增加开关量翻转延时动作等逻辑，在保证保护不会发生拒动的前提下，降低保护误动风险。

   在保护系统中，可以用模拟量信号和开关量信号相结合的方式，共同判断运行工况，决定保护是否动作，也可有效降低保护误动或拒动的危险。

   3.2　逻辑判断回路

   无论是模拟量信号还是开关量信号，避免单点保护最有效的措施就是增加整套测量回路。三套及以上的测量回路可以在逻辑判断回路中进行三取二或四取二以上的逻辑判断，这种做法相对比较稳妥。当某一测量信号出现变化时，DCS系统可以根据其他点的状态判断信号是否故障，如果设备运行正常，仅为单一信号源出现异常，则将该信号屏蔽出保护回路，同时报警提示运行监视人员，此时重要设备保护依然有效，可有效避免保护逻辑误动及拒动。

   如果实际现场仅能够提供两路模拟量信号引入DCS系统，就需要考虑信号的故障判断问题。如果DCS系统具备电缆断线判断功能或能够通过逻辑判断出哪一路信号发生故障时，可以屏蔽该信号的保护功能同时报警提示运行监视人员。

   我们通常单点保护优化时往往更多的考虑的是现场测量回路的风险，常常忽略逻辑判断回路的软硬件问题。

   DCS控制系统逻辑判断功能往往通过控制模件实现，而控制模件大多属于电气元器件，随着机组运行时间的增加，电器元器件发生老化故障的概率也越来越大。我们在分析保护逻辑是否合理时也需要考虑DCS控制系统软硬件中某一个环节出现故障时，重要保护逻辑是否有效以及能否正常动作。

   以我厂DCS实际运行程序为例，通过近两年的不断优化改造，已经基本杜绝了现场测量回路的单点保护情况。我厂机组主保护控制逻辑采取三取二的逻辑判断方式，三个保护通道同时动作时，机组跳闸。但是我们发现三个通道的主保护逻辑中具有相同的判断逻辑子回路，且这些子回路来自同一控制模件，当某一子回路所在模件发生故障或者运行中进行插拔更换时，会导致部分中间信号发生状态翻转，触发三个保护通道同时误动，造成整个机组误跳闸。我们认为可能触发所有保护通道同时动作的控制回路中间信号也属于单点保护。针对这种单点保护情况，我们另外重新选取了两块控制模件，将同时向三个保护通道提供信号的子回路逻辑进行复制组态下载，然后将这三套相同的控制子回路分别引入三个机组主保护通道。保证机组主保护逻辑三个通道间无论软件还是硬件上都彼此独立，不会由于某一个信号源或逻辑运算中间信号的故障造成机组主保护的误动与拒动。

   4　结论

  我们在分析重要设备的保护逻辑是否合理有效时，不仅需要从包括测量信号等的所有设备正常运行期间的工况考虑，更需要考虑当某一部分测点、信号、控制硬件以及控制子逻辑回路出现故障时，保护逻辑会不会出现误动或拒动，会不会带来不必要的损失，甚至更加严重的后果。无论软件还是硬件，凡是局部单一设备可能造成整个机组保护误动或拒动的，都可视作单点保护，都应在实际保护系统设计时尽可能避免。

   我厂通过近几年对重要设备重要保护信号的整理、统计，确立优化方案，最后具体实施并通过试验验证，主要设备运行安全可靠性有了很大的提升，也为我们处理类似问题积累了丰富的经验。

  参考文献：

  [1] 王大为. 火力发电厂分散控制系统应用基础[M]. 北京: 中国电力出版社,2007.

  [2] 华东六省一市电机工程学会. 热工自动化[M]. 北京: 中国电力出版社,2000.

  作者简介

  何栎（1982-）男，天津人，本科，现就职于神华国华国际电力股份有限公司北京热电分公司，主要从事电力系统信号测量、自动连锁和保护控制方面的研究。 

    摘自《自动化博览》2013年8月刊

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