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        發(fā)電廠三模冗余(TMR)控制技術(shù)的研究應(yīng)用

        2021-03-17 06:22:08殷利杰
        儀器儀表用戶 2021年3期
        關(guān)鍵詞:模件分散式機(jī)柜

        陳 晨,歐 偉,殷利杰

        (1.華中電力設(shè)計研究院有限公司 電控部,鄭州 451450;2.河南省電力勘測設(shè)計院 電控部,鄭州 450007)

        0 引言

        隨著發(fā)電廠自動化程度逐步提高,海外發(fā)電項(xiàng)目大都需要履行更加嚴(yán)格的SIL3(Safety Integrity Level 3)標(biāo)準(zhǔn),這些因素使得分散式控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)的安全性和可靠性水漲船高。三模冗余(Triple Modular Redundancy,TMR)作為DCS發(fā)展中成熟可靠的控制新技術(shù),已在國內(nèi)發(fā)電廠重要保護(hù)、重要協(xié)調(diào)子系統(tǒng),諸如爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(Furnace Safeguard Supervisory System,F(xiàn)SSS)、數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Digital Electronic Hydraulic Control,DEH)[1]、汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)(Emergency Trip System,ETS)中廣泛應(yīng)用[2,3],采用TMR技術(shù)的DCS在外部可以達(dá)到SIL3級標(biāo)準(zhǔn),其系統(tǒng)自身的性能也得到大幅度提高。

        圖1 三模冗余技術(shù)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of TMR technology

        1 三模冗余技術(shù)分析

        1.1 結(jié)構(gòu)及原理

        三模冗余(TMR)是發(fā)電廠分散式控制系統(tǒng)(DCS)的一個新技術(shù)及發(fā)展方向,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。從輸入模塊,經(jīng)過主處理器到輸出模塊完全是三重化的[4,5]。

        1.2 主要部件功能介紹

        1)輸入模件:包括數(shù)字量輸入模件、模擬量輸入模件和脈沖輸入模件。每個輸入模件都有3條獨(dú)立的分電路,每條分電路異步檢測輸入信號,并將結(jié)果導(dǎo)入獨(dú)立的輸入表中。

        2)主處理器:接收并存儲數(shù)據(jù),以備用于硬件表決。

        3)三重化總線(TRI總線):每次掃描開始時,使每個主處理器保持同步,并且傳輸和表決輸入數(shù)據(jù)、傳輸診斷數(shù)據(jù)和通訊數(shù)據(jù)。

        4)輸出模件:包括數(shù)字量輸出模件和模擬量輸出模件。數(shù)字量輸出模件對每一開關(guān)進(jìn)行單獨(dú)的三取二表決過程;模擬量輸出模件根據(jù)分電路之間的輪換規(guī)則,連續(xù)輸出信號。

        1.3 工作流程

        1)輸入模件通過3條分電路輪詢輸入數(shù)據(jù),并通過I/O總線將每個輸入表傳輸至各自對應(yīng)的處理器中。

        2)3個主處理器利用其專有的高速三重化總線進(jìn)行相互通訊,每次掃描,每個主處理器都存儲數(shù)據(jù)并通過總線與其相鄰的另外兩個主處理器通訊,達(dá)到同步。

        3)三重化總線對數(shù)字輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行表決,把輸入數(shù)據(jù)復(fù)制并送到各個主處理器,主處理器執(zhí)行各種控制算法,算出輸出值,并發(fā)送至各輸出模塊。

        4)輸出模件按多數(shù)原則對輸出值再次進(jìn)行表決/選擇,并糾正偏差。

        5)模擬輸入信號則是在模擬輸出選擇器中進(jìn)行選擇。

        由此可見,三重冗余技術(shù)是將三路獨(dú)立的、并行的控制系統(tǒng)和廣泛的診斷集成在一個系統(tǒng)中;用三取二表決提供高度完善、無差錯、不間斷的過程操作,使其不會因?yàn)閱吸c(diǎn)的故障而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

        2 三模冗余技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與不足

        2.1 優(yōu)點(diǎn)

        1)可靠性:運(yùn)用三模冗余技術(shù),控制系統(tǒng)中單個原件的故障不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

        2)適用性:三模冗余技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在電力控制行業(yè),當(dāng)運(yùn)用在發(fā)電廠分散式控制系統(tǒng)(DCS)中時,可以與冗余DPU或容錯DPU適配。

        3)安全性:三模冗余技術(shù)由于具有高度的診斷覆蓋率,因而運(yùn)用三模冗余技術(shù)的DCS可以達(dá)到SIL3級標(biāo)準(zhǔn)。

        4)高可用性:運(yùn)用三模冗余技術(shù)的DCS可在主處理器3個、2個或1個工作的情況下,正常運(yùn)行,故障模塊可在系統(tǒng)操作持續(xù)不中斷的情況下被替換。

        2.2 不足

        1)增加控制機(jī)柜數(shù)量:由于TMR技術(shù)采用了3臺處理器,輸入/輸出模件及機(jī)架不同于傳統(tǒng)的同類產(chǎn)品,相關(guān)附件也一并增加。一般來說,采用三模冗余技術(shù)的DCS機(jī)柜數(shù)量相較普通DCS多了一些,以商丘民生電廠為例,ETS控制硬件采用了TMR技術(shù),共有196個點(diǎn)位,在考慮備用點(diǎn)位和內(nèi)部接線點(diǎn)位之后,在汽機(jī)電子間專為ETS設(shè)置了3面機(jī)柜,多于同類機(jī)組的1面機(jī)柜[6]。

        2)提高了控制系統(tǒng)概算:因?yàn)槌杀咎岣撸捎萌H哂嗉夹g(shù),將使DCS的概算增加,同樣I/O點(diǎn)位越多,概算增加額越大。

        3 三模冗余控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

        國電投商丘民生供熱電廠為2×350MW超臨界燃煤凝汽式發(fā)電機(jī)組,在該工程中,汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)(ETS)采用FOXBORO公司開發(fā)的TRICON系列硬件,該系統(tǒng)具備三模冗余的功能,具有可診斷到模件級的自診斷技術(shù),能夠保證任何個別元件、模件或組件故障不會影響整個系統(tǒng)的工作,不會導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)誤動或拒動,也不會導(dǎo)致任何設(shè)備狀態(tài)的改變或主設(shè)備故障,大大提高了ETS的安全性和可靠性。商丘民生供熱電廠自從2018年11月第一臺機(jī)組投產(chǎn)以來,機(jī)組運(yùn)行正常,控制策略得當(dāng),DCS運(yùn)行安全穩(wěn)定,控制系統(tǒng)完全滿足生產(chǎn)需要。

        4 結(jié)論及展望

        隨著海外發(fā)電市場的拓展和DCS控制技術(shù)和策略的不斷進(jìn)步,控制理念的不斷深化,在可期之未來,相關(guān)機(jī)構(gòu)也勢必會針對國內(nèi)的發(fā)電項(xiàng)目制定與SIL3相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。三模冗余技術(shù)因其特有的準(zhǔn)確性和可靠性,將會越來越廣泛地應(yīng)用于分散式控制系統(tǒng)中。目前,市場上已有FOXBORO公司的TRICON系列產(chǎn)品、GE新華公司的NEXUS系列產(chǎn)品采用了TMR控制技術(shù),而國電智深公司也在積極研發(fā)具備TMR技術(shù)的控制系統(tǒng),DCS層面競爭激烈,可選擇性較大。針對控制機(jī)柜數(shù)量增多的問題,需要投資方及設(shè)計者在設(shè)計發(fā)電廠電子間盤柜布置時考慮足夠的盤位。隨著DCS技術(shù)的進(jìn)步,自動化生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和人力成本的節(jié)約,采用三模冗余技術(shù)的DCS硬件價格劣勢必會進(jìn)一步縮小,進(jìn)而其技術(shù)優(yōu)勢將會更加充分地體現(xiàn)。

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