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  1　概述

   隨著科技的不斷發展以及安全生產理念的不斷進步，機組重要設備的運行可靠性越來越受到重視。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，電廠中的各種熱力設備在非正常運行狀態下就不會出現過大的或者是毀滅性的損壞，從而大大提高了電廠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，需要從拒動和誤動這兩個方面的可能性出發。保護誤動是機組在正常運行工況下發出錯誤信息，造成重要設備甚至整個機組跳閘，產生不必要的損失和資源浪費。而保護拒動是機組在運行過程中出現異常情況需要保護動作時，保護回路未能正常動作。保護拒動時可能會發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，防止保護拒動尤為重要。

  當前各發電企業的重要設備保護中或多或少存在著單點保護的情況。所謂單點保護，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作的唯一的硬件測量信號或者軟件控制回路。隨著機組運行時間的增加，保護回路中軟硬件發生故障的可能性越來越大，當單點保護回路出現隱患異常時，可能直接導致整個保護回路誤動甚至拒動，造成正常運行中的重要設備跳閘，或者機組運行異常時保護未動導致產生更大安全事故。在確保重要保護不會發生拒動的前提下，對單點保護進行優化，降低保護誤動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，保證經濟效益。

   2　單點保護的分類

  單點保護的分析按照信號處理過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型可以分為模擬量信號測量回路和開關量信號測量回路；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保護特點及優化方法進行分析。

  3　單點保護的特點及優化方法

  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、位移、轉速等，是判斷機組運行狀態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關量信號進行保護回路邏輯判斷，當某一模擬量信號作為單點保護信號引入DCS系統時，如果系統接收到的信號發生異常，將無法判斷現場設備的實際運行工況，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生如下幾種故障現象：

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

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

  測量回路信號干擾。DCS系統會顯示測量信號大幅度異常波動，如果波動范圍超過設定限值，會造成保護誤動或短時間內的拒動；如波動范圍在正常運行范圍內，則不會對保護邏輯造成影響，但也無法真實反映設備的實際運行狀態。

  無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，尤其是對單點保護信號而言。單一信號的故障可能直接導致整個機組保護誤動跳閘，甚至保護誤動，擴大事故影響。

   針對這種情況最有效的優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行邏輯判斷后引入保護邏輯回路，不僅可以增加設置狀態監視的可信度，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或誤動。

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

   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關量信號后延時動作的方法，降低保護誤動的可能性。

   3.1.2　開關量信號測量回路

   很多直接輸出開關量的測量信號（如液位、壓力開關等）在保護邏輯中也經常被設計成單點保護。當測點發生故障、信號電纜短路（相當于開關量接點閉合）或者斷線（相當于開關量接點斷開）造成開關量信號發生反轉或無法翻轉時，都可能造成保護邏輯的誤動或拒動。

   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或拒動的有效手段之一。與模擬量信號有所不同，由于兩套開關量測量信號出現不同時，很難判斷出哪一路是真實狀態，因此，在開關量回路的保護設置時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關量翻轉延時動作等邏輯，在保證保護不會發生拒動的前提下，降低保護誤動風險。

   在保護系統中，可以用模擬量信號和開關量信號相結合的方式，共同判斷運行工況，決定保護是否動作，也可有效降低保護誤動或拒動的危險。

   3.2　邏輯判斷回路

   無論是模擬量信號還是開關量信號，避免單點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，DCS系統可以根據其他點的狀態判斷信號是否故障，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，同時報警提示運行監視人員，此時重要設備保護依然有效，可有效避免保護邏輯誤動及拒動。

   如果實際現場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題。如果DCS系統具備電纜斷線判斷功能或能夠通過邏輯判斷出哪一路信號發生故障時，可以屏蔽該信號的保護功能同時報警提示運行監視人員。

   我們通常單點保護優化時往往更多的考慮的是現場測量回路的風險，常常忽略邏輯判斷回路的軟硬件問題。

   DCS控制系統邏輯判斷功能往往通過控制模件實現，而控制模件大多屬于電氣元器件，隨著機組運行時間的增加，電器元器件發生老化故障的概率也越來越大。我們在分析保護邏輯是否合理時也需要考慮DCS控制系統軟硬件中某一個環節出現故障時，重要保護邏輯是否有效以及能否正常動作。

   以我廠DCS實際運行程序為例，通過近兩年的不斷優化改造，已經基本杜絕了現場測量回路的單點保護情況。我廠機組主保護控制邏輯采取三取二的邏輯判斷方式，三個保護通道同時動作時，機組跳閘。但是我們發現三個通道的主保護邏輯中具有相同的判斷邏輯子回路，且這些子回路來自同一控制模件，當某一子回路所在模件發生故障或者運行中進行插拔更換時，會導致部分中間信號發生狀態翻轉，觸發三個保護通道同時誤動，造成整個機組誤跳閘。我們認為可能觸發所有保護通道同時動作的控制回路中間信號也屬于單點保護。針對這種單點保護情況，我們另外重新選取了兩塊控制模件，將同時向三個保護通道提供信號的子回路邏輯進行復制組態下載，然后將這三套相同的控制子回路分別引入三個機組主保護通道。保證機組主保護邏輯三個通道間無論軟件還是硬件上都彼此獨立，不會由于某一個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與拒動。

   4　結論

  我們在分析重要設備的保護邏輯是否合理有效時，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、信號、控制硬件以及控制子邏輯回路出現故障時，保護邏輯會不會出現誤動或拒動，會不會帶來不必要的損失，甚至更加嚴重的后果。無論軟件還是硬件，凡是局部單一設備可能造成整個機組保護誤動或拒動的，都可視作單點保護，都應在實際保護系統設計時盡可能避免。

   我廠通過近幾年對重要設備重要保護信號的整理、統計，確立優化方案，最后具體實施并通過試驗驗證，主要設備運行安全可靠性有了很大的提升，也為我們處理類似問題積累了豐富的經驗。

  參考文獻：

  [1] 王大為. 火力發電廠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會. 熱工自動化[M]. 北京: 中國電力出版社,2000.

  作者簡介

  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、自動連鎖和保護控制方面的研究。 

    摘自《自動化博覽》2013年8月刊