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热工控制系统电源设计现状及改进方案 |
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作者：江西省电力试验研究院 卢铭庆 |
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1 引言
DCS系统是计算机技术、自动控制技术、通讯技术和网络技术等综合技术发展的产物，DCS的有效使用将使电力生产的安全、稳定、经济性得到提升。
从2000年开始，某省火电厂DCS改造开始实施，现已完成了对大部分机组的技术改造工作。DCS系统投运后，部分电厂发生了多起与DCS系统有关的故障，导致机组跳闸或负荷波动，影响电网的安全、稳定运行。故障原因的调查和分析结果表明，影响机组稳定运行甚至导致机组跳闸的原因很多，有DCS软、硬件的问题、设计问题、系统组态问题、安装调试问题、也有故障情况下处理不当等人为因素。
某省DCS故障起因统计结果表明，做为给DCS系统提供能源的电源系统，其自身的安全、稳定与否，将直接对DCS系统，以至于对整个机组的安全、稳定运行产生重要影响。2003年省内发生了数起与热工电源系统有关的DCS系统故障，导致机组跳闸，为此组织有关技术人员，对省内热工电源尤其是DCS电源系统的设计、安装及联锁切换进行了全面的了解，并对现有的电源系统的设计原理及设备运行状况进行了分析，对设计中存在的不足之处，提出了改进意见。
2 电源设计现状
省内DCS系统种类较多，电源设计也大同小异，一般采用保安段和UPS 两路电源通过切换装置对系统进行供电，由于DCS系统的重要部件对系统的安全运行至关重要，一般均采用了1:1冗余配置，在对冗余配件的供电方式上主要采用以下几种方式，不同的供电方式，将对系统的安全性产生不同的影响。目前省内DCS电源系统主要有以下两种设计方案。
2.1 电源设计方案之一
设计方案如图1所示。
图1 电源设计方案图
(1) 设计思想 上图的电源设计方案为省内大多数机组DCS系统所采用。这种电源设计思路是:电源采用保安段和UPS两路供电，I/O柜中冗余配置的两个主控单元(DPU)，如#1柜的1A、1B，为防止电源故障，将各I/O柜中的A组主控单元(1A、2A、3A、4A……..等)的供电回路接在保安段上，各I/O柜中的B组主控单元(1B、2B、3B、4B……..等)的供电回路接在UPS上，而对于操作员站、工程师站、服务器等设备的供电则通过电源切换装置供电。在I/O柜中，由于冗余配置的两个主控单元分别由保安段和UPS供电，任何一路电源消失只会使与其相连的DPU停止工作，而另一组DPU会自动承担该I/O柜的控制任务，一路电源故障时，系统没有太大影响，但仅有一组冗余设备在工作，系统可靠性明显下降。而对于操作员站、工程师站、服务器等，由于电源切换装置一般采用的是UPS优先连接方式，如果保安段电源出现故障，电源切换装置不动作，供电不受影响;如果UPS电源出现故障，则电源切换装置将自动切换到保安段，切换后DCS系统由保安段供电。
(2) 设计弊端 目前省内DCS系统电源切换装置均为机械切换方式，机械切换方式在理论上存在断点，即由主电源切换到备用电源时存在瞬间的断电现象，断电时间的长短与设备本身的切换速度和故障时供电电压下降的速度有较大关系，若切换时间过长DCS系统将出现断电现象(设备初始化)，有可能导致控制器发出错误的指令而引起热工保护、联锁动作，此外操作员站、服务器等初始化，将导致运行人员在可能长达10分钟的时间内失去对机组运行的监视和控制手段，这对于正在运行的机组而言是非常危险的。
这种电源设计的另一个不足之处是当一路电源出现故障后，各I/O柜中只有一个DPU处于工作状态，DCS的可靠性明显下降。
上述电源设计实际上是建立在切换装置绝对可靠的基础上的，而现场设备长期带电运行，出现故障难以避免，由于服务器、操作员站等由切换装置供电，切换装置若发生故障将导致系统瘫痪。
2.2 电源设计方案之二
由于上述电源设计过于依赖切换装置本身以及切换过程的可靠性，整个系统的安全瓶颈受此制约,为提高可靠性, 省内部分电厂的DCS系统采用了图2所示的电源设计方案:
图2 电源设计方案
(1) 设计思想
这种电源设计思路是:电源采用保安段和UPS两路分开供电，将各I/O柜中的主控单元分为A、B两组，A组主控单元包括1A、2A、3A、4A……..等，B组主控单元包括1B、2B、3B、4B……..等;把操作员站分为A、B两组，A组操作员站包括11A、13A、15A，B组操作员站包括12B、14B、16B;两台服务器也分为A、B两组，A组为21A、B组为22B，将DCS系统各主要设备分为A、B两组后，把A组的主控单元、操作员站、服务器等电源接在保安段上，B组主控单元、操作员站、服务器等电源接在UPS上。采用上述设计方案，可以避免电源设计方案1的弊端，当保安段或UPS电源任何一路电源出现故障，不需切换，减少了故障点，DCS系统均能以最小配置保证机组运行。
(2) 设计弊端
设计方案二也同样存在不足之处，在一路电源出现故障时，虽然DCS系统能以最小配置保证机组的安全运行，但只要该路电源故障不消失，DCS系统将一直处于最小配置下运行，DCS系统的冗余配置功能将丧失，系统处于极不安全的状态下运行，可靠性极低。
3 电源改进意见
省内DCS电源设计原理归纳起来主要有上述两种，两种设计方案各有利弊，但在可靠性方面均存在不足之处。由于电源系统对DCS系统的稳定运行至关重要，因此有必要对现有的DCS电源系统进行合理设计。
3.1 改进方案
3.2 工作原理
改进后的电源系统如图3所示。该方案的设计原理是，将DCS系统的冗余设备分成A、B两组(对设备的划分和方案二相同)，但与方案二不同的是，A或B组设备不是直接接在保安段或UPS上，而是分别增加了一个电源切换装置，这两个电源切换装置的输入端分别是保安段和UPS，但这两个电源切换装置的优先方式不同。A组的电源切换装置，其优先电源为保安段，即当保安段和UPS均正常时，由保安段向A组设备供电，当保安段电源故障时，电源切换装置自动切换到UPS供电，如果切换成功，整个DCS系统工作正常，不受保安段故障的影响，即使切换失败(切换时间过长)，A组设备将瞬间断电，而后切到UPS供电，初始化后A组设备恢复到备用状态，在A组设备掉电、初始化期间B组设备将替代A组设备维持机组的安全、稳定运行;B组的电源切换装置，其优先电源为UPS，即当保安段和UPS均正常时，由UPS向B组设备供电，当UPS电源故障时，电源切换装置自动切换到保安段供电，如上所述，不论切换是否成功，都不会影响机组的安全、稳定运行。
图3 DCS电源系统设计图
综上所述，改进后的电源系统在各种情况下较原电源系统(方案一、方案二)在可靠性方面有明显改善，如果在原系统的基础上进行技术改进，改造的工作量不大，投入资金也不多，但改造后电源系统的可靠性将大幅提高。
4 结束语
上述电源改进方案已得到了大多数电厂有关技术人员的认可，已有部分电厂利用利用大修机会进行了改造，投入运行后情况良好。
本文摘自《PLC&FA》 (end)
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(3/22/2006) |
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