基于FTA的火电厂DCS有功功率采样设计方法

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作者：寻志伟浏览量：301

0 引言
现大型火力发电厂广泛使用DCS控制系统控制生产工艺过程，机组有功功率作为DCS控制目标是一个重要的采样点。曾经有多个厂发生过有功功率信号波动、消失引起DCS误判机组降负荷或解列而最终导致工艺过程与实际机组负荷不匹配，保护动作停机。FTA是提高系统可靠性的一种设计方法。在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素等)进行分析，画出逻辑框图(即故障树)，从而确定系统故障原因的各种可能组合及其发生概率，计算系统故障概率。FTA在核电领域已经得到广泛应用，由于火力发电厂系统越来越复杂，为了提高火电厂系统的可靠性，可以使用FTA分析解决问题。
1 问题的提出和分析
现在大型火电厂发电机有功功率测点的一般设计为电气3个电量变送器送三路有功信号至热控，经过三取中逻辑判断用于协调控制。这样的设计方式表面看很严谨可靠，但还是发生过有功信号波动引起机组停机的事件。如2013年9月，某发电公司就在做安全措施短接有功功率电流回路时造成有功功率测点波动导致停机。其原因：热控逻辑中的三取中要求三路信号完全独立，但是在电气系统中没有做到完全独立，致使三路信号同时大范围波动，导致热控无法判断出测点失灵引起控制紊乱；热控没有考虑测点同时失效的可能（实际是存在的），未采取速率判别等手段加以辨别。
1.1 一般有功功率采样的设计方案
目前普遍采用的有功功率采样设计方案为3个有功功率变送器共用一路电流、一路电压和一个电源，分别采样送出三路信号至热控三取中判别后用于控制，如图1所示。这样的方案可以保证两个功率变送器器件损坏时控制系统的正常工作。但这3个变送器并不是完全独立的，它们共用电压电流和电源回路，电源消失、电流断线和电压保险熔断将导致热控无法正确判断测点状态。
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图1 有功功率测点回路图
1.2 FTA分析
将有功功率测点回路可能发生的故障全部列出，并按照一定的逻辑关系排列，形成针对3个有功功率测点同时失效故障的故障树模型如图2所示。
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图2 有功功率测点失效故障树模型
由于缺乏统计数据支持，因此采用半定量分析。暂不考虑各元器件的老化，对于各底事件发生概率按照两点分布，设置为0.1。失效概率模拟分析结果如表1所示。从表1中可以看出，电源回路故障和交流回路故障发生的概率最高，即由电源回路故障和交流回路故障引起测点全部失效的可能性最大。因此考虑针对电源与交流回路薄弱环节作出改进。
表1 失效概率模拟结果
事件名称发生概率
测点全部失效 0.188
电源回路故障 0.096
交流回路故障 0.102
变送器故障 0.001
2 改进的有功功率测点回路及分析
按照电气保护独立配置的思想对图1中有功功率测点回路进行改进，如图3所示。为配合热控实现三取中逻辑，改进后的有功功率测点仍然保持3个测点，其中一路测点电源、交流回路完全独立，另外两路测点共用电源和交流回路。
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图3 改进的有功功率测点回路图
对图3中的测点回路，针对测点全部失效风险建立FTA故障树，如图4所示。为了与改进前的模式比较，图4中的各底事件发生概率同样采用两点分布，设置为0.1。
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图4 改进的有功功率测点回路失效模型
根据概率分析结果，改进后的接线方式下，测点同时失效的概率大大降低，由改进前的0.188降低为改进后的0.063，因此，改进设计可以有效降低有功功率测点失效的风险。
表2 改进回路失效概率模拟结果
事件名称发生概率
测点全部失效 0.063
变送器1测点失效 0.304
变送器23测点失效 0.188
3 改进方案的可行性
按照典型设计方案，发电机机端电流互感器有两个独立测量组可以满足控制系统0.5级的精度要求，电压互感器3个绕组都可以满足要求；电源可以从主厂房UPS各支路单独接引，满足独立配置要求。
该改进方案可以大大降低发电机有功功率测点失效的风险，但是在极端情况下还是存在测点失效的可能，如交流UPS电源故障等，因此需要热控逻辑的配合，增加测点突变判据，避免因为电源消失导致机组控制紊乱。同时，由于有两个测点使用同一交流回路，故热控逻辑中也应充分考虑两个测点同时突变的可能，避免三取中逻辑的误判。

参考文献
[1] 熊小平，谭建成，林湘宁.基于动态故障树的变电站通信系统可靠性分析[J].中国电机工程学报,2012, 32(34):135-140
[2] 史进渊.大型发电机组可靠性预测方法与应用[J].机械工程学报,2011, 47（18）:165-172
[3] 韩小涛,尹项根,张哲.故障树分析法在变电站通信系统可靠性分析中的应用[J]. 电网技术,2004, 18（1）:56-59
收稿日期：2014-05-18

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