發(fā)電廠三模冗余（TMR）控制技術(shù)的研究應(yīng)用

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)電項目大都需要履行更加嚴格的SIL3（Safety Integrity Level 3）標準，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、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]、汽輪機跳閘保護系統(tǒng)（Emergency Trip System，ETS）中廣泛應(yīng)用[2,3]，采用TMR技術(shù)的DCS在外部可以達到SIL3級標準，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)進行單獨的三取二表決過程；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，達到同步。

3）三重化總線對數(shù)字輸入數(shù)據(jù)進行表決，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行選擇。

由此可見，三重冗余技術(shù)是將三路獨立的、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，使其不會因為單點的故障而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

2 三模冗余技術(shù)的優(yōu)點與不足

2.1 優(yōu)點

1）可靠性：運用三模冗余技術(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)，當運用在發(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，因而運用三模冗余技術(shù)的DCS可以達到SIL3級標準。

4）高可用性：運用三模冗余技術(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個點位，在考慮備用點位和內(nèi)部接線點位之后，在汽機電子間專為ETS設(shè)置了3面機柜，多于同類機組的1面機柜[6]。

2）提高了控制系統(tǒng)概算：因為成本提高，采用三模冗余技術(shù)，將使DCS的概算增加，同樣I/O點位越多，概算增加額越大。

3 三模冗余控制技術(shù)的實際應(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)電機組，在該工程中，汽輪機跳閘保護系統(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月第一臺機組投產(chǎn)以來，機組運行正常，控制策略得當，DCS運行安全穩(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)和策略的不斷進步，控制理念的不斷深化，在可期之未來，相關(guān)機構(gòu)也勢必會針對國內(nèi)的發(fā)電項目制定與SIL3相適應(yīng)的標準。三模冗余技術(shù)因其特有的準確性和可靠性，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)的進步，自動化生產(chǎn)規(guī)模的擴大和人力成本的節(jié)約，采用三模冗余技術(shù)的DCS硬件價格劣勢必會進一步縮小，進而其技術(shù)優(yōu)勢將會更加充分地體現(xiàn)。