發電廠三模冗余（TMR）控制技術的研究應用

陳 晨，歐 偉，殷利杰

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

0 引言

隨著發電廠自動化程度逐步提高，海外發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（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發展中成熟可靠的控制新技術，已在國內發電廠重要保護、重要協調子系統，諸如爐膛安全監控系統（Furnace Safeguard Supervisory System，FSSS）、數字式電液調節系統（Digital Electronic Hydraulic Control，DEH）[1]、汽輪機跳閘保護系統（Emergency Trip System，ETS）中廣泛應用[2,3]，采用TMR技術的DCS在外部可以達到SIL3級標準，其系統自身的性能也得到大幅度提高。

圖1 三模冗余技術結構圖Fig.1 Structure diagram of TMR technology

1 三模冗余技術分析

1.1 結構及原理

三模冗余（TMR）是發電廠分散式控制系統（DCS）的一個新技術及發展方向，其結構如圖1所示。從輸入模塊，經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，并將結果導入獨立的輸入表中。

2）主處理器：接收并存儲數據，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據、傳輸診斷數據和通訊數據。

4）輸出模件：包括數字量輸出模件和模擬量輸出模件。數字量輸出模件對每一開關進行單獨的三取二表決過程；模擬量輸出模件根據分電路之間的輪換規則，連續輸出信號。

1.3 工作流程

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

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據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）三重化總線對數字輸入數據進行表決，把輸入數據復制并送到各個主處理器，主處理器執行各種控制算法，算出輸出值，并發送至各輸出模塊。

4）輸出模件按多數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，三重冗余技術是將三路獨立的、并行的控制系統和廣泛的診斷集成在一個系統中；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致系統失效。

2 三模冗余技術的優點與不足

2.1 優點

1）可靠性：運用三模冗余技術，控制系統中單個原件的故障不會影響系統的正常運行。

2）適用性：三模冗余技術可以廣泛應用在電力控制行業，當運用在發電廠分散式控制系統（DCS）中時，可以與冗余DPU或容錯DPU適配。

3）安全性：三模冗余技術由于具有高度的診斷覆蓋率，因而運用三模冗余技術的DCS可以達到SIL3級標準。

4）高可用性：運用三模冗余技術的DCS可在主處理器3個、2個或1個工作的情況下，正常運行，故障模塊可在系統操作持續不中斷的情況下被替換。

2.2 不足

1）增加控制機柜數量：由于TMR技術采用了3臺處理器，輸入/輸出模件及機架不同于傳統的同類產品，相關附件也一并增加。一般來說，采用三模冗余技術的DCS機柜數量相較普通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，共有196個點位，在考慮備用點位和內部接線點位之后，在汽機電子間專為ETS設置了3面機柜，多于同類機組的1面機柜[6]。

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

3 三模冗余控制技術的實際應用

國電投商丘民生供熱電廠為2×350MW超臨界燃煤凝汽式發電機組，在該工程中，汽輪機跳閘保護系統（ETS）采用FOXBORO公司開發的TRICON系列硬件，該系統具備三模冗余的功能，具有可診斷到模件級的自診斷技術，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的工作，不會導致保護系統誤動或拒動，也不會導致任何設備狀態的改變或主設備故障，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月第一臺機組投產以來，機組運行正常，控制策略得當，DCS運行安全穩定，控制系統完全滿足生產需要。

4 結論及展望

隨著海外發電市場的拓展和DCS控制技術和策略的不斷進步，控制理念的不斷深化，在可期之未來，相關機構也勢必會針對國內的發電項目制定與SIL3相適應的標準。三模冗余技術因其特有的準確性和可靠性，將會越來越廣泛地應用于分散式控制系統中。目前，市場上已有FOXBORO公司的TRICON系列產品、GE新華公司的NEXUS系列產品采用了TMR控制技術，而國電智深公司也在積極研發具備TMR技術的控制系統，DCS層面競爭激烈，可選擇性較大。針對控制機柜數量增多的問題，需要投資方及設計者在設計發電廠電子間盤柜布置時考慮足夠的盤位。隨著DCS技術的進步，自動化生產規模的擴大和人力成本的節約，采用三模冗余技術的DCS硬件價格劣勢必會進一步縮小，進而其技術優勢將會更加充分地體現。