某電廠DCS信號干擾原因分析技術(shù)報告

1、 某電廠1號機(jī)組DCS信號干擾原因分析概述臨渙中利發(fā)電有限公司1號機(jī)組DCS采用全進(jìn)口的美國Honeywell公司TPS控制系統(tǒng)，其主要功能包括：數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、輔機(jī)順控、事故追憶、鍋爐爐膛安全監(jiān)控。DCS接地系統(tǒng)通過電廠電氣接地網(wǎng)與大地相連。近期臨渙中利發(fā)電有限公司熱工人員反映1、2號機(jī)組分散控制系統(tǒng)上位機(jī)報警信號異常觸發(fā)頻繁，同時部分DPU網(wǎng)絡(luò)噪聲在短時間內(nèi)大幅上升并發(fā)出報警，若兩塊冗余DPU同時發(fā)生該類報警即會導(dǎo)致該控制器癱瘓，因此上述問題的存在對臨1號機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的威脅。為準(zhǔn)確分析該問題發(fā)生的原因，提出解決方案，確保機(jī)組的運(yùn)行安全，我單位技術(shù)人員于2010年10月

2、11日至10月14日對臨渙中利發(fā)電有限公司1號機(jī)組DCS信號干擾的原因進(jìn)行了現(xiàn)場試驗及分析工作。1 試驗儀器接地電阻測試儀：FLUKE 1625 ADVANCED EARTH/GROUND TESTER；數(shù)字熒光示波器：TEKTRONIX DPO4050；多用能萬用表：FLUKE 17B；測試連接電纜；測試相關(guān)其他設(shè)備。2 測試及評估依據(jù)火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)檢修維護(hù)規(guī)程DL/T 774-2004；火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程DL/T 659-2006；國家電網(wǎng)公司發(fā)電廠重大反事故措施（試行） 國家電網(wǎng)生833號3 TPS 分散控制系統(tǒng)接地系統(tǒng)說明3.1 TPS 分散控制系統(tǒng)接地說明T

3、PS 分散控制系統(tǒng)的接地系統(tǒng)分為以下兩部分：（1） 主參考地：是模擬量信號屏蔽層的接地，用以抑制干擾信號，TPS分散控制系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)控制器電源的一路接地電纜也接入主參考接地銅排。（2） 安全地：是計算機(jī)內(nèi)部的邏輯電平負(fù)端公共地，也是+5V等的電源輸出地，如CPU的5V/12V的負(fù)端。機(jī)柜外殼的接地、機(jī)柜網(wǎng)絡(luò)TAP頭的接地、機(jī)柜內(nèi)控制器電源的一路接地也接入安全地銅排。TPS分散控制系統(tǒng)接地示意圖如圖1、2所示。圖1 TPS系統(tǒng)主參考地接地示意圖圖2 TPS系統(tǒng)安全地接地示意圖1號機(jī)組的各HPM（High Performance Process Manager高性能過程處理器）機(jī)柜、FTA機(jī)柜（接線

4、端子機(jī)柜）、單元節(jié)點(diǎn)機(jī)柜以及R02繼電器機(jī)柜均具備以上兩接地系統(tǒng)，上述機(jī)柜內(nèi)的接地電纜分別接至機(jī)柜下端相應(yīng)的主參考地銅排和安全地銅排，這些接地銅排接至主參考地匯流排和安全地匯流排后，連接至電纜夾層內(nèi)對應(yīng)的主參考地接地箱和安全地接地箱，兩接地箱通過電氣接地網(wǎng)與大地相連。1號機(jī)組的單元電源機(jī)柜、BT（鍋爐跳閘）機(jī)柜以及各繼電器機(jī)柜（除R02機(jī)柜外）由于沒有外部信號接入，所以柜內(nèi)都只有一路安全地銅排，柜內(nèi)接地電纜經(jīng)機(jī)柜下端的安全地銅排、安全地主匯流排匯流后，接至電纜夾層的安全地接地箱，接地箱通過電氣接地網(wǎng)與大地相連。需要說明的是單元節(jié)點(diǎn)機(jī)柜、1號FTA機(jī)柜和RO2繼電器機(jī)柜的安全地直接通過接地電纜與

5、電纜層的安全地接地箱相連，而其他機(jī)柜的各接地銅排均通過電子間的主接地匯流排與接地箱相連。4 接地系統(tǒng)檢查及測試4.1 機(jī)柜接地電阻測試對于1號機(jī)組DCS的信號干擾及網(wǎng)絡(luò)噪聲上升的現(xiàn)象，首先需要確認(rèn)的是所有機(jī)柜的接地電阻是否符合電力系統(tǒng)有關(guān)規(guī)定要求，否則若機(jī)柜的接地電阻過大，不能形成良好的接地效果，將會對控制系統(tǒng)的正常工作帶來嚴(yán)重的影響。4.1.1 測試方法大地DCS接地匯流牌（電纜層）接地樁一次風(fēng)機(jī)接地銅牌測試連接電纜機(jī)柜內(nèi)屏蔽電纜機(jī)柜內(nèi)接地銅牌電子間其它機(jī)柜接地銅牌測試時斷開其它接地電纜圖3 1號機(jī)組DCS接地電阻測試回路示意圖如圖3所示，在本次測試過程中由于無法確定DCS系統(tǒng)接地樁準(zhǔn)確位置

6、，故在被測接地體附近選擇了2號機(jī)組一次風(fēng)機(jī)的接地銅牌作為測試接地體。試驗前，解除被測DCS接地銅牌上與被測機(jī)柜信號屏蔽接地?zé)o關(guān)的其它屏蔽電纜。用測試電纜將被測機(jī)柜接地銅牌與2號機(jī)組二次風(fēng)機(jī)的接地銅牌相連接，構(gòu)成測試回路。用接地電阻測試儀測得被測體接地電阻和測試電纜阻值的串聯(lián)值，然后將測試電纜首尾相連即可用接地電阻測試儀測得測試電纜阻值，兩阻值之差即為被測體接地電阻值。4.1.2 測試結(jié)論在本次現(xiàn)場試驗過程中，我單位技術(shù)人員即利用接地電阻測試儀FLUKE 1625 ADVANCED EARTH/GROUND TESTER對1號機(jī)組的各機(jī)柜主參考接地和安全接地的接地電阻進(jìn)行了全面測試。結(jié)果見表1。

7、 表1 1號機(jī)組DCS機(jī)柜接地電阻測試記錄表(MRG-主參考地;SG-安全地)DCS機(jī)柜號電源柜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)柜HPM1HPM2HPM3HPM4HPM5HPM6MRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSG機(jī)柜接地電阻（）/0.1430.1520.1330.1740.1550.1610.1310.2110.1340.2310.1210.1230.1780.1380.165DCS機(jī)柜號HPM7HPM8HPM9HPM10HPM11HPM12HPM13HPM14MRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSG機(jī)柜接地電阻（）0.2030.1

8、780.1330.1460.1740.1560.1230.2020.1470.1720.1560.1340.1230.1540.1780.121DCS機(jī)柜號HPM15HPM16FTA1FTA2FTA3BT繼電器1繼電器2MRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSG機(jī)柜接地電阻（）0.1750.2410.1330.1420.1240.1470.1920.1650.1830.124/0.186/0.1440.1520.155DCS機(jī)柜號繼電器3 繼電器4繼電器5繼電器6繼電器7繼電器8繼電器9繼電器10MRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSG

9、MRGSGMRGSG機(jī)柜接地電阻（）/0.167/0.154/0.144/0.124/0.186/0.198/0.187/0.164DCS機(jī)柜號繼電器11MRGMRG機(jī)柜接地電阻（）/0.164火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)驗測試規(guī)程DL/T 659-2006規(guī)定：當(dāng)DCS與電廠電氣系統(tǒng)共用一個接地網(wǎng)時，控制系統(tǒng)地線與電氣接地網(wǎng)只允許有一個連接點(diǎn)，且接地電阻應(yīng)小于0.5。經(jīng)測試，1號機(jī)組DCS所有機(jī)柜接地電阻測試結(jié)果滿足規(guī)程規(guī)定要求。因此可排除是由于機(jī)柜接地電阻過大而導(dǎo)致DCS信號干擾的可能。4.2 接地系統(tǒng)的檢查及測試DCS接地應(yīng)為樹狀，各接地系統(tǒng)相互隔離，絕對不允許接地形成環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。同時為確保DC

10、S網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，還應(yīng)做好網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接地及其和其他設(shè)備的隔離，避免因竄入干擾電流而DCS網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。因此為進(jìn)一步找出1號機(jī)組DCS信號干擾及網(wǎng)絡(luò)噪聲上升的原因，我單位技術(shù)人員對各機(jī)柜內(nèi)接至銅排的所有屏蔽電纜的安裝、分布進(jìn)行了梳理，并對各接地電纜對地的電壓進(jìn)行了測量。4.2.1 接地電纜安裝檢查經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，所有機(jī)柜內(nèi)所有接地電纜用鍍鋅螺栓壓接在接地鍍錫銅排上，其中單股屏蔽線匯編成辮、使用壓線接頭壓緊，安裝規(guī)范可靠，無異常現(xiàn)象。4.2.2 接地電纜分布檢查我單位技術(shù)人員對各機(jī)柜內(nèi)部的所有接地電纜及其接線根據(jù)設(shè)計圖紙和現(xiàn)場實(shí)際安裝情況進(jìn)行了梳理，發(fā)現(xiàn)了如下問題：（1）1號機(jī)組各機(jī)柜的網(wǎng)絡(luò)TAP頭和

11、機(jī)柜外殼的接地電纜均接至安全接地銅排，因此測試中發(fā)現(xiàn)各機(jī)柜的網(wǎng)絡(luò)TAP頭和機(jī)柜外殼相通，相互之間電阻為零，即網(wǎng)絡(luò)TAP頭和機(jī)柜外殼未隔離。如此則當(dāng)DCS機(jī)柜發(fā)生漏電等情況時，干擾電壓極易通過機(jī)柜外殼與網(wǎng)絡(luò)TAP頭的連接而影響到DCS網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。在1號機(jī)組調(diào)試過程中，DCS廠家技術(shù)人員曾為1號FTA機(jī)柜的網(wǎng)絡(luò)TAP頭單獨(dú)設(shè)置了一路接地，即將TAP頭的接地電纜先接至所在機(jī)柜安全地銅排，再由銅排略過安全地主匯流排而直接接至電纜層的接地箱。這就使得1號FTA機(jī)柜安全地銅排對地的電纜變成了兩根：原有一根通過安全地主匯流排接至電纜層的安全地接地箱；新增一根則直接接至接地箱，如圖4所示，這就形成了一個環(huán)

12、網(wǎng)，即“兩點(diǎn)接地”。其后果是極易產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源，干擾DCS網(wǎng)絡(luò)及信號回路。圖4 1號機(jī)組MCS FTA機(jī)柜系統(tǒng)安全地銅排接地示意圖（2）1號機(jī)組各HPM機(jī)柜內(nèi)部的電源設(shè)計有兩路接地電纜，一路接至機(jī)柜內(nèi)的安全地銅排，另一路接至主參考地銅排。但在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將這兩路電纜正常接入對應(yīng)銅排并給柜內(nèi)電源送電后，柜內(nèi)兩銅排間阻值為0，即兩銅排通過機(jī)柜電源的接地電纜相通。這種現(xiàn)象就會使得機(jī)柜內(nèi)應(yīng)充分隔離的安全接地系統(tǒng)和主參考接地系統(tǒng)相互干擾，不僅對輸入信號（特別是低電平信號）的穩(wěn)定、真實(shí)造成了威脅，還給控制器的正常工作帶來了隱患。（在本次1號機(jī)組停機(jī)期間剛增加的新HPM機(jī)柜中進(jìn)行試驗就沒

13、有發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象）。對此現(xiàn)象，我單位技術(shù)人員也專門進(jìn)行了比對試驗。首先，我們將1號機(jī)組所有機(jī)柜電源的接地電纜從兩接地銅排上解除，此時同一機(jī)柜內(nèi)的兩接地銅排完全隔離，用數(shù)字熒光示波器TEKTRONIX DPO4050（電壓采集衰減率設(shè)為1/500）測量一HPM機(jī)柜內(nèi)的主參考地銅排、安全地銅排以及網(wǎng)絡(luò)TAP頭對地的交流電壓波形，結(jié)果均為峰谷值為2.2V左右的雜波（波形如圖5所示）。圖5 安全地銅排、主參考地銅排、TAP頭對地電壓波形（未接入電源接地電纜時）再將1號機(jī)組所有機(jī)柜內(nèi)的電源接地電纜重新接入兩接地銅排后，再次測量該機(jī)柜主參考地銅排、安全地銅排和TAP頭對地的電壓波形。發(fā)現(xiàn)兩銅排對地電壓波形峰

14、谷值均有增大，分別達(dá)到4.2V、5V、而TAP頭對地電壓波形基本沒有變化（見圖6-圖8）。圖6 安全地銅排對地電壓波形（接入電源屏蔽電纜時）圖7 主參考地銅排對地電壓波形（接入電源屏蔽電纜時）圖8 TAP頭對地電壓波形（接入電源屏蔽電纜時）這一現(xiàn)象說明，機(jī)柜電源帶電后使同一機(jī)柜內(nèi)兩隔離的接地系統(tǒng)銅排相通，一方面增大了機(jī)柜內(nèi)控制器的干擾，加大了其工作的不穩(wěn)定性，另一方面也使信號的屏蔽存在一定的隱患，不是一種可取的接地方式。4.2.3 屏蔽電纜交流電壓測量在屏蔽電纜壓線接頭對地的電壓測量過程中發(fā)現(xiàn)，各機(jī)柜大部分接地電纜沒有或只有微弱的交流電壓存在，但也有少數(shù)電纜存在較大的交流電壓。（1）1號機(jī)組R

15、02繼電器機(jī)柜的主參考地所接的一束屏蔽電纜，測得其壓線接頭對地的交流電壓達(dá)到48V左右。為了測試這一干擾電壓對于系統(tǒng)的影響，我們首先將該束電纜從銅排中解除，用數(shù)字熒光示波器TEKTRONIX DPO4050（電壓采集衰減率設(shè)為1/500）測量該機(jī)柜安全地銅排、主參考地銅排和網(wǎng)絡(luò)TAP頭對地的交流電壓波形，結(jié)果均為峰谷值為2.2V左右的雜波（波形如圖9所示）。圖9 安全地銅排、參考地銅排、TAP頭對地電壓波形（未接入帶48V AC屏蔽電纜時）將這束電纜接入機(jī)柜的主參考地銅排后，測量機(jī)柜內(nèi)的安全地銅排、主參考地銅排以及網(wǎng)絡(luò)TAP頭對地電壓，其峰谷值都明顯增大。 其中安全地銅排對地的電壓峰谷值約3.

16、2V，波形見圖10所示。圖10 安全地銅排對地電壓波形（接入帶48V AC屏蔽電纜時） 主參考地銅排此時對地的電壓峰谷值約3.6V，波形見圖11所示。圖11 主參考地銅排對地電壓波形（接入帶48V AC屏蔽電纜時）網(wǎng)絡(luò)TAP頭此時對地電壓峰谷值約為2.8V，波形見圖12所示。圖12 TAP頭對地電壓波形（接入帶48V AC屏蔽電纜時）（2）2號機(jī)組R02繼電器機(jī)柜主參考地所接的一束屏蔽電纜存在240V AC電壓，我們同樣將該束電纜對DCS接地及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響進(jìn)行測試以作為參比。試驗中，首先測得干擾交流電壓有效值達(dá)到240V AC左右（電壓采集衰減率為1/500），波形見圖13 所示。圖13 R

17、02繼電器機(jī)柜主參考地干擾電壓波形圖為了測試這一干擾電壓對于系統(tǒng)的影響，我們同樣將該束電纜從銅排中解除，用數(shù)字熒光示波器TEKTRONIX DPO4050（電壓采集衰減率設(shè)為1/500）測量該機(jī)柜系統(tǒng)主參考地銅排對地電壓，結(jié)果為峰谷值約8.4V的雜波，波形見圖14。圖14 R02繼電器機(jī)柜主參考地銅排對地電壓波形（未接入帶240V AC屏蔽電纜時）將這束帶240V AC的屏蔽電纜接入機(jī)柜的主參考地銅排后，測量得R02繼電器機(jī)柜的主參考地銅排對地電壓波形中出現(xiàn)了大量隨機(jī)尖波，峰谷值達(dá)到77V（見圖15所示）。在試驗過程中也發(fā)現(xiàn)，將這束電屏蔽電纜在DCS機(jī)柜內(nèi)浮空時，正在運(yùn)行的2號機(jī)組控制系統(tǒng)工作

18、正常，但一旦將這束電纜接入銅排，DCS網(wǎng)絡(luò)噪聲快速增大并發(fā)出報警。圖15 R02繼電器機(jī)柜主參考地銅排對地電壓波形（接入帶240V AC屏蔽電纜時）從以上兩次比對測試的波形中可以看到，將帶較高交流電壓的屏蔽電纜接入主參考地銅排后，機(jī)柜內(nèi)安全地銅排、主參考地銅排和網(wǎng)絡(luò)TAP頭的對地電壓都有增大、并會出現(xiàn)隨機(jī)尖波，特別是測試過程中DCS網(wǎng)絡(luò)噪聲快速變化，這都說明屏蔽電纜所帶的干擾電壓，對控制器的穩(wěn)定運(yùn)行，DCS輸入信號的穩(wěn)定都存在一定的影響，同時還因各接地系統(tǒng)沒有充分隔離，干擾電壓對DCS網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了較大影響，應(yīng)進(jìn)行充分的排除。5 說明及處理建議DCS接地，一是為了保證當(dāng)進(jìn)入DCS的信號、供電電源或

19、DCS設(shè)備本身出現(xiàn)問題時，有效的接地系統(tǒng)能承受過載電流并可以迅速將過載電流導(dǎo)入大地；二是接地系統(tǒng)能夠為DCS提供屏蔽層消除電子噪聲干擾，并為整個控制系統(tǒng)提供公共信號參考點(diǎn)(即參考零電位)。當(dāng)接地系統(tǒng)發(fā)生問題時(接地電阻過大，多點(diǎn)接地，接地線斷線或接地線與高電壓、大電流設(shè)備相接觸等)，會造成設(shè)備損壞，甚至人身傷害。因此，完善、可靠、正確的接地，是DCS能夠安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。針對臨渙中利發(fā)電有限公司1號機(jī)組DCS信號干擾問題，通過我單位在現(xiàn)場所進(jìn)行的試驗及分析工作，提出建議如下：（1）1號機(jī)組各機(jī)柜網(wǎng)絡(luò)TAP頭接地作為防止DCS網(wǎng)絡(luò)干擾和消除網(wǎng)絡(luò)噪聲的重要手段應(yīng)獨(dú)立接地，現(xiàn)各機(jī)柜內(nèi)TAP頭接地電纜與機(jī)柜外殼接地及機(jī)柜電源接地等電纜共同接在機(jī)柜的系統(tǒng)安全接地銅排上，這樣當(dāng)漏電等原因形成干擾