CN104018895B - 一种ets保护单元及三重冗余的汽轮机危急保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高度可靠且易用的ETS保护单元及三重冗余的汽轮机危急保护系统。该ETS保护单元用于汽轮机危急保护系统中，包括处理器和“与门”电路；处理器采用FPGA（现场可编程门阵列），内部设有三个保护逻辑模块；ETS保护单元接收汽轮机停机信号后，由处理器内部的三个保护逻辑模块分别进行保护逻辑运算，三路运算结果的电平信号输出至“与门”电路进行“与”逻辑后，输出保护动作信号。本发明ETS保护单元利用三个保护逻辑模块分别进行运算，并且分别输出逻辑电平“1”表示ETS停机，三个保护逻辑模块的输出取“与”逻辑后最终驱动ETS保护单元的停机DO输出，这样大大降低了ETS系统误动的概率。

Description

一种ETS保护单元及三重冗余的汽轮机危急保护系统

技术领域

    本发明涉及一种 ETS保护单元及三重冗余的汽轮机危急保护系统，尤其是一种高可靠性且易于使用的三重冗余的汽轮机危急保护系统，属于电力自动化领域。

背景技术

    ETS: Emergency Trip System 汽轮机危急跳闸系统。随着汽轮发电机组容量不断增大，蒸汽参数越来越高，热力系统越来越复杂。为提高机组的经济性，汽轮机的动静间隙、轴封间隙都选择的较小。而汽轮机的旋转速度很高，在机组启动、运行或停机过程中，因操作不当或某些相关设备故障，很容易使汽轮机的转动部件和静止部件发生摩擦，引起叶片损坏、大轴弯曲、推力瓦烧毁等恶性事故。为保证机组安全启停和正常运行，需对汽轮机的轴向位移、转速、振动等机械参数，以及轴承温度、油压、真空、主汽温等热工参数进行监视和异常保护。当被监视的参数在超过报警值时，发出报警信号；在超过极限值时保护装置动作，关闭主汽门，实行紧急停机。 实现这一功能的控制系统我们称之为汽轮机保护系统，也称为危机遮断系统或 ETS系统（Emergency Trip System）。

常规的ETS系统采用的系统结构为：通过PLC(Programemable Logic Controller，可编程控制器)或DCS(Distributed Control System，分布式控制系统)的开关量输入模件，去采集汽轮机停机信号，并在PLC或DCS的控制器里进行逻辑运算，并根据运算结果通过开关量输出模件输出汽轮机跳机保护信号。此系统结构较为简单，由于完全采用串联的结构（“一输入+一控制器+一输出”），任一环节故障均导致系统故障，整个系统可靠性不高。

为了提高系统可靠性，部分厂家采用如下系统结构：使用冗余配置的DCS或PLC控制器，通过冗余技术防止单一核心单元即前面所说的“一控制器”产生故障而影响保护逻辑执行。为了避免单一的开关量输入模件故障，而使用三个开关量输入模件对数字信号进行多路并行采集，采集的结果经两个冗余的控制器进行“三取二”逻辑运算，最终根据运算结果通过开关量输出模件输出汽轮机跳机保护信号。此种“三输入+二控制器+一输出”的系统结构，较大的提高了系统误动的可靠性，但由于本质上仍采用的是单条“DI+控制器+DO”的串行结构，三者任一故障，都会导致拒动。并且，此种方案一般在供电上难以完全独立，并且还需配套使用控制器底座等部件，都不具备在线维护的能力，单个故障较难实现在线更换。

在上述现有方案中，无论是常规的ETS系统，还是使用DCS或PLC控制器冗余配置的ETS系统，其都存在可靠性相对不高的缺陷。其一般不具备输入输出回路故障全面诊断的能力，核心单元发生故障时也难以及时发现。另外，由于保护逻辑全部由单一处理器单一模块完成，一旦运行出错，则ETS系统输出则出错，一旦处理器跑飞则输出回路完全不可控。在工业现场应用中，ETS系统的安全性、可靠性至关重要，这些隐患一旦发生，都影响重大。因此，需要克服现有技术中存在的隐患，增强ETS系统的安全性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能提高汽轮机危急保护系统可靠性的ETS保护单元。

为了达到上述目的，本发明提供了一种ETS保护单元，用于汽轮机危急保护系统中，接收汽轮机停机信号，并执行保护逻辑，输出保护动作信号，该ETS保护单元包括处理器和“与门”电路；处理器采用FPGA（现场可编程门阵列），内部设有三个保护逻辑模块； ETS保护单元接收汽轮机停机信号后，由处理器内部的三个保护逻辑模块分别进行保护逻辑运算，三路运算结果的电平信号输出至“与门”电路进行“与”逻辑后，输出保护动作信号。由于三个保护逻辑模块分别进行运算，并且分别输出逻辑电平“1”表示ETS停机，三个保护逻辑模块的输出取“与”逻辑后最终驱动ETS保护单元的停机DO输出，这样大大降低了ETS系统误动的概率。

上述ETS保护单元还包括看门狗电路；看门狗电路分别连接处理器和“与门”电路；看门狗电路的输出信号与处理器输出的三路电平信号一起输出至“与门”电路进行“与”逻辑后，输出保护动作信号。看门狗电路一方面在处理器异常时及时对处理器复位纠错，另一方面保证看门狗电路动作时将ETS保护单元的输出切断，保证系统的安全。

该ETS保护单元还包括电源诊断电路、DI输入诊断电路和DO输出诊断电路；电源诊断电路、DI输入诊断电路和DO输出诊断电路分别与处理器相连，通过对电源回路掉电、输入输出回路断线以及停机DO实际输出与软件逻辑是否一致进行自诊断，并对故障信息进行主动报警上传，从而提示维护人员及早发现解决。

本发明还提供了一种三重冗余的汽轮机危急保护系统，该汽轮机危急保护系统通过采集汽轮机停机信号输出跳机保护信号，包括一个ETS输入扩展单元、三个上述ETS保护单元和一个ETS输出表决器；汽轮机停机信号通过ETS输入扩展单元分别输入至三个ETS保护单元；三个ETS保护单元分别输出保护动作信号，且三个ETS保护单元输出的保护动作信号经ETS输出表决器进行三取二表决后，输出跳机保护信号，驱动汽轮机跳机电磁阀，完成跳机保护。由于三个ETS保护单元彼此独立，任一ETS保护单元故障都不会导致系统功能故障。

本发明汽轮机危急保护系统还包括操作面板，操作面板分别与三个ETS保护单元相连。

其中，操作面板采用PC机或触摸屏，通过以太网或RS485通讯连接至ETS保护单元，可用于在线试验和检修时对保护逻辑进行软件投切，并且一键操作即完成三个ETS保护单元的同时投切，投切开关自定义及自由增减极其灵活方便；同时所有投切开关均带反馈，在方便的同时也做到了绝对的可靠。

本发明汽轮机危急保护系统的所有部件：ETS输入扩展单元、ETS保护单元及ETS输出表决器的所有接口均采用可插拔设计，并且所有的端口均采用防呆设计，便于故障时快速检修和更换。为了便于插拔，单排接线端子不超过10位。部件安装上采用导轨+锁紧件安装，仅需轻轻旋转，即可从机柜上取下来。系统的安装无论是电气上还是结构上彼此完全独立开来，互不影响。这样在系统诊断为故障时，极大的提高了在线维修更换的效率。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供的用于汽轮机危急保护系统的ETS保护单元，它利用三个保护逻辑模块分别进行运算，并且分别输出逻辑电平“1”表示ETS停机，三个保护逻辑模块的输出取“与”逻辑后最终驱动ETS保护单元的停机DO输出，有效降低了ETS系统误动的概率。该ETS保护单元还采用看门狗技术，应用电源诊断电路、DI输入诊断电路和DO输出诊断电路，进一步增强了安全性和可靠性。本发明提供的汽轮机危急保护系统利用三个独立工作的ETS保护单元进行冗余，并且关键表决回路使用硬回路进行三取二表决，大大提高了系统的可靠性，保证了系统既不会误动也不会拒动。另外，由于本发明汽轮机危急保护系统的三个ETS保护单元彼此独立，并且基于丰富的完善的自诊断技术，以及系统的结构设计上的可插拔设计，系统的在线维护也极为方便。本发明汽轮机危急保护系统在提高了汽轮机危机保护系统的可靠性的同时，还极大的提高了系统使用的方便性和可维护性。

附图说明

图1为三重冗余的汽轮机危机保护系统的结构示意图；

图2为图1中ETS保护单元的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明的三重冗余的汽轮机危机保护系统的结构示意图。“汽轮机停机信号1输入”经“ETS输入扩展单元3”一分为三，经预制电缆分别接入三个“ETS保护单元4、5、6”，“ETS保护单元4、5、6”进行DI检测后，内部MCU（处理器）执行保护逻辑并输出保护动作信号，三路ETS保护单元的保护动作信号经“ETS输出表决器7”进行三取二表决，输出“汽轮机跳机保护信号8”，该信号输出即可驱动汽轮机的跳闸电磁阀工作来实现对汽轮机的保护。三个ETS保护单元完全独立工作，冗余配置，输出表决完全使用硬件回路实现，大大提高了系统的可靠性。

图2为本系统核心ETS保护单元的原理框图。“汽轮机停机信号1”经ETS保护单元的“DI输入12”输入至处理器内部的“保护逻辑模块15、16、17”。分别进行保护逻辑运算，并输出运算结果的电平信号与“看门狗电路14”的信号进行“与”逻辑，最终驱动“汽轮机DO输出19”输出保护动作信号至“ETS输出表决器7”。如图1所示，该“ETS输出表决器7”表决输出“汽轮机跳机保护信号8”，最终驱动汽轮机的跳闸电磁阀动作进行汽轮机保护。如图2所示，ETS保护单元包括的看门狗电路14”实时监测处理器的运行状态，一旦状态出错则复位处理器，同时通过“与门”切断“DO输出19”。ETS保护单元还包括“电源诊断电路11”对2路24V供电电源进行异常诊断；“DI输入诊断电路13” 对DI信号进行开路诊断；“ DO输出诊断电路20”，自诊断DO输出电路是否故障，同时比较实际输出与处理器运算结果是否一致。ETS保护单元各诊断电路诊断出的任何故障均通过“HMI接口21”传输到与之连接的“操作面板2”进行提示报警，同时所有的在线试验投切，也通过“HMI接口21”与ETS保护单元进行交互，该“操作面板2”采用PC机或触摸屏，通过以太网或RS485通讯线与“HMI接口21”连接。

关于“ETS输入扩展单元3”、“ETS保护单元4、5、6”及“ETS输出表决器7”接口设计方面，所有接口均采用可插拔设计，便于故障时快速检修和更换。

Claims (5)

1.一种ETS保护单元，用于汽轮机危急保护系统中，接收汽轮机停机信号，输出保护动作信号，其特征在于：所述ETS保护单元包括处理器和“与门”电路；所述处理器内部设有三个保护逻辑模块；所述ETS保护单元接收汽轮机停机信号后，由所述处理器内部的三个保护逻辑模块分别进行保护逻辑运算，三个运算结果的电平信号输出至“与门”电路进行“与”逻辑后，输出保护动作信号；所述ETS保护单元还包括看门狗电路；所述看门狗电路分别与所述处理器、“与门”电路控制连接；所述ETS保护单元还包括电源诊断电路、DI输入诊断电路、DO输出诊断电路，所述电源诊断电路、DI输入诊断电路和DO输出诊断电路分别与所述处理器通讯连接；所述DI输入诊断电路接入所述汽轮机停机信号；所述DO输出诊断电路接入所述输出保护动作信号；所述处理器采用FPGA。

2.一种采用权利要求1所述ETS保护单元的三重冗余的汽轮机危急保护系统，所述汽轮机危急保护系统通过采集汽轮机停机信号输出跳机保护信号，其特征在于：所述汽轮机危急保护系统包括一个ETS输入扩展单元、三个所述ETS保护单元和一个ETS输出表决器；所述汽轮机停机信号通过ETS输入扩展单元分别输入至三个ETS保护单元；所述三个ETS保护单元输出的保护动作信号经ETS输出表决器进行三取二表决后，输出所述汽轮机跳机保护信号。

3.根据权利要求 2所述的汽轮机危急保护系统，其特征在于：所述汽轮机危急保护系统还包括操作面板，所述操作面板分别与所述三个ETS保护单元相连。

4.根据权利要求3所述的汽轮机危急保护系统，其特征在于：所述操作面板为PC机或触摸屏。

5.根据权利要求2所述的汽轮机危急保护系统，其特征在于：所述ETS输入扩展单元、ETS保护单元和ETS输出表决器均采用可插拔接口。