300 MW火电机组分散控制系统抗干扰能力分析

宋海滨

（华电国际青岛发电有限责任公司，山东青岛266031）

300 MW火电机组分散控制系统抗干扰能力分析

宋海滨

（华电国际青岛发电有限责任公司，山东青岛266031）

分析青岛发电厂3号机组分散控制系统的结构、电源、接地，指出干扰影响DCS的途径，提出DCS接地网应独立设置，并设计了一个井群接地网。

公共接地网；井群接地网；干扰；隔离

0 引言

根据DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》第4.1条和GB 51069—2006《电气安装工程接地装置施工及验收规范》第3.1.1条第15款规定，电气设备的接地应接至全厂公共接地网上。关于分散控制系统（DCS）的接地，根据DL/T 659《火力发电厂分散控制系统验收测试规程》的规定，既可以接全厂接地网，也可根据厂家要求设独立接地网。青岛发电厂3号机组为300MW机组，DCS型号为XDPS-400，2005年投产，其接地线接至全厂接地网。

该机组DCS自2012年以来，曾发生多次不明原因的信号扰动现象，2013年还曾发生了一起干扰引起的非正常停机事故。为此，进行了认真排查，分析了XDPS－400的系统结构、电源系统、接地方式，梳理了电缆屏蔽层接地方式，发现DCS总接地线接入400 V电源室的接地网，存在易受强电干扰的隐患。根据干扰隔离原理［1-2］，设计了一个独立接地网，将DCS的接地点从公共接地网独立出来。

鉴于地域及周围条件限制，DCS的独立接地网并未按常规方式设计，而是采用井群接地网技术。井群接地网采用4个长度为1 m，直径为20 cm的复合接地体，垂直深埋于井中，然后相互连接，构成一个独立的DCS接地网。使DCS与全厂公用系统在电气上完全隔离，彻底阻断了干扰传播的通道。改造完成后，经过多处电焊干扰试验，验证了DCS独立接地网是成功的。

从干扰的影响机理看，干扰作为一种外因，如果要影响到DCS内部，其要素不外乎起源、传播通道、和受体［1，4，6］。接地网成为干扰传播通道，因此，必须对接地网加以隔离［3，5］。

1 XDPS-400的电源及接地

XDPS-400是以控制站为节点的分布式结构，每个站包括1个控制柜和1个端子柜，每个控制站内的设备电源与接地结构如图1所示。

图1 DPU柜电源及接地

图1中，G1为安全地，G2为数字地，G3为屏蔽地。24 V电源未接地，采用浮空方式。每个机柜的接地引线按组汇集到一起，最后接入接地网，如图2所示。

图2 DCS机柜接地汇接

图2中，G0接地点为400 V接地网。根据IEC对接地方式的定义，DCS的总接地方式属于TN方式。

1.1 TN接地方式

根据IEC的定义，变压器铁心、外壳等与零线N、以及设备保护线PE共用一个接地点属于TN方式。因为DCS的接地点G0接到400 V接地网上，与厂用变压器的铁心、外壳、零线相通，因此，属于TN方式。如图3所示。

图3 TN接地方式

在TN方式中，当发生雷击或工频接地时，由于冲击电流很大，接地网电位将大幅波动，并将导致二次系统的地电位相应波动。解决这一问题的方法是对接地网彻底隔离，即电气系统或设备的外壳单独就近接地。

1.2 TT方式

DCS有一个直接接地点，电气装置外露导电部分接至电气上与变压器保护接地点无关的接地装置，如图4所示。

从图4看，DCS采用TT接地方式后，内外两个系统已无直接电气联系，实现了互相隔离，是最安全的。

图4 TT系统设备接地方式

2 TN方式时接地网冲击对DCS的影响

2.1 接地网冲击对模拟回路的影响

模拟输入信号（AI）电缆一般采用屏蔽电缆，要求屏蔽层在计算机侧单端接地。由于每根信号线都与屏蔽层之间存在分布电容，当两点接地时，带通内的高频干扰将通过分布电容与信号线形成通路，如图5所示。图5中，G1为现场接地点，也是接地网干扰冲击点，G2为计算机侧接地点，高频干扰将在信号回路中形成干扰电流。也就是通常所说的共模干扰最终以串模的形式影响测量电路。

图5 接地网高频干扰对模拟信号的影响

其中，r为两个接地点之间的接地线内阻。如果系统采用TT方式，则可以认为图5中的内阻r极大，因此，干扰电流I1和I2将忽略不计。

2.2 接地网冲击对开关量输入通道的影响

开关量输入信号（DI）包括开关位置、设备状态等，一般来自继电器辅助接点，且采用光电隔离，检测电路原理如图6所示。

图6 接地网对开关量信号干扰原理

对于图6所示的DI检测电路，即便当DI接点是开路的，由于存在对地分布电容，G1点的高频干扰必在DI回路中形成瞬间导通，如果感应电流强度足够大，则将引起光耦瞬间导通，误报信号由此产生。DI导线回路越长，该现象越严重。

2.3 接地网冲击对逻辑电路及网络的影响

在XDPS-400中，每个DPU中控制网的小交换机采用了24 V电源，其内部的5 V电源是浮地的，即小交换机的逻辑地是浮空的。XDPS-400的控制网有脱网现象。脱网故障与接地网干扰有直接关系。当逻辑电路与系统接地距离很近时，由于数字地Gd与接地线G1之间的分布电容C的原因，二者之间建立频带内的高频通道，有可能造成信号电压瞬间波动，如图7所示。

图7 接地网对浮地数字电路干扰原理

从以上所述可以看到，DCS采用独立接地网（TT方式）是根治外部接地网冲击对DCS影响的有效措施。

3 DCS的抗干扰设计

3.1 TT接地方式

DCS采用TN方式时，当电气一次系统发生雷击、设备接地、电焊等事件时，将影响二次系统，严重时干扰测量装置。因此，二次系统等弱电装置宜采用独立的接地，即TT接地方式，并在供电电源处最好采用隔离变压器，如图8所示。图8中，G1为全厂公共接地网，G2为DCS独立接地网，GB为隔离变压器。

至于对DCS独立接地网的要求，由于二次系统本身的特点，一般不会直接发生雷击接闪，且二次系统供电容量较小，不会发生像一次那样的大接地电流。因此，其接地网可以不考虑冲击电阻、跨步电压、接地网热腐蚀等，而主要是减小直流电阻、保证接地效果。为了较彻底阻断干扰传播通道，还应有针对性的措施。

图8 采用隔离变压器的TT接地方式

3.2 模拟回路的设计

采用TT接地方式后，整个模拟信号回路还必须采取严格的隔离和屏蔽措施，并在计算机侧一点接地。具体为，二次回路电缆的屏蔽层与现场的金属体绝缘，在控制室内接到专用接地网上。所有接地遵循“一点接地”原则，如图9所示。

图9 模拟信号回路屏蔽层及接地

3.3 开关量回路设计

开关量检测回路应采用如图10所示的设计，以降低外部干扰。

图10 开关量信号回路屏蔽层及接地

图10中，连接DI干接点回路的电缆应采用屏蔽电缆。屏蔽层、DCS机柜及设备外壳、直流工作电源“零电位”应按“一点接地”原则接到DCS独立接地网G2上。为进一步提高抗工频干扰效果，光耦取样于R2两端的分压，而且选择信号充电时间常数大于5 ms，隔离后的数字地Gd可以浮空，也可以按一点接地原则接到独立接地网上。

3.4 输出控制回路设计

输出控制一般涉及3个电源，数字电路电源（+5V），出口继电器电源（+48 V），直流马达电源（+220 V），这3个电源之间应隔离。输出控制回路可采用图11设计。

图11 开关量输出控制回路设计

图11中，输出控制电缆的屏蔽层也要在DCS侧一点接地。直流马达控制电源的负端也接DCS接地网。当万一发生马达绕组击穿时，不会产生回路电流，因此也不会发生误动事故。这是因为，G1和G2之间的电阻很大，从而限制了马达接地电流。

4 DCS独立接地网的设计

4.1 独立接地网的结构

3号机组DCS的接地网采用4个井群式接地极，4个接地极埋在4个直径为30 cm，深1.2 m的井中，每个井的距离为2.5 m，井内埋设防腐蚀接地极，周围填充降阻剂。在顶层（地表下0.5 m处）用防腐蚀材料将4个接地极环绕连接。鉴于地质情况，地表下0.8 m即见海水，因此，每个接地极有0.4 m没于海水中，接地效果极佳。在某个井顶点连接接地引出点。连接点处留有一个检测井，以便定期检查和测试。

4.2 接地电阻的测量

接地电阻测试仪器型号为GEOHMC，测量原理按照三线制测量原理测量。根据三线制接地电阻测量原理，测试仪中心桩与小接地网之间的距离必须达到5倍等效接地网半径以上。因此，按接地等效半径2.5 m算，中心桩与测量接地体之间的距离为12.5 m，远桩的距离为25.0 m。测量原理如图12所示。

图12 三线制接地电阻测量原理

从测量原理看，这是双平衡电桥测量。其中为中心桩与接地体以及中心桩与远桩之间的土壤电阻，由于中心桩与二者之间等距离，因此，假设二者之间的电阻也一样。因此，接地电阻RG的实质其实是接地体与周围土壤之间的表面接触电阻。

实际上，中心桩与二者之间等电阻这种假设是一种理想情况，因为地下地质情况千差万别。接地点处的土壤情况是关键。按照上述测试方法得到3号机组4个接地井的接地电阻为1.7 Ω。

5 结语

3号机组DCS经过独立接地网改造后，进行电焊冲击试验，未再出现信号波动现象。说明DCS设置独立接地网是成功的。为了提高二次系统的抗干扰能力，对二次系统的电源、模拟量输入回路、开关量输入回路、控制回路等分别采取了相应的措施，将二次系统纳入一个独立、全程屏蔽的环境，阻断了外部干扰的传播通道。

［1］王洪新.电力系统电磁兼容［M］.武汉：武汉大学出版社，2007.

［2］叶江祺.热工测量和控制仪表的安装［M］.北京：中国电力出版社，2008.

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［6］俞刚，陈波.嘉兴电厂热控系统接地问题分析与改进措施［J］.浙江电力，2009，28（S1）：25-28.

Analysis of Anti-Disturbance Ability of the DCS in the 300 MW Unit

The structure，power system，and grounding of the DCS in Unit 3 are analyzed.Factors impacting interference on DCS are suggested.It is suggested that the grounding grid of DCS ought to be designed separately.A well group structure grounding grid has been designed.

common grounding grid；well group structure grid；disturbance；insulation

TK323

：B

：1007－9904（2014）06－0039－04

2014-08-06

宋海滨（1975），男，工程师，从事发电厂热工检修维护技术和生产管理工作。