发电厂三模冗余（TMR）控制技术的研究应用

陈 晨，欧 伟，殷利杰

（1.华中电力设计研究院有限公司 电控部，郑州 451450；2.河南省电力勘测设计院 电控部，郑州 450007）

0 引言

随着发电厂自动化程度逐步提高，海外发电项目大都需要履行更加严格的SIL3（Safety Integrity Level 3）标准，这些因素使得分散式控制系统（Distributed Control System，DCS）的安全性和可靠性水涨船高。三模冗余（Triple Modular Redundancy，TMR）作为DCS发展中成熟可靠的控制新技术，已在国内发电厂重要保护、重要协调子系统，诸如炉膛安全监控系统（Furnace Safeguard Supervisory System，FSSS）、数字式电液调节系统（Digital Electronic Hydraulic Control，DEH）[1]、汽轮机跳闸保护系统（Emergency Trip System，ETS）中广泛应用[2,3]，采用TMR技术的DCS在外部可以达到SIL3级标准，其系统自身的性能也得到大幅度提高。

图1 三模冗余技术结构图Fig.1 Structure diagram of TMR technology

1 三模冗余技术分析

1.1 结构及原理

三模冗余（TMR）是发电厂分散式控制系统（DCS）的一个新技术及发展方向，其结构如图1所示。从输入模块，经过主处理器到输出模块完全是三重化的[4,5]。

1.2 主要部件功能介绍

1）输入模件：包括数字量输入模件、模拟量输入模件和脉冲输入模件。每个输入模件都有3条独立的分电路，每条分电路异步检测输入信号，并将结果导入独立的输入表中。

2）主处理器：接收并存储数据，以备用于硬件表决。

3）三重化总线（TRI总线）：每次扫描开始时，使每个主处理器保持同步，并且传输和表决输入数据、传输诊断数据和通讯数据。

4）输出模件：包括数字量输出模件和模拟量输出模件。数字量输出模件对每一开关进行单独的三取二表决过程；模拟量输出模件根据分电路之间的轮换规则，连续输出信号。

1.3 工作流程

1）输入模件通过3条分电路轮询输入数据，并通过I/O总线将每个输入表传输至各自对应的处理器中。

2）3个主处理器利用其专有的高速三重化总线进行相互通讯，每次扫描，每个主处理器都存储数据并通过总线与其相邻的另外两个主处理器通讯，达到同步。

3）三重化总线对数字输入数据进行表决，把输入数据复制并送到各个主处理器，主处理器执行各种控制算法，算出输出值，并发送至各输出模块。

4）输出模件按多数原则对输出值再次进行表决/选择，并纠正偏差。

5）模拟输入信号则是在模拟输出选择器中进行选择。

由此可见，三重冗余技术是将三路独立的、并行的控制系统和广泛的诊断集成在一个系统中；用三取二表决提供高度完善、无差错、不间断的过程操作，使其不会因为单点的故障而导致系统失效。

2 三模冗余技术的优点与不足

2.1 优点

1）可靠性：运用三模冗余技术，控制系统中单个原件的故障不会影响系统的正常运行。

2）适用性：三模冗余技术可以广泛应用在电力控制行业，当运用在发电厂分散式控制系统（DCS）中时，可以与冗余DPU或容错DPU适配。

3）安全性：三模冗余技术由于具有高度的诊断覆盖率，因而运用三模冗余技术的DCS可以达到SIL3级标准。

4）高可用性：运用三模冗余技术的DCS可在主处理器3个、2个或1个工作的情况下，正常运行，故障模块可在系统操作持续不中断的情况下被替换。

2.2 不足

1）增加控制机柜数量：由于TMR技术采用了3台处理器，输入/输出模件及机架不同于传统的同类产品，相关附件也一并增加。一般来说，采用三模冗余技术的DCS机柜数量相较普通DCS多了一些，以商丘民生电厂为例，ETS控制硬件采用了TMR技术，共有196个点位，在考虑备用点位和内部接线点位之后，在汽机电子间专为ETS设置了3面机柜，多于同类机组的1面机柜[6]。

2）提高了控制系统概算：因为成本提高，采用三模冗余技术，将使DCS的概算增加，同样I/O点位越多，概算增加额越大。

3 三模冗余控制技术的实际应用

国电投商丘民生供热电厂为2×350MW超临界燃煤凝汽式发电机组，在该工程中，汽轮机跳闸保护系统（ETS）采用FOXBORO公司开发的TRICON系列硬件，该系统具备三模冗余的功能，具有可诊断到模件级的自诊断技术，能够保证任何个别元件、模件或组件故障不会影响整个系统的工作，不会导致保护系统误动或拒动，也不会导致任何设备状态的改变或主设备故障，大大提高了ETS的安全性和可靠性。商丘民生供热电厂自从2018年11月第一台机组投产以来，机组运行正常，控制策略得当，DCS运行安全稳定，控制系统完全满足生产需要。

4 结论及展望

随着海外发电市场的拓展和DCS控制技术和策略的不断进步，控制理念的不断深化，在可期之未来，相关机构也势必会针对国内的发电项目制定与SIL3相适应的标准。三模冗余技术因其特有的准确性和可靠性，将会越来越广泛地应用于分散式控制系统中。目前，市场上已有FOXBORO公司的TRICON系列产品、GE新华公司的NEXUS系列产品采用了TMR控制技术，而国电智深公司也在积极研发具备TMR技术的控制系统，DCS层面竞争激烈，可选择性较大。针对控制机柜数量增多的问题，需要投资方及设计者在设计发电厂电子间盘柜布置时考虑足够的盘位。随着DCS技术的进步，自动化生产规模的扩大和人力成本的节约，采用三模冗余技术的DCS硬件价格劣势必会进一步缩小，进而其技术优势将会更加充分地体现。