某电厂DCS信号干扰原因分析技术报告

1、 某电厂1号机组DCS信号干扰原因分析概述临涣中利发电有限公司1号机组DCS采用全进口的美国Honeywell公司TPS控制系统，其主要功能包括：数据采集、模拟量控制、辅机顺控、事故追忆、锅炉炉膛安全监控。DCS接地系统通过电厂电气接地网与大地相连。近期临涣中利发电有限公司热工人员反映1、2号机组分散控制系统上位机报警信号异常触发频繁，同时部分DPU网络噪声在短时间内大幅上升并发出报警，若两块冗余DPU同时发生该类报警即会导致该控制器瘫痪，因此上述问题的存在对临1号机组的安全稳定运行带来了极大的威胁。为准确分析该问题发生的原因，提出解决方案，确保机组的运行安全，我单位技术人员于2010年10月

2、11日至10月14日对临涣中利发电有限公司1号机组DCS信号干扰的原因进行了现场试验及分析工作。1 试验仪器接地电阻测试仪：FLUKE 1625 ADVANCED EARTH/GROUND TESTER；数字荧光示波器：TEKTRONIX DPO4050；多用能万用表：FLUKE 17B；测试连接电缆；测试相关其他设备。2 测试及评估依据火力发电厂热工自动化系统检修维护规程DL/T 774-2004；火力发电厂分散控制系统验收测试规程DL/T 659-2006；国家电网公司发电厂重大反事故措施（试行） 国家电网生833号3 TPS 分散控制系统接地系统说明3.1 TPS 分散控制系统接地说明T

3、PS 分散控制系统的接地系统分为以下两部分：（1） 主参考地：是模拟量信号屏蔽层的接地，用以抑制干扰信号，TPS分散控制系统机柜内控制器电源的一路接地电缆也接入主参考接地铜排。（2） 安全地：是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等的电源输出地，如CPU的5V/12V的负端。机柜外壳的接地、机柜网络TAP头的接地、机柜内控制器电源的一路接地也接入安全地铜排。TPS分散控制系统接地示意图如图1、2所示。图1 TPS系统主参考地接地示意图图2 TPS系统安全地接地示意图1号机组的各HPM（High Performance Process Manager高性能过程处理器）机柜、FTA机柜（接线

4、端子机柜）、单元节点机柜以及R02继电器机柜均具备以上两接地系统，上述机柜内的接地电缆分别接至机柜下端相应的主参考地铜排和安全地铜排，这些接地铜排接至主参考地汇流排和安全地汇流排后，连接至电缆夹层内对应的主参考地接地箱和安全地接地箱，两接地箱通过电气接地网与大地相连。1号机组的单元电源机柜、BT（锅炉跳闸）机柜以及各继电器机柜（除R02机柜外）由于没有外部信号接入，所以柜内都只有一路安全地铜排，柜内接地电缆经机柜下端的安全地铜排、安全地主汇流排汇流后，接至电缆夹层的安全地接地箱，接地箱通过电气接地网与大地相连。需要说明的是单元节点机柜、1号FTA机柜和RO2继电器机柜的安全地直接通过接地电缆与

5、电缆层的安全地接地箱相连，而其他机柜的各接地铜排均通过电子间的主接地汇流排与接地箱相连。4 接地系统检查及测试4.1 机柜接地电阻测试对于1号机组DCS的信号干扰及网络噪声上升的现象，首先需要确认的是所有机柜的接地电阻是否符合电力系统有关规定要求，否则若机柜的接地电阻过大，不能形成良好的接地效果，将会对控制系统的正常工作带来严重的影响。4.1.1 测试方法大地DCS接地汇流牌（电缆层）接地桩一次风机接地铜牌测试连接电缆机柜内屏蔽电缆机柜内接地铜牌电子间其它机柜接地铜牌测试时断开其它接地电缆图3 1号机组DCS接地电阻测试回路示意图如图3所示，在本次测试过程中由于无法确定DCS系统接地桩准确位置

6、，故在被测接地体附近选择了2号机组一次风机的接地铜牌作为测试接地体。试验前，解除被测DCS接地铜牌上与被测机柜信号屏蔽接地无关的其它屏蔽电缆。用测试电缆将被测机柜接地铜牌与2号机组二次风机的接地铜牌相连接，构成测试回路。用接地电阻测试仪测得被测体接地电阻和测试电缆阻值的串联值，然后将测试电缆首尾相连即可用接地电阻测试仪测得测试电缆阻值，两阻值之差即为被测体接地电阻值。4.1.2 测试结论在本次现场试验过程中，我单位技术人员即利用接地电阻测试仪FLUKE 1625 ADVANCED EARTH/GROUND TESTER对1号机组的各机柜主参考接地和安全接地的接地电阻进行了全面测试。结果见表1。

7、 表1 1号机组DCS机柜接地电阻测试记录表(MRG-主参考地;SG-安全地)DCS机柜号电源柜网络节点柜HPM1HPM2HPM3HPM4HPM5HPM6MRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSG机柜接地电阻（）/0.1430.1520.1330.1740.1550.1610.1310.2110.1340.2310.1210.1230.1780.1380.165DCS机柜号HPM7HPM8HPM9HPM10HPM11HPM12HPM13HPM14MRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSG机柜接地电阻（）0.2030.1

8、780.1330.1460.1740.1560.1230.2020.1470.1720.1560.1340.1230.1540.1780.121DCS机柜号HPM15HPM16FTA1FTA2FTA3BT继电器1继电器2MRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSG机柜接地电阻（）0.1750.2410.1330.1420.1240.1470.1920.1650.1830.124/0.186/0.1440.1520.155DCS机柜号继电器3 继电器4继电器5继电器6继电器7继电器8继电器9继电器10MRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSGMRGSG

9、MRGSGMRGSG机柜接地电阻（）/0.167/0.154/0.144/0.124/0.186/0.198/0.187/0.164DCS机柜号继电器11MRGMRG机柜接地电阻（）/0.164火力发电厂分散控制系统验测试规程DL/T 659-2006规定：当DCS与电厂电气系统共用一个接地网时，控制系统地线与电气接地网只允许有一个连接点，且接地电阻应小于0.5。经测试，1号机组DCS所有机柜接地电阻测试结果满足规程规定要求。因此可排除是由于机柜接地电阻过大而导致DCS信号干扰的可能。4.2 接地系统的检查及测试DCS接地应为树状，各接地系统相互隔离，绝对不允许接地形成环状网络。同时为确保DC

10、S网络的正常运行，还应做好网络设备的接地及其和其他设备的隔离，避免因窜入干扰电流而DCS网络产生影响。因此为进一步找出1号机组DCS信号干扰及网络噪声上升的原因，我单位技术人员对各机柜内接至铜排的所有屏蔽电缆的安装、分布进行了梳理，并对各接地电缆对地的电压进行了测量。4.2.1 接地电缆安装检查经检查发现，所有机柜内所有接地电缆用镀锌螺栓压接在接地镀锡铜排上，其中单股屏蔽线汇编成辫、使用压线接头压紧，安装规范可靠，无异常现象。4.2.2 接地电缆分布检查我单位技术人员对各机柜内部的所有接地电缆及其接线根据设计图纸和现场实际安装情况进行了梳理，发现了如下问题：（1）1号机组各机柜的网络TAP头和

11、机柜外壳的接地电缆均接至安全接地铜排，因此测试中发现各机柜的网络TAP头和机柜外壳相通，相互之间电阻为零，即网络TAP头和机柜外壳未隔离。如此则当DCS机柜发生漏电等情况时，干扰电压极易通过机柜外壳与网络TAP头的连接而影响到DCS网络的正常运行。在1号机组调试过程中，DCS厂家技术人员曾为1号FTA机柜的网络TAP头单独设置了一路接地，即将TAP头的接地电缆先接至所在机柜安全地铜排，再由铜排略过安全地主汇流排而直接接至电缆层的接地箱。这就使得1号FTA机柜安全地铜排对地的电缆变成了两根：原有一根通过安全地主汇流排接至电缆层的安全地接地箱；新增一根则直接接至接地箱，如图4所示，这就形成了一个环

12、网，即“两点接地”。其后果是极易产生噪声电流，形成噪声干扰源，干扰DCS网络及信号回路。图4 1号机组MCS FTA机柜系统安全地铜排接地示意图（2）1号机组各HPM机柜内部的电源设计有两路接地电缆，一路接至机柜内的安全地铜排，另一路接至主参考地铜排。但在试验过程中发现，当将这两路电缆正常接入对应铜排并给柜内电源送电后，柜内两铜排间阻值为0，即两铜排通过机柜电源的接地电缆相通。这种现象就会使得机柜内应充分隔离的安全接地系统和主参考接地系统相互干扰，不仅对输入信号（特别是低电平信号）的稳定、真实造成了威胁，还给控制器的正常工作带来了隐患。（在本次1号机组停机期间刚增加的新HPM机柜中进行试验就没

13、有发现这种现象）。对此现象，我单位技术人员也专门进行了比对试验。首先，我们将1号机组所有机柜电源的接地电缆从两接地铜排上解除，此时同一机柜内的两接地铜排完全隔离，用数字荧光示波器TEKTRONIX DPO4050（电压采集衰减率设为1/500）测量一HPM机柜内的主参考地铜排、安全地铜排以及网络TAP头对地的交流电压波形，结果均为峰谷值为2.2V左右的杂波（波形如图5所示）。图5 安全地铜排、主参考地铜排、TAP头对地电压波形（未接入电源接地电缆时）再将1号机组所有机柜内的电源接地电缆重新接入两接地铜排后，再次测量该机柜主参考地铜排、安全地铜排和TAP头对地的电压波形。发现两铜排对地电压波形峰

14、谷值均有增大，分别达到4.2V、5V、而TAP头对地电压波形基本没有变化（见图6-图8）。图6 安全地铜排对地电压波形（接入电源屏蔽电缆时）图7 主参考地铜排对地电压波形（接入电源屏蔽电缆时）图8 TAP头对地电压波形（接入电源屏蔽电缆时）这一现象说明，机柜电源带电后使同一机柜内两隔离的接地系统铜排相通，一方面增大了机柜内控制器的干扰，加大了其工作的不稳定性，另一方面也使信号的屏蔽存在一定的隐患，不是一种可取的接地方式。4.2.3 屏蔽电缆交流电压测量在屏蔽电缆压线接头对地的电压测量过程中发现，各机柜大部分接地电缆没有或只有微弱的交流电压存在，但也有少数电缆存在较大的交流电压。（1）1号机组R

15、02继电器机柜的主参考地所接的一束屏蔽电缆，测得其压线接头对地的交流电压达到48V左右。为了测试这一干扰电压对于系统的影响，我们首先将该束电缆从铜排中解除，用数字荧光示波器TEKTRONIX DPO4050（电压采集衰减率设为1/500）测量该机柜安全地铜排、主参考地铜排和网络TAP头对地的交流电压波形，结果均为峰谷值为2.2V左右的杂波（波形如图9所示）。图9 安全地铜排、参考地铜排、TAP头对地电压波形（未接入带48V AC屏蔽电缆时）将这束电缆接入机柜的主参考地铜排后，测量机柜内的安全地铜排、主参考地铜排以及网络TAP头对地电压，其峰谷值都明显增大。 其中安全地铜排对地的电压峰谷值约3.

16、2V，波形见图10所示。图10 安全地铜排对地电压波形（接入带48V AC屏蔽电缆时） 主参考地铜排此时对地的电压峰谷值约3.6V，波形见图11所示。图11 主参考地铜排对地电压波形（接入带48V AC屏蔽电缆时）网络TAP头此时对地电压峰谷值约为2.8V，波形见图12所示。图12 TAP头对地电压波形（接入带48V AC屏蔽电缆时）（2）2号机组R02继电器机柜主参考地所接的一束屏蔽电缆存在240V AC电压，我们同样将该束电缆对DCS接地及网络系统的影响进行测试以作为参比。试验中，首先测得干扰交流电压有效值达到240V AC左右（电压采集衰减率为1/500），波形见图13 所示。图13 R

17、02继电器机柜主参考地干扰电压波形图为了测试这一干扰电压对于系统的影响，我们同样将该束电缆从铜排中解除，用数字荧光示波器TEKTRONIX DPO4050（电压采集衰减率设为1/500）测量该机柜系统主参考地铜排对地电压，结果为峰谷值约8.4V的杂波，波形见图14。图14 R02继电器机柜主参考地铜排对地电压波形（未接入带240V AC屏蔽电缆时）将这束带240V AC的屏蔽电缆接入机柜的主参考地铜排后，测量得R02继电器机柜的主参考地铜排对地电压波形中出现了大量随机尖波，峰谷值达到77V（见图15所示）。在试验过程中也发现，将这束电屏蔽电缆在DCS机柜内浮空时，正在运行的2号机组控制系统工作

18、正常，但一旦将这束电缆接入铜排，DCS网络噪声快速增大并发出报警。图15 R02继电器机柜主参考地铜排对地电压波形（接入带240V AC屏蔽电缆时）从以上两次比对测试的波形中可以看到，将带较高交流电压的屏蔽电缆接入主参考地铜排后，机柜内安全地铜排、主参考地铜排和网络TAP头的对地电压都有增大、并会出现随机尖波，特别是测试过程中DCS网络噪声快速变化，这都说明屏蔽电缆所带的干扰电压，对控制器的稳定运行，DCS输入信号的稳定都存在一定的影响，同时还因各接地系统没有充分隔离，干扰电压对DCS网络产生了较大影响，应进行充分的排除。5 说明及处理建议DCS接地，一是为了保证当进入DCS的信号、供电电源或

19、DCS设备本身出现问题时，有效的接地系统能承受过载电流并可以迅速将过载电流导入大地；二是接地系统能够为DCS提供屏蔽层消除电子噪声干扰，并为整个控制系统提供公共信号参考点(即参考零电位)。当接地系统发生问题时(接地电阻过大，多点接地，接地线断线或接地线与高电压、大电流设备相接触等)，会造成设备损坏，甚至人身伤害。因此，完善、可靠、正确的接地，是DCS能够安全、可靠、稳定运行的关键。针对临涣中利发电有限公司1号机组DCS信号干扰问题，通过我单位在现场所进行的试验及分析工作，提出建议如下：（1）1号机组各机柜网络TAP头接地作为防止DCS网络干扰和消除网络噪声的重要手段应独立接地，现各机柜内TAP头接地电缆与机柜外壳接地及机柜电源接地等电缆共同接在机柜的系统安全接地铜排上，这样当漏电等原因形成干扰