电力系统稳定器pss的控制原理（三冗余控制器在核电汽轮机保护系统中的应用）

作者介绍了三冗余控制系统在哈汽田湾核电三号汽轮机组保护系统(ETS)的应用情况， 着重阐述了系统的结构、原理、特点，并对Micronet TMR系统与一般三冗余控制系统的区别做出介绍。

田湾核电三号机组是哈尔滨汽轮机厂生产的1000MW汽轮机，对汽轮机保护系统(ETS)有着最高等级的安全、精度和控制速度要求，例如要求系统控制周期在20ms以内等。Woodward Inc.公司的三冗余控制系统Micronet TMR以高可靠性的三模版冗余结构、高达5ms的控制速度和确定性的控制周期满足此项目的严格要求。

本文介绍了Micronet TMR系统在田湾核电三号机组ETS的应用，特别是系统的结构、原理、特点等。

ETS系统主要由Micronet TMR控制器和Micronet Safety Module(以下简称MSM)组成。Micronet TMR是三模版冗余控制器，主要负责机组各种保护信号的处理和机组在线试验等。

MSM控制器是三模板冗余结构的机组超速保护控制器，负责机组的超速保护。Micronet TMR与MSM直接通过硬件线和通讯方式进行数据交换和协调， 构成统一的整体。ETS的系统结构见图1。

图1 ETS系统结构

1.彻底的三冗余结构

通常说起控制系统的冗余，例如三冗余，往往指CPU的三冗余。实际上，控制系统的冗余分多个层次，例如输入方面， 包括传感器信号、输入通道、输入模板、和CPU等。同理，输出方面也包括CPU、输出通道、输出模板、执行机构等。

这些环节和控制对象一起组成控制回路，如果任何一个环节不是冗余结构，整个系统就存在单点结构，系统并不是真正的三冗余架构。在英文中，三冗余控制器也称为TMR ， 是Triple Module Redundancy的缩写， 也就是三模板冗余的意思，表示不仅CPU，包括模板等部件也需要是三冗余结构。可见，真正的三冗余控制系统并不是单指CPU的冗余，而指的是控制系统的各个环节都是三冗余配置。

Micronet TMR和MSM控制器就是采用这种真正三冗余结构的控制系统。以ETS的冷凝器真空低信号PS-LV1为例， Micronet通过专用的分配端子将此信号分成三路，分别送到三个输入通道， 而这三个输入通道分别位于三个不同的模板， 每个模板将信号分别送给三个CPU。

可以看出，在输入通道的所有环节，都是三冗余结构，任何环节故障均不影响系统工作。同样道理，所有的输出环节也是三冗余配置。

Micronet TMR的CPU表决方面同样是彻底的三冗余结构。Micronet TMR的三个独立控制核心运行同样的控制程序， 独立进行三取二表决运算。同时， 三个控制核心并不是孤立的，它们通过专门的数据总线对所有的输入输出信息进行交换，每一个CPU都可以得到另外CPU的输入数据，进行表决后再送回给其它CPU进行二次表决。这样，任何数据值或数据通道损坏都不影响数据进行三取二表决。CPU表决如图2所示。

图2 CPU表决示意图

2.快速而确定性的控制周期

Micronet TMR系统不仅速度快，控制周期最快可达5毫秒，而且更重要的是控制周期的稳定性，也就是说，Micronet TMR的控制周期是确定性的， 英文中称为“Deterministic”

在Micronet TMR的控制器的底层采用VxWorks实时操作系统(RTOS)。VxWorks与Micronet TMR上层应用程序GAP(Graphical Application Program)相结合，采用速率组”Rate Group”方式，把控制任务分成预先确定的时间片，保证每个时间片都能稳定地按预定的计划确定地执行。

同时，关键的控制回路的速率组可达5毫秒，这样，不仅保证的控制器的快速响应，而且保证了整个控制程序的时序是预先确定的，即在任何工控不会出现CPU负荷大小的变化，更不会出现控制器在某些工控超负荷的情况。Micronet TMR控制任务时序分配如图3所示。

图3 Micronet控制任务时序

3.可靠的继电器表决结构

传统的冗余控制系统往往重视CPU的冗余，忽略执行机构。但是ETS中，执行机构，特别是输出的最后一个环节继电器的冗余配置对机组的安全起着关键的作用。

Micronet系统的继电器输出通道也采用彻底的三冗余结构，每个CPU的表决指令分别驱动两个继电器，所以，Micronet的每个开关量输出通道实际上都由六个继电器以及相关的辅助检测电路构成，如图4所示。这样的设计不仅实现了继电器环节的三取二表决，而且通过辅助电路，实现了继电器的工作状态的在线监测和热替换。

图4 继电器输出配置

4.停机电磁阀表决结构

ETS停机电磁阀的布置采用哈尔滨汽轮机厂传统的”两或一与”结构， 停机电磁阀的布置如图5所示。这样的电磁阀布置实现了停机电磁阀的冗余，即电磁阀SV-1和SV-3任何一个动作，同时SV-2和SV-4的任何一个动作，机组都可以停机。同时，四个电磁阀中任何一个电磁误动或拒动，都不会造成机组停

这样配置的另外一个功能是实现了在线电磁阀试验以及在线更换电磁阀。ETS系统具有在线通道和在线电磁阀测试功能，还包括真空和轴承油压低等在线试验功能。

图5 停机电磁阀的配置

田湾核电三号机组采用Micronet TMR系统，实现了包括从输入信号、通道、模板、CPU到、输出通道、模板和继电器等多环节的真正三冗余结构，同时满足了项目对快速控制周期和控制稳定性的要求。

本文编自《电气技术》，论文标题为“三冗余控制器在核电汽轮机保护系统中的应用”，作者为金洪伟、代波涛 等。