发电厂电气控制系统初探与顺控方案研究-猪八戒网

1、 发电厂电气控制系统初探与顺控方案研究摘要： 针对300MW机组电气控制系统(ECS)的特点，设计了火力发电厂ECS和发电机顺序控制系统；分析了同期装置的控制过程,研究开发了准同期装置的模糊控制算法，提高了发电机组自动化水平，更好地实现了机、炉、电的协调控制。 关键词： 发电厂；分散控制系统；电气控制系统；自动准同期 1 系统安全性可靠性分析 1.1 双机冗余设计为了保障电气控制系统(ECS)的安全运行，主机为双机冗余设计，通过硬件电路及软件判断，确保双机在同一环境中保持同步运行。其中，一台机为主控状态，另一台机（从机）为副控状态。U 和保安二路电源进入ECS后经低通滤波处理后分别引至各模件，

2、他们互为备用，从而保证任一路电源消失后不掉电，以免因计算机系统数据丢失和控制系统失灵而引起事故发生。1.2 抗干扰措施（1） 干扰源分布。内部干扰源主要有元器件的固有噪声、分布电容引起的耦合效应、多点接地引起的电位差和电源系统引入的干扰等。外部干扰主要包括二个方面：一是工作环境的影响，大功率电气设备和输电线路造成的电磁场以及通信发射的无线电波等；二是自然方面的干扰，如雷击、温度、湿度变化所引起的干扰等。 分析研究干扰源是抗干扰的前题。设计中采取消除干扰源，避开干扰源，切换干扰传播途径，是抗干扰技术中最为有效的方法。（2） 消除电源系统干扰的措施。在供电回路中，采用隔离变压器使分散控制系统（DC

3、S）接地与动力强电系统接地相独立以消除共模干扰。同时，采用电源低通滤波系统能有效地消除由电网进入的高次谐波。（3） 减少电磁干扰的措施。电磁感应产生的磁场干扰，会造成变送器不能正常工作，也会使显示器画面摆动、色斑颜色纯度变坏，有时甚至破坏计算机的磁盘内存存储的内容，造成DCS瘫痪。电磁波干扰的实测数据列于表1。设计中采取抗电磁干扰的措施，使DCS设备与磁场相隔离。同时ECS的铁皮柜的屏蔽作用可增强抗磁场干扰能力。（4） 信号线路的传送干扰及对应的措施。ECS的控制对象是生产工艺上的电流、电压参数及开关的状态等开关量。这些参数通过变送器转换后进入ECS时，为了防止在线路传输过程中产生传送干扰，一

4、般用屏蔽电缆传输且要求屏蔽电缆只在机柜一端接地。敷设屏蔽电缆时尽量不与动力电缆靠近或平行，并应远离大功率变压器等感性负荷。（5） 接地技术的应用。设备的外壳以及屏蔽层与大地相连，其接地回路要专门设计，接地电阻小于5。 表1 电磁波干扰造成仪表误差的实测数据 2 ECS设计和软件开发2.1 ECS设计针对火电厂生产工艺的特殊性和要求，所设计的监控系统的主要功能有：系统自检、图形显示、单点显示、数据一览、报警显示、趋势（实时趋势和历史趋势）、报表打印、条件触发器。2.2 软件开发2.2.1 顺控并网（1） 实现条件。采取顺控并网，考虑的2个具体指标是相角差、频差，要求相角差不超过±10&

5、#176;，频差低于03 Hz。（2） 控制对象的动态特征。机组启动，通过点火、冲转、暖机、升速等一系列操作，汽轮机转速达到3000r/min后保持相对稳定，此时检查励磁系统，励磁调节器进行调节以满足电压要求； 数字式电液控制DEH进行调速以满足频率要求。正常后，合上磁场开关，投入励磁调节器，开始零起升压，中控置位，建立电压，电压升至额定值后由同期装置检测，待发电机侧与系统侧的相位差、频差、幅值差等各项指标均满足要求时发出合闸指令。理想情况下，要求合闸瞬间，发电机侧同系统侧的电压幅值差、相位差、频差均为零，此时对发电机的冲击最小。统计数字表明，手动同期或不良同期装置是损坏发电机的主要因素。在准

6、同期并网的3个条件中电压差和频率差不是伤害发电机的重要原因，而相位差才是损害发电机的最危险因素。相位差是指发电机的转子直轴和由定子三相电流合成的同步旋转磁场的磁轴之间的相位差。在断路器合闸的一瞬间，系统电压施加在发电机定子上，由其产生的三相电流合成的以角速度旋转的旋转磁场，将产生一电磁转矩并强迫发电机转子轴系（发电机转子、汽轮机转子、励磁机转子等的合成体）的磁轴与其取向一致，这一拉入同步的过程是一数百吨质量的转子轴系于极短时间内在定子电磁转矩作用下旋转一个角度的过程。这一过程对于转子轴系绕组及机械体系的伤害是巨大的。另外，还需考虑发电机并网过程中可能导致的次同步谐振（扭振）。（3） 顺控并网的

7、组态实现。当发电机转速高于2940r/min、202处于分闸位、202 - 1、202 - 2刀闸处于合位、2号机主交中性点刀闸处于合位、手动柜输出Q6开关处于分位、励磁调节器A柜输出开关处于合位、励磁调节器B柜输出开关处于合位、202开关接地刀闸处于分位时，则允许顺控并网。操作员可以操作相应按钮，进行顺控并网操作。顺控并网的逻辑图见图1。顺控并网是由STEP功能块来实现步序控制的。步序的执行既是条件触发的 又是时基的。当前步的操作成功（反馈信息达到定时间）后，程序将自动进入下一步。如出现故障并经一定时间延迟仍未消失或达到步序定时间操作仍未完成时，步序逻辑被中止。依次执行：顺控合Q7开关；置励

8、磁AB柜自动；中控置位升压至10kV；中控置位升压至18kV；升压到20kV；检测转子接地；检测空载参数；请求DEH接入同期。顺控并网后期操作逻辑图见图2。具体步骤为：选定同期装置；投入TK；解除STK；投入DTK；退同期；手动柜调节至自动输出105%110；投1LK及LK；投厂用电自动切换。 图1 顺控并网逻辑图图2 顺控并网后期操作逻辑图 2.2.2 顺控励磁切换（1） 由自动励磁切为手动柜励磁的逻辑组态。顺控方式进行这种励磁切换同样要利用步序控制器功能块STEP自动励磁切为手动柜励磁，需进行以下步骤：减手动励磁输出至最小；发电机无功；合Q6 开关；自动到手动励磁；退出励磁A、B柜；断开励

9、磁切换联锁开关1LK。（2） 由手动柜励磁切为自动励磁方式的逻辑组态。由手动柜切换为自动柜的操作内容与由自动柜切换至手动的操作内容相似，只是顺序相反，不同的地方有以下几点：对无功功率的要求。由手动柜切换至自动柜时，要求无功功率不能大于80Mvar，而由自动柜切换至手动柜时，则对无功功率没有太多要求。反馈结果的检查不同。手动柜减磁步序完成的标志是以检测到“减磁极限”为准。 3 自动准同期并网的条件是当压差、频差在允许值范围内且相差为零。压差和频差的存在将导致并网瞬间，并列点两侧会出现一定的无功功率和有功功率的交换，不论是发电机对系统或是系统对系统并网，这种功率交换都有相当承受力。因此，并网过程中

10、为了实现快速并网，不必对压差和频差的整定值限制太严，以免影响并网速度。而发电机并网时相位差的存在将会导致机组的损伤，甚至会诱发后果更为严重的次同步谐振（扭振）。因此一个好的同期装置应确保在相差为零时完成并网。在差频并网时，特别是发电机对系统并网时，发电机组的转速在调速器的作用下不断变化，因此发电机对系统的频差不是常数，而是包含有一阶、二阶或更高阶的导数，而且并列点断路器还有一个固有的合闸时间tk。因此同期装置必须在零相位差出现前的tk时刻发出合闸命令，才能确保在=0°时实现并网。或者说同期装置应在=0°到来之前提前一个角度发出合闸命令。与断路器合闸时间tk、频差s、频差的一

11、阶导数ds/dt及频差的二阶导数d2s/dt2等有关。其数学表达式为同期装置在并网过程中需不断地快速求解该微分方程，以获取当前的理想提前合闸角，并不断地快速测量当前并列点断路器两侧的实际相差，当满足要求时装置发出合闸指令，实现精确的零相位差并网。实现快速并网对满足系统负荷平衡及减少机组空转能耗具有重要意义。捕捉第一次出现的并网时机是实现快速并网的一项有效措施。而用良好控制品质的算法实施均频与均压控制，促成频差与压差尽快达到给定值也是一项重要措施。微机自动准同期装置使用了模糊控制算法，其表达式为U=g(E,C)（2）式中,U为控制量；E为被控量对给定值的偏差；C为被控量偏差的变化率;g为模糊控制

12、算法。模糊控制理论是依据模糊数学将获取的被控量偏差及其变化率作出模糊控制决策。模糊控制规则见表2。表2中将偏差E的模糊值分成正大到负大共8档，将偏差变化率C的模糊值分成正大到负大共7档，因而与他们对应的控制器发出的控制量U的模糊值就有56个，从正大到负大共7类值。由于装置能够设定引入的待并侧电压和系统侧电压分别是相电压和线电压，并对他们进行相应补偿，所以原有的经隔离进行幅值相位补偿的作法可以放弃。当发电机出口电压为20kV时，主交高压侧的电压为242kV，此时对应发电机TV二次侧的电压为100V。考虑到正常进行时220kV系统侧的电压一般为230kV左右，由于发电机出口TV变比与220kV侧母

13、线TV变比的不对应，所以当发电机系统侧二次电压显示一致时，其实际一次电压相差较大，并网时对系统和发电机会产生一定的冲击，因此，应调整相应的通道采样系数，将冲击减小到可以承受的范围内。另外，为保证同期并网后无功输出为正值，防止进相运行，为此应使发电机输出电压（主变高压侧电压）略大于系统电压。自动准同期装置还能自动测量机组并网的导前角，因此应将主开关断路器的辅助触点引入到装置中去。自动准同期装置可以在第1次并网时精确地计算出导前时间。自动准同期装置同外部系统的联击，因此，应调整相应的通道采样系数，将冲击减小到可以承受的范围内。另外，为保证同期并网后无功输出为正值，防止进相运行，为此应使发电机输出电压（主变高压侧电压）略大于系统电压。自动准同期装置还能自动测量机组并网的导前角，因此应将主开关断路器的辅助触点引入到装置中去。自动准同期装置可以在第1次并网时精确地计算出导前时间。自动准同期装置同外部系统的联系非常重要，装置可提供与上位机的通信接口(RS485或RS232),并提