火力发电厂电气控制系统的设计及自动准同期的研究
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２００５年１２月第６卷第１２期电力设备
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火力发电厂电号控制系绽帕设计及自动准同期的研夯
程彦１，杨振勇２（１．中国电力投资集团公司，北京市１０００３２；２．华Ｊｒ，电力科学院有限责任公司，北京市１０００４５）
摘要：针对３００ｂｌＷ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；自动准同期中图分类号：ＴＭ４０６
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ｆ４：半－ＩＪ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。ＵＰＳ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。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人的干扰等。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。分析研究下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
（ＤＣＳ）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ｆ：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５ｎ。表１电磁波千扰造成仪表误差的实测数据测试距离＜ｎ５０５一Ｉｏ１０—１５＞ｌ５｛｝｛造厂２ＥＣＳ设计和软件开发２．１ＥＣＳ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±ｌＯ。，频差低于ｏ．３Ｈｚ。
（２）控制对象的动态特征。
机组启动，通过点火、冲转、暖机、升速等一系列万方数据电力设备第６卷第１２期操作，汽轮机转速达到３０００
ｒ／ｒａｉｎ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椅测，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ｊ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ｍ旋转的旋转磁场，将产生一电磁转矩并强迫发电机转于轴系（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，这一拉人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）顺控并网的组态实现。当发电机转速高于２９４０
ｒ／ｍｉｎ、２０２处于分闸位、
２０２—１、２０２—２刀闸处于台位、２号机主交中性点刀闸处于台位、手动柜输出Ｑ。开关处于分位、励磁调节器Ａ柜输ｍ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问操作仍未完成时．步序逻辑被中止。依次执行：①顺控合Ｑ７开关；②置励磁ＡＢ柜自动；③中控置位升压至１０ｋＶ；④中控置位升压至１８ｋＶ；⑤升压到２０ｋＶ；⑥检测转子接地；⑦检测空载参数；⑧请求ＤＥＨ接人同期。顺控并网后期操作逻辑图见图２。具体步骤为：①选定同期装置；②投人ＴＫ；③解除ｓ１Ｋ；④投入ＤＴＫ；⑤退同期；⑥手动柜调节至自动输出１０５％～１１０％；⑦投ｌＬＫ及ＬＫ；⑧投厂用电自动切换。
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图Ｉ顺控并网逻辑图
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万方数据整希与应用程彦等：妊姐忿电厂电气控赳悉班啦设汁及自、动准回期柏研究４７图２顺控并网后期操作逻辑图２２．２顺控励磁切换（１）由自动励磁切为手动柜励磁的逻辑组态。顺控力‘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：①减手动励磁输出至最小；②发电机无功；③合Ｑ６开关；④自动到手动励磁；⑤退出励磁Ａ、Ｂ柜；⑥断开励磁切换联锁开关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南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：①对无功功率的要求。由手动柜七Ｕ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。②反馈结果的检查不同。手动柜减磁步序完成的标志是以榆测到“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｜｛相差击为零。压差和频差的存在将导致并嗍瞬间．并列点两侧会…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足系统对系统并网，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西为零时完成并网。在差频并阿时，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ｆ。。因此同期装置必须在零相位差出现前的ｔ。时刻发出合闸命令，才能确保在咖＝０。时实现并网。或者说同期装置应在西＝０。到来之前提前一个角度咖。发出合闸命令。机与断路器合闸时间ｔ。、频差ｍ，、频差的一阶导数幽／也及频差的二阶导数
ｄ２０ＪＶ／ｄ￡２等有关。其数学表达式为
１幽１ｄ２∞咖－２“ｓ。ｔｋ＋亏。言“ｔｚ＋言。蒂“””‘‘
（１）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・Ｆ衡及减少机组
万方数据电力设备第６卷第１２期空转能耗具有重要意义。，捕捉第一次出现的并阀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，促成频差与堰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；占为模糊控制算法。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。表２模糊控制规则表由于装置能够设定引人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
系非常重要，装置可提供与上位机的通信接口（ＲＳ４８５或ＲＳ２３２），并提供通信协议，这样可以很好地满足纳入ＥＣＳ的需要。装置发出的调速指令是脉冲周期可调的脉冲信号，而ＤＥＨ接收指令的扫描周期由于受系统容量的限制，所以在调节均频参数时一定要考虑到ＤＥＨ的扫描周期，以保证该环节不会出现脱节。
４结论本文对ＥＣＳ的特点进行了分析，设计了电气控制系统（ＥＣＳ）。解决了电气顺控并网逻辑、励磁系统切换调试等问题，实现了发电机完全由自动准同期置来自动并网，消去人为因索，提高了机组的安全性、灵活性和经济性。
收稿日期：２００５－１１－０２作者简介：程彦（１９７２－），女，高级工程师，硕十，主要研究方向为模式识别与智能控制。目前从事电源项目的规划与投资管理工作；杨振勇（１９７７一），男，工程师，硕士，从事热工自动控制系统的研究工作。
