DEH掃描周期對汽輪機控制系統(tǒng)的影響

顧正皓，張 寶，吳文健，陸 誠

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

DEH掃描周期對汽輪機控制系統(tǒng)的影響

顧正皓，張 寶，吳文健，陸 誠

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

汽輪機DEH具有固定的掃描周期，而所控制的對象卻是連續(xù)系統(tǒng)，因此掃描周期的大小對于汽輪機的調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)具有一定的影響。通過仿真手段，對這一問題進(jìn)行理論分析和探討，結(jié)果表明，掃描周期對于汽輪機防超速保護(hù)影響較大，對汽輪機控制影響較小，這一結(jié)論對于汽輪機控制系統(tǒng)的設(shè)計和改造有參考作用。

汽輪機；掃描周期；控制系統(tǒng)；DEH

0 引言

目前，大型火電廠汽輪機控制系統(tǒng)普遍采用DEH（數(shù)字電液控制系統(tǒng)），實現(xiàn)對汽輪機運行的監(jiān)測、調(diào)節(jié)與保護(hù)。DEH分專用型與通用型2種，均為以計算機為基礎(chǔ)的數(shù)字式離散控制系統(tǒng)。

離散控制系統(tǒng)對于輸入信號采用固定間隔時間進(jìn)行采樣，具有以下幾個方面的優(yōu)點：

（1）相對于模擬量控制系統(tǒng)，提高了輸入信號的測量精度。

（2）數(shù)據(jù)通信采用數(shù)字格式，數(shù)字信號抗干擾能力要比模擬量信號強，提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

（3）相對于采用現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，可以采用同一信道傳送多路信號。

（4）可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯，控制系統(tǒng)的設(shè)計具有靈活性和易用性。

（5）相對于模擬量控制系統(tǒng)可以減少由于輸入信號帶來的噪聲，提高控制系統(tǒng)的可靠性。

但這種控制系統(tǒng)也有以下缺點：

（1）由于連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為具有一定時間間隔的數(shù)字量，降低了系統(tǒng)的可靠性。

（2）由于被控制系統(tǒng)是連續(xù)系統(tǒng)，執(zhí)行機構(gòu)的動作方式也是連續(xù)的，數(shù)字控制系統(tǒng)的輸出在對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制前需要轉(zhuǎn)換為模擬量，在轉(zhuǎn)換過程中會丟失部分信息。

（3）在A/D和D/A轉(zhuǎn)換過程以及程序執(zhí)行過程中引入了時間滯后。

離散控制系統(tǒng)存在一個掃描周期，DEH控制功能確定后，掃描周期的縮短就意味著控制器與數(shù)據(jù)通信總線負(fù)荷率的提高，而這是有明確規(guī)定的[1]。按照規(guī)程[2]的要求：控制器的處理周期應(yīng)滿足模擬量控制系統(tǒng)不大250 ms，開關(guān)量控制系統(tǒng)不大于100 ms，快速處理回路中，模擬量控制系統(tǒng)不大于125 ms，開關(guān)量控制系統(tǒng)不大于50 ms。這一控制周期對汽輪機的控制、尤其是保護(hù)回路的功能是有影響的，處理不好，會造成保護(hù)誤動或拒動，后果可能十分嚴(yán)重。

1 汽輪機PLU功能介紹

部分汽輪機DEH中，設(shè)置有PLU（功率-負(fù)荷不平衡）功能，其目的主要是防止汽輪機在突然甩負(fù)荷時發(fā)生超速，動作過程為：將再熱器出口壓力作為汽輪機的機械功率信號，將發(fā)電機電流作為汽輪機電功率信號，當(dāng)汽輪機電功率瞬間減少（變化率大于某一定值）且汽輪機機械功率與電功率的差值大于某一設(shè)定值時，快關(guān)高、中壓調(diào)門，達(dá)到快速減小機械功率的目的。

早期的PLU功能一般是通過專用卡件來實現(xiàn)，汽輪機電功率用發(fā)電機電流表征，掃描周期基本在10 ms以內(nèi)，應(yīng)用多年很少見異常報道。但近幾年部分新建或改造機組多傾向于將DEH與DCS（分散控制系統(tǒng)）一體化設(shè)計，通過軟件邏輯回路來實現(xiàn)PLU功能，汽輪機電功率的表征方式也從發(fā)電機電流改為發(fā)電機功率[3]。這產(chǎn)生了2個方面的問題，一是功率變送器本身在輸入信號快速變化時，輸出信號會畸變的問題[4]；二是因軟件邏輯回路的掃描周期受控制器工作能力的制約無法設(shè)置過低（一般會設(shè)置為50 ms以上，比如設(shè)置為100 ms），由此而造成的故障判斷問題。

在某些異常工況下，上述2個問題對PLU功能會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，以下在不考慮功率變送器造成的信號畸變情況下，重點討論掃描周期對PLU功能的影響。

2 掃描周期對PLU功能的影響

輸電線路開關(guān)重合閘的現(xiàn)象時有發(fā)生，特別是在一些雷電多發(fā)地區(qū)。由于輸電線路開關(guān)重合閘的時間一般在100 ms以內(nèi)，目前采用軟件回路搭建的PLU控制回路掃描周期也在同一數(shù)量級。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少應(yīng)為信號測量頻率的一半，并且功率變送器的測量時間常數(shù)也在100 ms左右，因此對于電功率的采樣就存在相當(dāng)大的誤差。而在PLU功能中，電功率的變化率被作為一個重要的判據(jù)來使用，控制系統(tǒng)掃描周期不同，系統(tǒng)計算出來的變化率就會有差異，以電功率變送器測量值的變化率作為PLU功能的判據(jù)是否合適值得深入討論。

圖1是PLU功能中電功率變化率測量仿真模塊。按電功率變送器時間常數(shù)為100 ms，采樣系統(tǒng)以零階保持模擬，電功率先下降至0，100 ms后重合閘成功，功率恢復(fù)，建立電功率測量回路模型。設(shè)電功率開始下降與采樣時刻重合，分別以100 ms，50 ms，10 ms的掃描周期對電功率信號變化率進(jìn)行采樣，所得仿真結(jié)果如圖2、圖3與圖4所示。

圖1 PLU功能中電功率變化率測量仿真

圖2 仿真原始信號

由圖4可見，不同的掃描周期下電功率的變化率不同，掃描周期越短，變化率就越大。由于采樣時刻很可能不與事故發(fā)生時刻重合，當(dāng)采樣時刻與事件發(fā)生時刻不同時，其變化率也不相同，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同的掃描周期和采樣時刻偏差對于信號的影響

可見，當(dāng)采樣時刻與事故時刻相同時，同一信號源下，掃描周期越小，電功率變化率的計算結(jié)果越大；當(dāng)掃描周期相同時，采樣時刻比事故時刻越滯后，電功率變化的計算結(jié)果越小。這一結(jié)果說明，在汽輪機PLU功能中，條件“汽輪機電功率瞬間變化率大于某一定值”是否滿足，與掃描周期以及采樣時刻密切相關(guān)。當(dāng)掃描周期較大時，同一外界事故下，該條件可能或不滿足，此時PLU動作有一定的不確定性。

由于專用卡件的掃描周期較短，這一問題影響不大，但當(dāng)使用軟件回路實現(xiàn)PLU功能時，PLU功能可否正常動作，取決于汽輪機電功率瞬間變化率的設(shè)置值，由于該值受掃描周期以及采樣時刻的影響，通常也難以確定。

目前許多機組DEH改造項目傾向于采用軟件組態(tài)的PLU邏輯代替原來由硬卡件所實現(xiàn)的PLU功能，由于DEH軟件組態(tài)掃描周期較長（一般都為50 ms以上），因此采用類似的功率變化率方式的PLU組態(tài)容易誤動和拒動[3]。如果要使汽輪機PLU保護(hù)功能正確動作，建議采用硬卡件實現(xiàn)保護(hù)邏輯，并且硬卡件的計算時間應(yīng)小于10 ms。

圖3 不同掃描周期下的電功率測量值

圖4 不同掃描周期下的電功率變化率的計算值

圖5 汽輪機甩負(fù)荷工況模型

3 掃描周期對于汽輪機甩負(fù)荷的影響

對于采用OPC（超速保護(hù)控制）預(yù)關(guān)調(diào)門、防止汽輪機超速保護(hù)功能的機組，掃描周期的快慢影響不大，而采用純轉(zhuǎn)速控制汽輪機超速的機組，采樣時間的快慢則有一定的影響。圖5是汽輪機甩負(fù)荷模型，設(shè)轉(zhuǎn)子時間常數(shù)為8 s，汽輪機時間常數(shù)為0.3 s，閥門時間常數(shù)為0.3 s，轉(zhuǎn)速不等率為5%，摩擦力矩為額定負(fù)荷的2.5%。改變不同的掃描周期（200 ms，100 ms，50 ms，10 ms），仿真結(jié)果表明掃描周期對于甩負(fù)荷工況下的最高轉(zhuǎn)速影響不大，具體結(jié)果如表2所示。

表2 掃描周期對轉(zhuǎn)子飛升的影響

但是，如果以200 ms采樣速率運行，則甩負(fù)荷時刻與采樣時刻的偏差帶來了一定的延遲時間，使轉(zhuǎn)速飛升更高，一般如果延時100 ms，約增加30 r/min的轉(zhuǎn)速飛升。

此外，由于汽輪機的主要容積環(huán)節(jié)為再熱器容積環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)子慣性環(huán)節(jié)，其再熱器時間常數(shù)大于10 s，轉(zhuǎn)子時間常數(shù)大于6 s。因此，常規(guī)DEH中的掃描周期都可滿足轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求。對于一次調(diào)頻等常見的電網(wǎng)頻率擾動，其頻率擾動時間通常均大于1 s，而小于1 s的頻率擾動較少，因此DEH控制掃描周期對其影響不大。

4 結(jié)論

（1）控制系統(tǒng)的掃描周期對汽輪機安全運行有一定影響，對于快速處理回路，規(guī)程中對掃描周期的規(guī)定“模擬量控制系統(tǒng)不大于125 ms，開關(guān)量控制系統(tǒng)不大于50 ms”的要求有時也無法滿足實際需要。

（2）汽輪機的PLU功能宜通過專用硬件實現(xiàn)，當(dāng)使用軟件邏輯實現(xiàn)時，應(yīng)盡可能地縮短控制器的掃描周期，合理確定電功率變化率的定值，但這也不足以確保該功能的正常動作，此類改造需慎重。

（3）對于純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)下的甩負(fù)荷工況，掃描周期越短，最高飛升轉(zhuǎn)速越低。對于采用保護(hù)方式（如OPC）實現(xiàn)甩負(fù)荷功能的系統(tǒng)，影響較小；對于常規(guī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和一次調(diào)頻控制功能，掃描周期小于200 ms均可適用。

[1]國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 659-2006火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程[S].北京：中國電力出版社, 2006.

[2]國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 774-2004火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)檢修運行維護(hù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2004.

[3]過小玲，鄭渭建.取消東汽機組PLU保護(hù)的可行性探討[J].浙江電力，2012，31（1）∶52-54.

[4]張寶，楊濤，項瑾，等.電網(wǎng)瞬時故障時汽輪機汽門快控誤動作原因分析[J].中國電力，2014，47（5）∶25-27.

（本文編輯：陸 瑩）

Influence of DEH Scan Period on Steam Turbine Control System

GU Zhenghao，ZHANG Bao，WU Wenjian，LU Cheng
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Digital electro-hydraulic control system（DEH）owns fixed scan period，but the controlled target is continuous system.Therefore the scan period to some extent influences governing and control system of steam turbine.The paper theoretically analyzes and discusses this issue through simulation methods.The result shows that scan period greatly influences overspeed protection of steam turbine while seldom influences steam turbine.The conclusion provides reference for design and retrofit of steam turbine control system.

steam turbine；scan period；control system；DEH

TK323

B

1007-1881（2015）09-0058-04

2015-07-15

顧正皓（1972），男，高級工程師，從事汽輪機及其控制技術(shù)、網(wǎng)源協(xié)調(diào)方面的研究工作。