300MW火電機組保安電源系統控制優化

李國浩，屈佳賓，李仁政

（1.神華國華三河發電有限責任公司，河北 三河 065201；2.神華內蒙古國華準格爾發電有限責任公司，內蒙古 準格爾 033399）

300MW火電機組保安電源系統控制優化

李國浩1，屈佳賓2，李仁政2

（1.神華國華三河發電有限責任公司，河北 三河 065201；2.神華內蒙古國華準格爾發電有限責任公司，內蒙古 準格爾 033399）

本文主要對某300MW火電機組保安電源系統進行分析，發現了其二次控制系統在設計上存在的問題，并提出了相應的優化技術方案，對保安電源系統二次側PLC裝置判據單一、檢修狀態下PLC裝置切換邏輯無法執行等問題進行了完善，優化后的保安電源系統二次側控制具有功能完整、可靠性高、維護方便等特點。

保安電源；PLC；控制邏輯；電壓異常；保護

所謂保安負荷，是指為保證機組安全，在發電機組事故停機、單元系統停機時必須保持運行的負荷，主要包括熱控控制系統電源、交流不間斷電源、汽輪機交流潤滑油泵電源、汽輪機盤車油泵電源、發電機密封油泵電源及事故照明電源等。一旦發生保安負荷停運，則會引起機組主設備損壞、自動控制系統失靈等嚴重問題，造成機組的非正常停運，延遲機組恢復供電時間，其經濟損失和負面影響不可估量。《大中型火力發電廠設計規范》（GB50660-2011）中規定：容量為200MW及以上的機組應設置交流保安電源。火力發電廠中的保安電源為發電機組保安負荷提供交流電源，是保障電廠安全運行的重要電源，具有非常重要的作用。機組正常運行時，由400V低壓廠用電系統對保安段負荷供電，當廠用電中斷時，要求保安備用電源系統必須可靠切換，保證保安負荷的持續供電，防止重要設備發生損壞，以確保安全停機和保證機組主設備的安全。本文針對某電廠二期300MW機組保安電源切換邏輯設計、二次側控制回路設計及系統控制與保護之間的配合進行深入分析，找出缺陷的根本原因，通過對邏輯與控制回路進行優化、合理配置保護，改善提高了保安電源切換的可靠性。

1 廠用保安電源接線運行方式

某電廠二期#3、#4兩臺300MW發電機組，每臺發電機組由高廠變為兩段6kV廠用工作段供電，每段6kV廠用段設置兩臺工作變，分別為#3機組400V低壓廠用工作PC1、2段，#4機組400V低壓廠用工作PC1、2段供電。在正常運行時，由各自工作PC段為400V保安31、32段，保安41、42段負荷供電。其中#3機組400V低壓廠用工作PC1、2段至保安段兩路電源進線開關互為備用；#4機組400V低壓廠用工作PC1、2段至保安段兩路電源進線開關互為備用。400V保安31、32段，41、42段第二工作備用進線分別取自一期#1、#2機組6kV公用01、02段，經各自保安變后為保安系統進行供電。

2 系統原設計概況

以#4機組保安41段運行為例，保安41段工作電源進線開關來自#4機組400V低壓廠用工作PC1段的工作電源進線A開關，備用電源進線開關來自#4機組400V低壓廠用工作PC2段工作電源進線B開關。從一期6kV公用02段經保安變的工作電源進線C開關作為第二備用工作電源進線開關。系統接線情況如圖1所示。

圖1 #4機組保安41段一次系統圖

#4機組正常運行時，400V保安41段由400V低壓廠用工作PC1段供電，工作電源進線A開關處于合閘位置。兩個備用工作電源進線開關處于分閘位置作為備用。若發生工作電源進線開關跳閘，PLC控制系統向第一備用電源開關發出合閘信號并立即合閘，若第一備用電源開關在設定范圍時間內未能合閘，則PLC控制系統向第二備用電源開關發出合閘信號并立即合閘。PLC控制系統還通過加裝在電源進線、保險下口的電壓變送器對系統線電壓進行實時監測，如檢測到保安段母線電壓較低，也會跳開工作電源開關，同時向第一備用電源開關發出合閘信號并立即合閘。當第一備用電源開關合閘后母線電壓較低，則跳開第一備用電源開關，同時向第二備用電源開關發出合閘信號并立即合閘，保證對保安段的不間斷供電。400V保安41段切換邏輯如圖2所示。

圖2 工作電源進線開關合閘邏輯關系圖

這里需要說明的是，備用工作電源進線開關的合閘條件必須檢測到工作電源進線開關已在分閘位置，備用電源進線開關自身在分閘位置無相關故障信號，且開關進線上口線電壓正常。根據PLC控制邏輯，系統正常運行時手動拉開工作電源進線開關或工作電源進線開關跳閘以后，備用電源進線開關應自動合閘。而第二備用工作電源進線開關的合閘條件為工作電源進線開關和備用電源進線開關已跳閘，一期6kV公用02段電壓大于第二備用工作電源進線開關啟動電壓值，且開關自身在分閘位置無相關故障信號。

3 事故概況及主要原因分析

3.1 廠用保安電源失電過程

#4機組在某次檢修期間，機組41保安段由工作電源進線A開關合閘供電，備用工作電源進線B開關處于檢修狀態，第二備用電源進線C開關處于熱備用狀態。事發時因工作電源進線A開關電壓變送器故障導致PLC控制系統誤判斷保安系統母線電壓異常，隨后跳開工作電源進線A開關并執行切換程序，而第二備用電源進線C開關也未能合閘，最終造成了#4機組41保安段失電。

3.2 問題原因分析

（1）PLC控制系統判據單一

PLC控制系統對于400V保安段母線低電壓異常現象存在判據單一、邏輯簡單的問題。工作電源進線A開關、備用電源進線B開關和第二備用電源進線C開關在各自進線上均安裝有電壓變送器，對各自開關進線的A、C兩相電壓進行實時采樣，計算出線電壓值并輸出二次值至PLC控制系統作為母線電壓異常判據。當母線真正發生電壓異常情況時，此設計可以保證開關間的正常切換，但當電源開關進線處電壓回路中保險熔斷、或電壓變送器發生故障，而實際母線電壓正常時，則會造成PLC控制系統誤跳電源進線開關，并啟動備用電源投入。而備用電源所供電壓與保安段母線電壓多少會存在一定角度差，這樣會對保安段母線電壓以及負荷造成沖擊。

（2）聯啟回路設計不合理

A、B、C三路電源進線開關合閘回路在設計時均串接入了另外兩個開關的跳位常開接點，當開關分閘時接點處于閉合狀態。以工作電源進線A開關運行為例，此時的備用電源進線B開關和第二備用電源進線C開關處于分閘狀態，則保證了工作電源進線A開關的合閘回路時刻保持連通，而B、C開關的合閘回路中因串接了A開關的接點，所以處于斷路狀態。當保安電源進行切換時，PLC控制系統首先會發出A開關跳閘指令，A開關跳閘后，串接在B、C開關合閘回路中的A開關跳位接點此時會閉合，隨后PLC控制系統會發出B開關合閘指令，同時B開關合閘完成切換。但此設計存在的問題是，當任一開關處于檢修狀態時會使其串接在其它開關的接點處于打開狀態，這樣會造成另兩臺開關合閘回路斷路，當保安電源需要切換時無法完成切換。工作電源進線A開關二次側接線圖如圖3所示。

圖3 優化前工作電源進線開關二次側接線圖

上述兩個問題是造成本次#4機組保安41段失電的主要原因。

4 解決問題的可行性優化方案

（1）對于保安段母線低電壓異常問題，我們必須清楚當A、B、C開關中任一開關處于合閘狀態，且出現開關電壓回路中的保險絲熔斷或電壓變送器故障等問題時，如果此時400V母線電壓正常，開關是不必切換的。所以在保安PC段母線處新加裝了一組電壓變送器，從保安PC母線上抽取A、C相電壓作為模擬量送至新增變送器，目的是為了對母線A、C相電壓進行實時采樣并輸出二次值至PLC控制系統，與原有的進線電壓判據構成組合判據。只有當兩個判據同時滿足，PLC控制系統才會發出切換指令，而任一電壓元件出現故障時只會發出報警，不會發生誤跳工作電源開關。同時對于各備用電源進線開關來說，參與合閘判別條件中補充了開關進線所在母線電壓檢測條件，與開關進線上口電壓檢測構成了組合判據。

（2）保安電源系統增加電壓異常判據條件后，對于電壓元件發生的故障需要及時發現并處理，所以在保安電源進線柜處增加母線電壓異常報警繼電器JMX，將報警信號傳送至機組DCS控制系統中，同時在DCS控制系統的保安電源系統監視畫面中增加報警信息窗口。當A、B、C三路保安電源任意一路母線處出現電壓異常狀況時發出報警，運行值班人員能夠及時發現，并根據報警信息準確做出判斷，隨后通知維護人員迅速處理故障，在最短時間內恢復正常運行狀態，避免事故的繼續擴大。

（3）針對電源開關合閘回路接點問題，現在A、B、C三路電源進線開關處各加裝一多接點兩位置轉換開關，其兩位置狀態分別定義為“開關工作、試驗位置”和“開關檢修位置”，并做好標識，在新增轉換開關取兩對常開接點配二次線至端子排，并接在本路開關至其他兩臺開關的跳位接點上。當任一開關檢修需要將開關拉至檢修位置前，將轉換開關切至“開關檢修位置”，即可短接另外兩臺開關合閘回路中的跳位閉鎖接點，使其合閘回路仍然貫通。如此即可正確執行PLC切換命令。優化后的工作電源進線開關二次側接線圖如圖4所示。

圖4 優化后工作電源進線開關二次側接線圖

上述優化完成后，當參與PLC控制系統低電壓邏輯判據的單一電壓元件故障時，不會出現誤跳所屬開關的情況，而只發報警信號。當工作電源開關上級電壓異常且伴隨母線電壓異常時才會發出跳閘指令，并執行下一步切換程序；如A、B、C三路電源開關任一路開關進行檢修時，只需將新增位置轉換開關投至“開關檢修位置”，從而保證了其余開關能夠繼續正確的執行PLC切換指令。

5 控制邏輯與保護配合研究

#3、#4機組廠用電系統低壓廠用變壓器中性點采取經高阻接地方式，屬于小電流接地系統。以保安段為例，當某一負荷出現單相接地短路故障時，由于系統電壓對稱性并未被破壞，流經故障點的電流也僅為系統的電容電流，所以故障電流數值較小，即便發生故障后系統也可以繼續運行一段時間。但隨著運行時間的增加，非故障相對電壓的升高很可能導致設備絕緣擊穿，從而演變成相間短路、兩相或多相接地。當發生相間短路、多相接地短路故障時，則會出現短路電流增大、線電壓降低現象，這時用于保護負荷的快速過流保護就會啟動并動作以切除故障點。與此同時，由于故障點處電壓的降低會導致保安段母線電壓降低，當達到PLC控制系統母線低電壓判據動作值時，PLC控制邏輯判斷保安段母線電壓異常，從而發出切換保安電源的指令。

5.1 保護配置情況

目前保安段系統保護配置情況如下：電源進線開關使用施耐德MT型框架斷路器，配置長、短延時過流保護，其中短延時過流保護延時0.3秒動作；負荷類開關使用施耐德NS型塑殼斷路器，配置瞬時過流保護實現無延時動作，部分負荷還裝設有馬達控制器保護裝置，所配置保護種類包括過負荷保護、三相不平衡保護、剩余電流保護、啟動超時保護、堵轉保護、失壓重啟動保護。保安系統中還有一部分負荷，如磨煤機潤滑油泵、空預器油泵、火檢風機等，在二期機組建設初期設計階段并未考慮進行保護配置，當上述負荷處出現多點接地及相間短路等復合型故障時，只能依靠該段電源進線開關處的短延時過流保護動作跳閘，以達到切除故障點的目的。

5.2 存在的主要問題

從圖2可以看出，保安段切換邏輯由工作電源進線開關自身跳閘，或因母線電壓異常導致工作電源進線開關分閘中的任一方式啟動并驅使進行。此時無論是因故障短路電流增大導致保護動作。還是因故障致使的母線電壓降低造成的電源開關切換，在切換完成后因故障點依舊存在。備用電源開關的合閘條件經優化后，開關進線上口及母線電壓均正常并滿足要求，所以在故障點不會被切除的情況下保安電源會循環進行切換，這樣勢必會造成故障越級，擴大事故影響范圍，甚至會造成重要設備的損壞及機組停運。

若保安段母線處出現故障點時，需要靠工作電源進線開關的短延時過流保護動作以切除故障母線。PLC控制系統內部邏輯切換脈沖指令發出時間約為5毫秒，控制回路中用于合閘和分閘的中間繼電器動作時間各為20毫秒，開關合閘時間約為100毫秒，分閘時間約50毫秒，所以整體切換時間約為0.3秒左右，與保護的延時動作時間基本相同，也就是說當實際情況發生時電源開關切換會優先于保護動作。同時，頻繁的切換也會使故障點因失去電源而影響到故障電流的大小，未必能滿足保護動作條件。綜上所述，目前的保護與控制系統存在時間級差配合不當的問題。

除此之外，當區外發生故障時可能會引起保安段母線電壓的降低并達到切換動作值，PLC邏輯判斷時間過短會造成保安段的無事故切換。

5.3 改進處理措施

對于自身無任何保護的保安負荷，為了避免在發生復合性故障時自身無保護問題，應按照目前已配置的保護方案加以配置，確保當故障出現后第一時間做出響應并迅速切除故障，避免故障越級跳閘，降低保安電源系統的可靠性。針對保安電源母線上出現的故障，以及發生區外故障時切換過于靈敏的問題，需要在PLC切換指令邏輯中增加不低于0.7秒的延時時間，這樣使切換指令從發出至電源完成切換的時間不少于1秒。保證切換控制與瞬時過流保護、短延時過流保護、區外過流保護之間滿足級差時間上的要求，達到保護先于切換動作的效果。

對于上述改進需要說明的是，當保安電源切換邏輯增加延時后，保安負荷在實際切換過程中能夠依靠馬達控制器保護裝置中的失壓重啟動保護功能完成自啟動，不必擔心因切換時間過長導致的保安負荷失去問題。同時，保安負荷在設計時遵循冗余配置原則，當工作負荷因故障跳閘時，機組DCS系統執行保安負荷聯啟邏輯控制備用負荷實現無延時啟動。當維護人員完成對工作負荷的檢查處理后，由運行人員操作將其投入至熱備用狀態，此時的工作負荷則作為備用繼續參與聯啟邏輯。

6 結語

發電機組保安電源系統的安全運行一直是電氣專業非常重視的問題。本文所介紹的2×300MW發電機組保安電源系統利用了PLC控制系統邏輯配置靈活、組態方便的優勢特點，通過與保護之間進行合理配合，并結合DCS系統的遠方控制來實現保安電源的可靠備用自動投入。系統經過上述技術改進和優化后，電源開關的動作和切換更可靠、更靈活，同時也完善了備用電源自投退功能。改進后的切換邏輯及回路功能經過現場調試及多次試驗后已成功應用于二期兩臺機組。下一步工作需結合機組檢修對保安系統進行保護配置上的完善，并通過模擬試驗加以驗證，為機組的安全、穩定運行奠定基礎。

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TM621

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