滄東電廠DCS系統(tǒng)交流電源快速切換測(cè)試及應(yīng)用

王玉國(guó)，田 宇

（國(guó)家能源集團(tuán) 河北國(guó)華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113）

目前，發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)與設(shè)備雙路交流220V電源供電采用較多的方案是全廠UPS和保安電源，兩路電源實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。由于發(fā)生多起機(jī)組一路交流電源電壓下降切換時(shí)，因自動(dòng)切換時(shí)間無法滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和計(jì)算機(jī)主系統(tǒng)的供電要求，導(dǎo)致控制系統(tǒng)或設(shè)備工作異常而引發(fā)事故。為此，國(guó)華滄東發(fā)電有限公司組織相關(guān)人員對(duì)交流雙電源進(jìn)行診斷分析，對(duì)不滿足要求的設(shè)備通過立項(xiàng)整改，消除了隱患，為熱控系統(tǒng)和機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

1 電源引起的故障

案例1：廣東某電廠#1機(jī)組，由于電氣事故引起發(fā)電機(jī)跳機(jī)，廠用電失去，循環(huán)水為公用系統(tǒng)，主工作電源取自#1機(jī)組，循環(huán)水電源切換裝置采用機(jī)械式切換開關(guān)，動(dòng)作時(shí)間約為1s。因切換時(shí)間太長(zhǎng)，造成水壓不足引發(fā)#2發(fā)電機(jī)跳閘，造成全廠兩臺(tái)1000MW機(jī)組全部停電的惡性事故。

圖1 爐側(cè)控制電源Fig.1 Furnace side control power

案例2：河南某發(fā)電廠，由于UPS異常，造成輸出電源低至148V，DEH電源采用的是交流接觸器切換，沒有切換到第二路電源，造成DEH控制電源失電，引起機(jī)組跳閘，而其他單元采用的是具有電壓判據(jù)的切換模式，可以正常切換到備用電源。

由于電源異常引起的案例遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)電源引起的故障幾乎占到熱控總故障的10%以上。

2 原有設(shè)備電源切換測(cè)試

上述電源故障，表明了電源可靠性對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行的重要性。為了防止類似故障在國(guó)華滄東發(fā)電有限公司機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生，利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)，以3號(hào)機(jī)組為對(duì)象，對(duì)熱控DCS、DEH、MEH、ETS、TSI、旁路、火檢、外圍PLC等控制系統(tǒng)、環(huán)保表計(jì)等電源，進(jìn)行交流切換測(cè)試，以獲得現(xiàn)有交流雙電源切換設(shè)備的性能指標(biāo)作為依據(jù)，為定量評(píng)估雙電源切換的整體現(xiàn)狀提供基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

測(cè)試前應(yīng)做好準(zhǔn)備工作，核對(duì)電源開關(guān)與進(jìn)線開關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系正確；盤柜內(nèi)相關(guān)電源連線和柜內(nèi)各開關(guān)標(biāo)識(shí)無誤，并準(zhǔn)備好試驗(yàn)設(shè)備，可采用：

1）智能電源監(jiān)測(cè)儀ZR-PM-201記錄切換波形，該監(jiān)測(cè)儀具有高速瞬態(tài)記錄模式，高刷新率、高采樣率，完全自動(dòng)記錄，無需人工干預(yù)等特點(diǎn)。

2）可編程交流變頻電源，型號(hào)為APS5001A，用于改變輸入電源的頻率、電壓等，模擬發(fā)生頻率異常和電壓異常，觀察電源切換情況。

上述準(zhǔn)備工作完成后，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)與裝置電源逐一送電，核對(duì)對(duì)應(yīng)關(guān)系是否正確。

根據(jù)先前核查，熱控系統(tǒng)與設(shè)備交流雙電源，主要采用接觸器、機(jī)械式開關(guān)類切換，下面分別進(jìn)行測(cè)試。

圖2 DCS監(jiān)控系統(tǒng)電源Fig.2 DCS monitoring system power supply

2.1 接觸器類切換

1）接觸器類切換現(xiàn)場(chǎng)

測(cè)試時(shí)，選擇爐側(cè)控制電源柜、機(jī)側(cè)控制電源柜、DCS監(jiān)控系統(tǒng)電源的雙電源切換開關(guān)，其中爐側(cè)電源兩個(gè)接觸器現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，DCS監(jiān)控系統(tǒng)電源兩個(gè)接觸器現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

2）接觸器類切換原理

切換電氣原理圖如圖3所示，其切換是利用接觸器線圈的電壓，低于其釋放電壓時(shí)進(jìn)行切換。采用的是1Q接觸器的常閉觸點(diǎn)串在2Q接觸器的線圈，同樣2Q接觸器的常閉觸點(diǎn)串在1Q接觸器的線圈，這樣可以在主工作的1Q接觸器釋放常閉觸點(diǎn)閉合，接通2Q接觸器線圈，輸出電源切換到電源2。

3）切換時(shí)間——波形分析

正常工作在輸入1電源，測(cè)試記錄如圖4所示。根據(jù)切換波形分析，可以看出輸入1電源的幅值已經(jīng)比較低的情況下，輸出電源也跟隨輸入1電源保持在較低的電壓，而此時(shí)輸入2是正常電源，幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸入1電源，但接觸器的工作特性造成線圈并未釋放，所以整個(gè)輸出一直維持在電壓低的輸入1電源，在第一路電源電壓繼續(xù)下降到額定電壓的60%時(shí)，第一路接觸器線圈釋放輸出斷電，經(jīng)過約30ms，第二路接觸器動(dòng)作輸出電源才切換到第二路。

4）接觸器切換優(yōu)缺點(diǎn)分析

接觸器接線簡(jiǎn)單，只需要兩個(gè)接觸器利用其線圈聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)雙路電源自動(dòng)切換。缺點(diǎn)是沒有切換判據(jù)，只能依靠接觸器線圈的釋放切換，容易造成主電源低電壓情況下不能切換到電壓正常的第二路電源，線圈長(zhǎng)時(shí)間帶電，消耗能量，也容易引起接觸器線圈發(fā)熱。

圖3 切換電氣原理圖Fig.3 Switching electrical schematic

圖5 機(jī)械開關(guān)切換原理圖Fig.5 Schematic diagram of mechanical switch switching

圖4 測(cè)試記錄Fig.4 Test record

2.2 機(jī)械開關(guān)類切換

1）機(jī)械開關(guān)類切換原理，如圖5所示

機(jī)械式ATS開關(guān)是由控制器和開關(guān)本體兩部分構(gòu)成，控制器是負(fù)責(zé)判斷的總指揮，開關(guān)本體是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有電磁（電機(jī)或線圈）驅(qū)動(dòng)，機(jī)械保持的特點(diǎn)。

從圖5中看出，控制器是采用單片機(jī)控制的核心單元，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是雙線圈的彈簧操作機(jī)構(gòu)，正常工作狀態(tài)是靠彈簧將輸出鎖定在某一路，當(dāng)控制器監(jiān)測(cè)到工作電源電壓、頻率異常時(shí)，就會(huì)發(fā)出切換指令給備用電源的合閘線圈，將輸出電源由主電切換到備用電源，切換完成后由開關(guān)控制器撤回切換指令，同時(shí)利用開關(guān)的輔助觸點(diǎn)斷開備用工作線圈，達(dá)到線圈不帶電的工作狀態(tài)。

2）機(jī)械開關(guān)類切換現(xiàn)場(chǎng)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形圖

圖6是ETS電源柜的安裝現(xiàn)場(chǎng)，是機(jī)械式雙電源切換開關(guān)。圖7是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形圖，圖7中U1a為備用電源，U2a為工作電源，U3a為輸出電源。當(dāng)工作電源U2a失電，輸出U3a也斷電，大約斷電280ms左右，整個(gè)切換時(shí)間完成，輸出電源切換到備用電源。

圖6 ETS電源柜的安裝現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Installation site of EPS power cabinet

圖7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形圖Fig.7 Field test waveform

圖8 雙電源切換時(shí)間分析Fig.8 Analysis of dual power supply switching time

圖9 STS靜態(tài)開關(guān)原理圖Fig.9 STS Static switch schematic

圖10 通用精簡(jiǎn)指令集內(nèi)核Fig.10 General reduced instruction set kernel

3）機(jī)械開關(guān)類切換優(yōu)缺點(diǎn)分析

由于這個(gè)產(chǎn)品原來的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用場(chǎng)合屬于市電和柴油機(jī)的切換，所以控制器的設(shè)計(jì)原理并不是專門為自動(dòng)化行業(yè)不停電的快速切換而設(shè)計(jì)，控制器的判斷時(shí)間大多數(shù)比較長(zhǎng)，目前已經(jīng)發(fā)生多起由于切換時(shí)間不滿足，造成機(jī)組非停的案例。

根據(jù)上述切換試驗(yàn)，可知機(jī)組電源開關(guān)存在不安全隱患。當(dāng)工作電源下降時(shí)，存在備用電源切換供電不及時(shí)的可能，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生工作異常，甚至導(dǎo)致機(jī)組誤跳閘。

3 交流靜態(tài)切換開關(guān)（STS）關(guān)鍵技術(shù)

交流靜態(tài)切換開關(guān)（Static Transfer Switch）是用于兩路交流輸入之間快速轉(zhuǎn)換的設(shè)備，主要應(yīng)用于高可靠設(shè)備供電場(chǎng)合[1]。當(dāng)一路電源異常時(shí)，能在很短時(shí)間內(nèi)（一般為1/4周波5ms）切換至另外一路，保證負(fù)載設(shè)備不斷電，不發(fā)生異常工況。

3.1 STS關(guān)鍵技術(shù)

STS靜態(tài)開關(guān)一般由輸入電壓/電流檢測(cè)回路、邏輯控制回路、輸出驅(qū)動(dòng)回路以及功率切換部分組成，其他輔助部分還有顯示控制電路、通訊單元等。圖9是STS靜態(tài)開關(guān)切換原理圖。其切換的關(guān)鍵點(diǎn)是要快速、準(zhǔn)確識(shí)別出電源異常，并使異常回路的功率開關(guān)元件關(guān)斷；在確保關(guān)斷后，才能開通另外一路功率器件，避免雙路電源之間的短路（合環(huán)）。

3.2 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換處理技術(shù)

對(duì)交流電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要對(duì)波形進(jìn)行瞬時(shí)采樣記錄，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，對(duì)于處理器的計(jì)算能力要求比較高。

Cortex內(nèi)核是ARM公司為嵌入式設(shè)備/移動(dòng)設(shè)備開發(fā)的通用精簡(jiǎn)指令集內(nèi)核，如圖10所示，它具有指令集簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高，超低功耗等特點(diǎn)。通過對(duì)電源監(jiān)測(cè)儀的軟硬件功能分析，確認(rèn)使用該系列處理器完全可以滿足設(shè)備需求。同時(shí)，大量經(jīng)驗(yàn)證過的通用例程可以節(jié)約很多開發(fā)/驗(yàn)證時(shí)間，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)以及時(shí)間成本。

ADC采樣電路使用目前國(guó)內(nèi)大量使用的8通道16位ADC，采樣率可達(dá)250KHz，同時(shí)內(nèi)部集成了可配置的低通濾波器以及過采樣數(shù)字濾波器，支持16bit并行接口以及高速串行接口，方便數(shù)據(jù)傳輸。

實(shí)際硬件方案中，為了能夠最大限度發(fā)揮高速ADC高采樣率的特點(diǎn)，減少CPU對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理時(shí)間，將ADC采樣的數(shù)據(jù)分為兩個(gè)通道，其中一路由CPU讀取，片內(nèi)的DSP處理單元實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)事件判別，有效值計(jì)算等功能[2]；另一路由FPGA芯片直接讀取原始數(shù)據(jù)流，緩存在雙口RAM中，一旦需要有存儲(chǔ)波形的事件發(fā)生，CPU可以直接將雙口RAM中緩存的頁(yè)面轉(zhuǎn)移到FLASH中作為錄波文件存儲(chǔ)[2]。高速數(shù)據(jù)接口示意圖如圖11所示。

圖11 高速數(shù)據(jù)接口示意圖Fig.11 Schematic diagram of high-speed data interface

圖12 交流靜態(tài)切換電路Fig.12 AC Static switching circuit

3.3 快速電壓跌落檢測(cè)算法

本技術(shù)難點(diǎn)在于快速識(shí)別輸入電源暫降/跌落的發(fā)生，同時(shí)又不容易被工頻交流信號(hào)中的高次諧波、相位突變等非周期分量干擾，產(chǎn)生誤切換。檢測(cè)單相電壓暫降的方法有很多，常見的有缺損電壓法、有效值判別法、d-q變換等。

通過對(duì)各種算法的分析比較，結(jié)合現(xiàn)有硬件DSP內(nèi)核的數(shù)據(jù)處理能力，采用兩種算法互補(bǔ)的策略。采用缺損電壓法先進(jìn)行粗略判別，識(shí)別出電壓跌落的可能性，同時(shí)啟動(dòng)放電加速回路[3]；再由d-q變換算法精確判斷出系統(tǒng)擾動(dòng)的性質(zhì)，決定是否進(jìn)行切換。

3.4 大功率晶閘管切換回路控制以及過壓防護(hù)技術(shù)

交流靜態(tài)切換電路如圖12所示，工作在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等惡劣環(huán)境下，必須保證切換邏輯準(zhǔn)確無誤，因此可控硅的觸發(fā)電路設(shè)計(jì)尤為重要；同時(shí)在滿載切換過程中會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓以及浪涌電流，尤其是負(fù)載特性為大的容性或感性負(fù)載時(shí)更為嚴(yán)重。因此，需要設(shè)計(jì)可靠的防護(hù)電路，避免對(duì)功率器件造成損害。

采用低延遲、低阻抗的脈沖變壓器，使門極觸發(fā)脈沖窄而穩(wěn)定，在不增加驅(qū)動(dòng)電路功耗的前提下，晶閘管可以可靠導(dǎo)通并維持穩(wěn)定狀態(tài)[4]。關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，低阻抗回路能有效降低電磁干擾對(duì)門極的影響，避免晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)通。

晶閘管主回路中并聯(lián)的RC回路瞬間呈現(xiàn)低阻抗，將尖峰能量吸收，避免晶閘管收到擾動(dòng)而誤導(dǎo)通。切換裝置的輸入端與輸出端，都設(shè)計(jì)有MOV過電壓吸收回路[5]，防止系統(tǒng)以及負(fù)載產(chǎn)生的瞬時(shí)過壓對(duì)裝置產(chǎn)生影響。

4 總結(jié)

綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)使用的雙路電源切換開關(guān)（裝置）較多，不同廠家配置差異較大，沒有充分考慮切換的原理和使用的局限性。各廠家產(chǎn)品資料對(duì)于技術(shù)性能只是強(qiáng)調(diào)了優(yōu)點(diǎn)，比如ATS開關(guān)標(biāo)注觸頭轉(zhuǎn)換時(shí)間，而沒有標(biāo)注控制器判斷時(shí)間和電機(jī)（線圈勵(lì)磁）時(shí)間，多數(shù)ATS切換開關(guān)（PC級(jí)和CB級(jí)）帶有控制器的切換開關(guān)，切換時(shí)間往往都在100多毫秒至1秒之間，而發(fā)生電源切換的時(shí)間往往是事故情況下，對(duì)電壓下降且負(fù)載電源的要求尤為重要，所以應(yīng)了解重要負(fù)荷使用的切換裝置的特點(diǎn)以及負(fù)載特性，應(yīng)在事故發(fā)生前，消除其潛在的隱患。

因此，通過試驗(yàn)，對(duì)有隱患存在的電源切換回路，建議在有條件的情況下，使用新型靜態(tài)切換開關(guān)（STS），以實(shí)現(xiàn)更高速度的切換速度，做到任何情況下都能實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)雙路交流切換，使DCS系統(tǒng)重要電氣設(shè)備更加可靠地運(yùn)行。