新一代同步調相機直流油泵控制方案設計

黃金軍，楊鵬程，文耀華，王 慶，咸哲龍

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106；2.國家電網有限公司，北京 100031；3.上海電氣電站設備有限公司上海發電機廠，上海 200240)

0 引言

隨著我國超大容量、遠距離特高壓直流輸電工程的大規模建設與發展，特高壓送受端交流系統的動態無功需求特性與國外及國內傳統場景有著明顯差異，如特高壓直流大規模饋入受端系統的動態無功儲備顯著下降，電壓調節特性變差，電壓穩定問題突出。另一方面，隨著新能源電源的大量集中開發以及向邊遠地區擴展，電網架構薄弱的送端交流系統暫態過電壓問題日益凸顯，直流系統輸電能力嚴重依賴于送端火電開機方式，制約了清潔能源的送出[1]。

綜合特高壓直流送受端系統對動態無功的新需求，目前主流的動態無功補償裝置，如靜止無功補償器(static var compensator，SVC)及靜止無功發生器(static var generator，SVG)等優勢不明顯。系統需要具備次暫態及暫態響應快、短時過載能力強、對交流系統電壓依賴性弱等特點的動態無功設備[2-10]。為此，次暫態特性優、安全可靠性高、運行維護方便的新一代同步調相機應運而生。

潤滑油子系統是調相機系統的關鍵輔助系統之一。調相機是旋轉設備，需要潤滑油對相關軸承潤滑并散熱，潤滑油系統能否可靠、穩定運行至關重要。潤滑油系統的運行依賴于潤滑油泵及頂軸油泵的可靠運轉。在對這兩類油泵進行冗余度設計時，秉承特高壓換流站關鍵設備多重化及控制回路冗余的思路，采用“一主(交流油泵)、一備(交流油泵)、一遠備(直流油泵)”三重化冗余方式，保證潤滑油系統高可靠性運行。

本文通過介紹新場景下直流油泵的控制要求及常規控制方案，總結出常規控制方案存在的不足[8-10]；在常規方案的基礎上，進行硬件及控制策略的改進，得出適用于新一代調相機的直流油泵控制方案。該方案使得運行維護方便且可靠性高。目前，首批17臺調相機均采用此方案，現場運行穩定。

1 新一代調相機直流油泵控制要求

新一代調相機設計額定容量為滯相300 MV，進相 150 MV。分雙水內冷和純風冷兩種機型。潤滑油系統均配備“兩交一直”的潤滑油泵和頂軸油泵。

調相機在啟動、運行及停機過程中，正常情況下，交流潤滑油泵一臺工作、一臺備用，只有在兩臺交流潤滑油泵均工作異常或潤滑油母管壓力下降到一定值時，才需將直流潤滑油泵作為遠備啟動。

與直流潤滑油泵相比，直流頂軸油泵的啟動限制因素更多。正常情況下，頂軸油泵工作時間較短，僅在轉子轉速在0轉(不包括0轉)至某個轉速值(該值一般小于額定轉速，本文設為mr/min之間需運行，調相機并網運行時，頂軸油系統不工作。調相機轉速在0至m時，正常情況下，兩臺交流頂軸油泵一臺工作、一臺備用。只有在兩臺交流頂軸油泵均異常或頂軸油母管壓力下降到一定值時，才需要啟動直流頂軸油泵。

首批新型調相機均部署在特高壓換流站，調相機系統具有獨立于換流站控制系統的分散控制系統(distributed control system,DCS)，但監盤地點與換流站一致，均在換流站主控室。調相機廠房距主控室較遠，本著全站統一管理的原則，調相機系統應就地無人值班。所有附屬設備均需滿足高度自動化的遠程啟/停控制要求，包括獨立于DCS的直流油泵就地壓力與電氣聯鎖硬件回路的遠程自動投退。

2 常規控制方案

常規控制方案如下。

①直流油泵設有緊急啟動按鈕。該按鈕設置在集中控制室，在緊急情況下，由運行人員依據相關規程進行操作。

②DCS通過干接點信號與就地控制箱的二次控制回路接口，實現直流油泵的遠程控制。DCS遠程控制包括啟停信號；就地電控箱的反饋主要包括直流電源狀況，直流油泵遠控、運行、停止、勵磁欠流以及電流等信號。

③潤滑油/頂軸油母管就地壓力開關及交流油泵電氣聯鎖信號通過硬接線直接接入就地控制箱(下稱為“直流油泵就地硬聯鎖啟動回路”)。調相機運行時，若DCS發生故障，也能就地聯鎖啟動直流油泵。

常規控制方案存在以下問題。

①直流油泵緊急啟動按鈕觸發的啟動回路與DCS的其他控制功能存在共用板卡及機箱的可能性。當該板卡故障或其他功能引起該板卡或該機箱故障，緊急啟動功能有不可用的風險。

②調相機系統存在較多的緊急啟動按鈕，在緊急情況下，需要運維人員判斷選擇操作，有誤拍緊急按鈕的可能，給運維人員造成運維壓力。

③DCS采用單路信號采集及控制回路，單一元件故障易引發油泵的拒啟或拒停，直流油泵的動作可靠性降低。

④在調相機正常停機時，需人為退出直流油泵就地硬聯鎖啟動回路，否則直流油泵會誤啟。

⑤頂軸油泵存在工作的轉速區間，因調相機并網后頂軸油系統不需啟動，若無人為就地干預，直流頂軸油泵不能正確工作。

綜上，常規方案中控制回路獨立性及冗余度不夠，就地硬聯鎖啟動功能自動化水平過低。

3 控制方案改進

①緊急停機系統設計。

單元機組僅設置一個緊急按鈕，為緊急停機按鈕，不再單獨設置各直流油泵的緊急啟動按鈕；緊急停機系統電氣上獨立于DCS，電源及硬件專用；緊急停機按鈕采用雙按鈕方式，緊急停機系統觸發后聯啟直流頂軸油泵。

②DCS遠程監控。

為避免單一元件故障導致關鍵時刻油泵啟停可靠性低，新一代調相機采用I/O雙重化方案，即所有監控回路完全雙重化配置，就地控制箱相關啟停控制節點也雙重化配置。

③直流潤滑油泵。

設置在就地控制箱的就地硬聯鎖啟動功能增加“聯鎖投入”和“聯鎖退出”信號，均為短脈沖信號；就地控制箱對該兩信號進行自保持(雙繼電器冗余回路)，并反饋“直流潤滑油泵就地硬聯鎖回路已投入”冗余信號。

“聯鎖投入”信號由DCS輸出，邏輯為“TSI轉速大于零或交流潤滑油泵運行”；“聯鎖退出”信號也由DCS輸出，為保證聯鎖切除的正確性，邏輯建議為“TSI轉速等于零”與“人工后臺遙控確認信號”的與邏輯，進行人工后臺遙控操作時系統自動查詢“TSI轉速等于零”是否滿足，否則不允許進行后臺確認的操作。上述信號均冗余配置。

直流潤滑油泵控制如圖1所示。

圖1 直流潤滑油泵控制框圖

④直流頂軸油泵。

設置在就地控制箱的就地硬聯鎖啟動功能增加“聯鎖投入”和“聯鎖退出”信號，均為短脈沖信號；就地控制箱對該兩信號進行自保持(雙繼電器冗余回路)，并反饋“直流頂軸油泵就地硬聯鎖回路已投入”冗余信號。

“聯鎖投入”信號由DCS輸出，邏輯建議為“TSI轉速大于零且小于m，或交流頂軸油泵運行”；“聯鎖退出”信號也由DCS輸出，為保證聯鎖切除的正確性，邏輯建議為“TSI轉速等于零或大于m”與“人工后臺遙控確認信號”的與邏輯，進行人工后臺遙控操作時系統自動查詢“TSI轉速等于零或大于m”是否滿足，否則不允許進行后臺確認的操作。另外增加一個“系統崩潰指示”信號(如DCS雙電源故障等)，該信號直接與“聯鎖投入”信號并聯。上述信號均冗余配置。

直流頂軸油泵控制如圖2所示。

圖2 直流頂軸油泵控制框圖

⑤就地電控箱啟停直流油泵邏輯。

在直流潤滑油泵與直流頂軸油泵就地電控箱的就地壓力和電氣聯鎖啟動回路中增加雙重化的“聯鎖投入”與“聯鎖退出”信號，既保證聯鎖回路的自動投入，也可滿足在正常停機過程中直流油泵的安全停機，實現了遠程控制全覆蓋。

就地電控箱的啟停直流油泵邏輯框圖如圖3所示。

圖3 就地電控箱啟停直流油泵邏輯框圖

4 結論

本文通過歸納新需求下直流油泵的控制要求，論述了一般的常規控制方案，并以此為基礎，對緊急停機系統、DCS遠程監控回路可靠性、直流油泵控制回路及就地電控箱啟停直流油泵邏輯等方面進行研究并優化。該方案解決了常規方案中控制回路獨立性及冗余度不夠的問題，使控制可靠性得到提升；通過觸發并自保持等方式，實現了就地硬聯鎖啟動功能的自動化。新方案總體提升了潤滑油控制系統的可靠性，適用于新一代調相機系統。目前，首批17臺調相機均采用此方案，現場運行穩定。該方案還將進一步在其他調相機工程中推廣實施。