大型水電機組調速系統黑啟動流程設計與實現

余明明，李 輝，汪 林，丁萁琦

(中國長江電力股份有限公司溪洛渡水力發電廠，云南 永善 657300)

水電站黑啟動是指在廠用交流電全部消失的情況下，利用水電站事故備用電源(如柴油發電機等)實現某一臺具有黑啟動功能的機組正常啟動、建壓，再通過該機組恢復廠用交流電，逐漸恢復其他機組正常啟動并配合調度系統恢復對外供電[1]。

當前，我國的電網系統通過改變系統運行方式(如通過柔性直流輸電實現兩個電網“背靠背”異步聯網運行)等措施來提高電網安全穩定性，使得發生大面積停電事故的幾率不斷下降，但因我國幅員遼闊、電網覆蓋面積巨大，且近些年來極端災害天氣發生的頻率較以往有所提高,所以不能完全排除發生大面積停電事故的可能性。如何在發生大面積停電事故時迅速恢復供電、減少停電造成的損失成了當務之急。

水電機組因開機快、啟動簡單的特點，決定了水電站比較適合作為電網系統黑啟動的電源電站。在水電機組黑啟動的過程中，調速系統擔當廠用交流電“動力系統”的角色。不同于平時常見的“空載態”、“負載態”，“黑啟動態”要求從硬件回路、程序邏輯等方面進行重新設計，下文就這兩個方面進行簡要討論。

1 調速系統黑啟動態概述

“黑啟動態”可以看作大型水電機組調速系統除“空載態”、“負載態”之外的第三種狀態；與另外兩種狀態相比，它具有以下特點：

1)與“空載態”相同，調速系統“黑啟動態”均運行于頻率模式，但兩者調節的目標值不同：“空載態”頻率調節的目標值為“50 Hz±滑差”，而“黑啟動態”頻率調節的目標值為“50 Hz”；

2)與“負載態”相同，調速系統在“黑啟動態”時均帶負載，但“黑啟動態”下調速系統僅帶廠用電設備運行，與正常“負載態”相比，機組此時的有功功率要小很多。

綜上所述，調速系統“黑啟動態”可以看作一種特殊模式的“負載態”，以穩定頻率在“50 Hz”為控制目標，同時帶孤立電網系統的低負載設備運行。

2 調速系統黑啟動硬件回路設計

與其他兩種狀態不同，調速系統不能主動通過采集外部信號并通過程序判斷進入相應狀態，而是需要接受監控系統“黑啟動狀態啟動命令”或“黑啟動狀態復歸命令”，再綜合其他輸入信號進行邏輯判斷后進入或退出“黑啟動態”，同時將相關信號反饋給監控系統[2]。因此，調速系統黑啟動硬件硬件回路主要包含兩個部分：控制命令接收和狀態信號反饋。

2.1 調速系統黑啟動控制命令接收

調速系統黑啟動控制命令來自于監控系統。監控系統通過PLC的開關量輸出(DO)模塊，將“黑狀態啟動命令”或“黑啟動狀態復歸命令”下發至調速系統PLC的開關量輸入(DI)模塊。一般的，該命令為3 s脈沖；同時，為了避免兩套不同系統之間PLC模塊串電，監控系統的命令經過開出繼電器進行隔離后再下發至調速系統，如圖1所示。

圖1 調速系統黑啟動控制命令接收回路示意圖

2.2 調速系統黑啟動狀態信號反饋

調速系統進入或退出“黑啟動態”后，需將自身的狀態信號反饋給監控系統，以便于監視和控制。一般的，該狀態信號是調速系統PLC的DO模塊送至監控系統PLC的DI模塊。除了因防止兩套不同系統模塊串電而加裝調速系統狀態反饋信號繼電器外，為隔離需要，調速系統PLC的DO信號還需經過光隔離模塊后，才將信號下發至反饋信號繼電器，并通過該繼電器將信號上送至監控系統，如圖2所示。

圖2 調速系統黑啟動狀態信號反饋回路示意圖

3 調速系統黑啟動程序邏輯設計

調速系統黑啟動程序邏輯設計主要包含三個方面：輸入/輸出信號定義、黑啟動態定義及三種狀態轉換邏輯和黑啟動態控制流程[3]。下文就從該三個方面內容展開討論。

3.1 輸入/輸出信號定義

如本文第2部分所述，調速系統黑啟動輸入信號包含兩個，分別是“黑狀態啟動命令”和“黑啟動狀態復歸命令”；調速系統黑啟動輸出信號只有一個，即“調速系統黑啟動狀態”。調速系統黑啟動輸入/輸出信號定義如表1所示。

表1 調速系統黑啟動輸入/輸出信號定義

3.2 黑啟動態及三種狀態轉換邏輯

如本文第1部分所述，調速系統黑啟動態與其他兩種狀態有相似也有不同，因此需要重新對“黑啟動態”重新進行定義，使之成為與另外兩種狀態并列的第三種狀態：該狀態擁有獨立的判斷邏輯、控制流程和控制參數；同時為避免各狀態相互切換時出現紊亂，需對三種狀態之間的轉換邏輯進行界定和明確。

3.2.1 調速系統黑啟動態定義

調速系統黑啟動態，即調速系統在“空載態”的基礎上帶低負載的廠用電設備運行狀態。一般情況下，調速系統進入黑啟動態包含以下兩種工況：

1)調速系統開機過程中接收到監控系統下發的“黑啟動狀態啟動命令”后進入黑啟動態；

2)調速系統進入“空載態”后，接收到監控系統下發的“黑啟動狀態啟動命令”，而后進入黑啟動態。

綜合考慮上述兩種工況，可以在“空載態”的基礎上對調速系統黑啟動態進行定義；同時，需要注意的是，調速系統黑啟動態與空載態不同，其不判斷GCB位置，且調速系統進入或者退出黑啟動態由監控系統命令觸發，因此，對調速系統黑啟動態定義如圖3所示。

圖3 調速系統黑啟動狀態定義

3.2.2 調速系統三種狀態轉換邏輯

因調速系統黑啟動態獨立于其他兩種狀態，為避免調速系統狀態切換紊亂，需對三種狀態轉換邏輯進行界定和明確；根據調速系統控制要求，三種狀態相互轉換關系如下：

1)“空載態”與“黑啟動態”轉換關系。“空載態”與“黑啟動態”可以相互轉換：當機組處于“空載態”時，若調速系統收到監控系統“黑啟動態啟動命令”則由“空載態”轉為“黑啟動態”，若再次收到“黑啟動態復歸命令”則由“黑啟動態”轉為“空載態”。

2)“負載態”與“黑啟動態”轉換關系。調速系統只能單方面由“黑啟動態”轉為“負載態”，不能由“負載態”轉為“黑啟動態”，即使有監控系統“黑啟動態啟動命令”存在。因為調速系統處于“負載態”時導葉開限遠遠大于“黑啟動態”時的導葉開限，為避免可能出現的溜負荷風險，規定調速系統無論如何均不能由“負載態”轉為“黑啟動態”。

當調速系統處于“黑啟動態”時，若調速系統收到監控系統“黑啟動態復歸命令”，且GCB和母線串內開關位置滿足相關條件，則轉為“負載態”。

3)“空載態”與“負載態”轉換關系。“空載態”與“負載態”可以根據條件進行狀態轉換，該部分為調速系統常規控制內容，故不贅述。

調速系統三種狀態轉換邏輯如圖4所示(箭頭代表可以往該狀態轉換)。

圖4 調速系統三種狀態轉換邏輯示意圖

3.3 黑啟動態控制流程

調速系統進入“黑啟動態”后，同“空載態”一樣運行于頻率模式，所不同的是此時調速系統頻率控制目標為50 Hz而非“50 Hz±滑差”，其目的在于調速系統要盡可能將頻率控制在額定頻率50 Hz附近，以便其所帶的廠用電負載能夠正常工作。

對應于本文3.2.1中提到的調速系統進入黑啟動態的兩種工況，調速系統黑啟動態控制流程[4]如圖5所示。

圖5 調速系統黑啟動態控制流程

4 現場試驗

根據現場系統母線接線方式，結合系統保護裝置的其他要求，最終選定某臺機組為黑啟動機組，在硬件回路和程序修改的基礎上，共進行了以下試驗來驗證大型水電機組調速器黑啟動流程設計的正確性與可行性[5]。

4.1 無水條件下模擬試驗

在無水條件下，模擬機組開機過程中接收到監控系統“黑啟動態啟動命令”，調速系統正常進入“黑啟動態”且各參數調用正確，系統狀態反饋信號及HMI事件記錄正確；而后，調速系統接收到監控系統“黑啟動態復歸命令”后，由“黑啟動態”正常切換至“空載態”，且各參數調用正確，系統狀態反饋信號及HMI事件記錄正確。

在無水條件下，模擬機組開機至“空載態”，而后在接收到監控系統“黑啟動態啟動命令”，調速系統由“空載態”正常切換至“黑啟動態”且各參數調用正確，系統狀態反饋信號及HMI事件記錄正確；而后，調速系統接收到監控系統“黑啟動態復歸命令”后，由“黑啟動態”正常切換至“空載態”，且各參數調用正確，系統狀態反饋信號及HMI事件記錄正確。

在無水條件下，模擬機組開機至“負載態”，隨后在接收到監控系統“黑啟動態啟動命令”后，系統仍處于“負載態”而未進入“黑啟動態”，程序執行正確。

上述無水條件下的各項試驗，驗證了硬件回路改造及程序修改的正確性。

4.2 有水條件下真機試驗

在有水條件下，機組真實開機并重復無水條件下的各項試驗，試驗結果正確，滿足設計要求。在調速系統“黑啟動態”且機組串內開關分閘的狀態下，由監控系統發令合機組GCB，由調速系統帶主變壓器零起升壓，通過錄波系統監視該過程中機組頻率最低下降至49.828 Hz，隨后機組頻率穩定至49.95～50.05 Hz之間；隨后，由監控系統發令斷開GCB，通過通過錄波系統監視該過程中機組頻率最高上升至至50.153 Hz，隨后機組頻率穩定至50.00～50.05 Hz之間。該試驗通過調速系統在黑啟動態下真實帶主變等廠用電設備，驗證了調速系統黑啟動態下頻率調節功能的正確性。

5 結 語

本文從硬件回路設計、程序邏輯設計等方面介紹了大型水電機組調速系統黑啟動功能的流程設計，并通過無水模擬試驗以及有水真機試驗驗證了該流程的正確性與可行性，為后續水電站全系統聯動的黑啟動試驗奠定了基礎。