基于Mark VIe控制系統(tǒng)同期卡實(shí)現(xiàn)死母線合閘方法

溫文忠

(深圳南山熱電股份有限公司，廣東 深圳 518052)

近十幾年來，世界各地發(fā)生多起電網(wǎng)大停電事故，如美加大停電、紐約大停電、海南大停電、珠海澳門大停電等，這些重大事故都造成了災(zāi)難性的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。電網(wǎng)的大面積停電事故使電網(wǎng)對(duì)電廠的黑啟動(dòng)能力日益重視。

死母線合閘是燃?xì)廨啓C(jī)在黑啟動(dòng)過程中恢復(fù)電網(wǎng)電源至關(guān)重要的一步。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)借助其他電源供電情況下啟機(jī)并到全速空載時(shí)，由于母線側(cè)依然沒電所以不能進(jìn)行正常同期操作，此時(shí)需要死母線合閘方式恢復(fù)母線及廠用電，最終實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)帶自身廠用電運(yùn)行，并按照電網(wǎng)的要求有步驟地恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行和用戶供電。

1 電廠概述

某電廠有三套9E燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，采用“一拖一”運(yùn)行方式，即1臺(tái)120 MW燃?xì)廨啓C(jī)帶1臺(tái)60 MW汽輪機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。3臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)均為PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)，3臺(tái)汽輪機(jī)均為聯(lián)合循環(huán)雙壓凝汽式，出線電壓等級(jí)采用110 kV。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)變組采用單元接線方式，發(fā)電機(jī)由全連式離相封閉母線與主變直接連接，經(jīng)過主變升壓至110 kV后，經(jīng)過發(fā)變組出口斷路器送至三條110 kV母線，它們分別為110 kV 5M、110 kV 6M、110 kV 7M母線。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)變組斷路器同期功能由燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)Mark VIe 控制系統(tǒng)的同期卡實(shí)現(xiàn)。該電廠配置3臺(tái)高壓廠用變，其中#01、#03高壓廠用變從110 kV系統(tǒng)引接電源作為主供廠用電源，#02高壓廠用變從110 kV系統(tǒng)引接回6.6 kV電源作為全廠備用電源。

三套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組編號(hào)分別為#1/#2機(jī)組、#3/#4機(jī)組及#10/#11機(jī)組。其中，#1、#3、#10 為 9E 燃?xì)廨啓C(jī)，#2、#4、#11為汽輪機(jī)。某電廠電氣一次接線圖如圖1所示。

圖1 某電廠電氣一次接線圖

為了實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)具備黑啟動(dòng)功能，該電廠增設(shè)了儲(chǔ)能系統(tǒng)作為燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程中所需電源。按照電網(wǎng)對(duì)黑啟動(dòng)技術(shù)協(xié)議要求，電廠接到電網(wǎng)指令后，將本廠機(jī)組啟動(dòng)至滿速，并向電廠的廠用公用系統(tǒng)供電，做好向周邊電廠、變電站送電準(zhǔn)備工作，達(dá)到一個(gè)初始可控狀態(tài)。安全可靠死母線合閘對(duì)于快速恢復(fù)廠用電，達(dá)到一個(gè)初始可控狀態(tài)起著關(guān)鍵作用。

2 燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)介紹

2.1 Mark VIe 控制系統(tǒng)概述

Mark VIe是GE公司配套燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)，是GE 核心的控制系統(tǒng)Mark 系列的最新型號(hào)，符合SIL3體系的三重冗余架構(gòu)，充分保障了系統(tǒng)的可靠性與安全性，被廣泛應(yīng)用到燃?xì)廨啓C(jī)、核電等對(duì)安全性要求極高的領(lǐng)域。

Mark VIe控制系統(tǒng)由硬件(Mark盤)、軟件(Toolbox ST)以及HMI(CIMPLICITY)組成。系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是采用三冗余TMR結(jié)構(gòu)，其核心為3個(gè)完全相同互為冗余的控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉。燃?xì)廨啓C(jī)所有的順序控制、調(diào)節(jié)及保護(hù)功能均由這3個(gè)處理器來實(shí)現(xiàn)，從端子板到控制器也是采用三冗余結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。硬件主要由端子板、IO模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊交換機(jī)、電源模塊以及控制器等組成。軟件則是由Toolbox ST和CIMPLICITY組成[1]。

2.2 系統(tǒng)功能

Mark VIe控制系統(tǒng)主要功能是在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的控制及保護(hù)，以確保燃?xì)廨啓C(jī)正常工作。燃?xì)廨啓C(jī)主控系統(tǒng)有：?jiǎn)?dòng)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、負(fù)荷控制系統(tǒng)、排氣溫度控制系統(tǒng)、進(jìn)口導(dǎo)葉控制系統(tǒng)、燃料控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓控制系統(tǒng)、同期控制系統(tǒng)等。燃?xì)廨啓C(jī)主要的保護(hù)有：超速保護(hù)、危急遮斷保護(hù)、滅火保護(hù)、轉(zhuǎn)子振動(dòng)保護(hù)、壓氣機(jī)喘振保護(hù)、排氣超溫保護(hù)、潤(rùn)滑油溫度保護(hù)、發(fā)電機(jī)同期保護(hù)等[2]。

3 Mark VIe控制系統(tǒng)同期控制方式

3.1 控制基本原理

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)變組與母線準(zhǔn)同期并列操作是將燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組升至額定轉(zhuǎn)速和額定電壓后，同時(shí)滿足4項(xiàng)準(zhǔn)同期條件：(1) 發(fā)變組電壓相序與母線電壓相序相同；(2) 發(fā)變組電壓與并列點(diǎn)母線電壓相等；(3) 發(fā)變組的頻率與母線的頻率基本相等；(4) 合閘瞬間發(fā)變組電壓相位與母線電壓相位相同。同期裝置發(fā)出發(fā)變組出口斷路器合閘指令，使發(fā)變組并網(wǎng)。

3.2 Mark VIe 控制系統(tǒng)同期實(shí)現(xiàn)

在Mark VIe控制系統(tǒng)中，同期功能是由PTUR燃?xì)廨啓C(jī)控制卡和PPRO燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù)卡共同來實(shí)現(xiàn)，其相應(yīng)的端子板為TTUR和TPRO。TTUR 為輸入輸出端子板，主要連接的信號(hào)有：4路轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓及母線電壓、發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流以及斷路器狀態(tài)等信號(hào)，并且接受來自PTUR和PPRO的同期信號(hào)。TPRO為模擬量輸入端子，可接受9路轉(zhuǎn)速信號(hào)、熱電偶信號(hào)、發(fā)電機(jī)和母線電壓信號(hào)以及4～20 mA模擬量輸入信號(hào)。

準(zhǔn)同期實(shí)現(xiàn)由3個(gè)基本功能塊組成，每個(gè)功能塊具有1個(gè)出口繼電器，3個(gè)繼電器出口串聯(lián)，只有當(dāng)3個(gè)功能塊全部同時(shí)滿足時(shí)，斷路器合閘指令才會(huì)發(fā)出。這3個(gè)功能塊分別對(duì)應(yīng)的繼電器是：K25P、K25A、K25。正常情況下，繼電器動(dòng)作通過Mark VIe 控制系統(tǒng)的控制器按照預(yù)置判斷條件來實(shí)現(xiàn)，如果條件滿足相應(yīng)的功能塊繼電器動(dòng)作如圖2 。同期功能實(shí)現(xiàn)與斷路器合閘線圈的接口在TTUR端子板上，發(fā)電機(jī)電壓和母線電壓經(jīng)過TTUR板上的隔離變壓器隔離后進(jìn)入運(yùn)算單元。

圖2 TTUR 端子板準(zhǔn)同期出口接口

3個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)功能如下：

(1) K25P：同期允許繼電器

由來自控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉申請(qǐng)指令直接啟動(dòng)，采用三取二邏輯，是由程序來判斷燃?xì)廨啓C(jī)同期前運(yùn)行狀態(tài)，主要包括燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)順控完成、發(fā)電機(jī)-母線頻差在0.05～0.4 Hz范圍、電機(jī)-母線電壓差(二次值)在0～2 VAC范圍內(nèi)等條件滿足后，邏輯L25P 置1 而觸發(fā)繼電器K25P 帶電動(dòng)作。

(2) K25：自動(dòng)同步，合閘延時(shí)調(diào)節(jié)繼電器

由來自PTUR模塊的自動(dòng)同期算法驅(qū)動(dòng)，通過控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉申請(qǐng)指令直接啟動(dòng)，采用三取二邏輯。該繼電器實(shí)現(xiàn)的基本功能是監(jiān)控兩個(gè)電壓互感器輸入，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓大于60 VAC(二次值)時(shí)，通過使用零電壓交叉技術(shù)來計(jì)算相位、滑移和加速度，來補(bǔ)償斷路器合閘時(shí)間延遲。在PTUR或TTUR I/O包上進(jìn)行的計(jì)算，包括相位、滑移、加速和斷路器延遲的預(yù)期時(shí)間。根據(jù)測(cè)得的斷路器閉合時(shí)間，對(duì)延時(shí)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到一定限度。此外，在自動(dòng)同步邏輯中，設(shè)計(jì)了死母線或手動(dòng)斷路器合閘的旁路邏輯Sync_Bypass0和Sync_Bypass1，讓K25不通過算法直接帶電，有關(guān)邏輯示意圖如圖3所示。

圖3 K25邏輯示意圖

自動(dòng)同步條件判斷按照預(yù)置窗口如圖4所示來進(jìn)行計(jì)算，它是由電流相位、滑差組成的，其中正滑移表示發(fā)電機(jī)頻率高于母線頻率。斷路器合閘命令發(fā)出時(shí)，發(fā)電機(jī)必須是滯后的，并且在過去連續(xù)的10個(gè)周期中一直是滯后的，并且預(yù)計(jì)在斷路器實(shí)際合閘時(shí)發(fā)電機(jī)電流相位變?yōu)槌坝谀妇€電流相位。自動(dòng)同步不允許斷路器負(fù)滑差時(shí)合閘，速度通常匹配在+0.12 Hz滑差(發(fā)電機(jī)電壓和系統(tǒng)電壓頻率的差)。

圖4 預(yù)置窗口

(3) K25A：同期檢查，檢查滑壓和相位差在一個(gè)矩形窗口中(定值：相位差)

K25A 繼電器位于TTUR板上，但它由PPRO上的同期檢查算法驅(qū)動(dòng)，同期檢查算法的執(zhí)行由控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉申請(qǐng)指令直接啟動(dòng)，采用三取二邏輯，斷路器合閘線圈兩側(cè)的電壓必須要送到TTUR板，它可提供診斷信息也可測(cè)量斷路器合閘時(shí)間，使其最優(yōu)，因此回路中需要一個(gè)斷路器的常開接點(diǎn)作為反饋。

K25A同期檢查算法是基于鎖相環(huán)技術(shù)。它是通過測(cè)兩個(gè)電壓互感器(PT)輸入，并計(jì)算發(fā)電機(jī)和母線電壓幅值和頻率、相位和滑差，當(dāng)確定它們?cè)谕綑z查窗內(nèi)時(shí)如圖5所示，并通過相關(guān)變量(發(fā)電機(jī)電壓、母線電壓、電壓差、頻率差、相位差)限制檢查時(shí)，繼電器K25A動(dòng)作[3]。PPRO通過使用位于TTUR端子板上的斷路器閉合回路的接口來執(zhí)行此功能。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)同步檢查窗

另外，該算法采用鎖相環(huán)技術(shù)能夠輸出上述變量，同時(shí)設(shè)計(jì)了死母線或手動(dòng)斷路器合閘的旁路邏輯Dead Bus，如圖6所示。

圖6 K25A邏輯示意圖

4 死母線合閘功能實(shí)現(xiàn)方法

4.1 基本思路

死母線合閘前運(yùn)行人員確保母線為不帶電狀態(tài)，選擇死母線并網(wǎng)模式的情況下，不經(jīng)過同期檢測(cè)，通過旁路控制程序驅(qū)使合閘K25P、K25和K25A繼電器帶電，發(fā)出斷路器合閘指令而合上斷路器，實(shí)現(xiàn)死母線并網(wǎng)。

4.2 K25P、K25和K25A 控制邏輯修改方法

4.2.1 在Mark VIe 控制系統(tǒng)需增加的信號(hào)

同期斷路器的接地刀和隔離刀的位置信號(hào)接入控制系統(tǒng)中作為允許“死母線合閘”的條件L83DB_PERM，同時(shí)增加選擇死母線合閘選擇按鈕指令L43DB_CPB。

4.2.2 邏輯修改方法

通過增加死母線合閘的邏輯L3DEADBUS，通過死母線或手動(dòng)斷路器合閘的旁路觸發(fā)繼電器K25、K25A帶電，同時(shí)觸發(fā)L25P 讓K25P帶電。相關(guān)邏輯如圖7所示。

圖7 死母線合閘邏輯示意圖

4.2.3 靜態(tài)繼電器動(dòng)作測(cè)試

在燃?xì)廨啓C(jī)停運(yùn)的情況，通過仿真的方式模擬死母線合閘模式，驗(yàn)證內(nèi)容包括：同期繼電器K25P、K25、K25A的動(dòng)作情況，還有斷路器合閘回路動(dòng)作情況。

(1) 強(qiáng)置L25P =1，繼電器K25P動(dòng)作，檢查TTUR端子3、4通斷情況驗(yàn)證。

(2) 強(qiáng)置L25_BYPASS=1，L25_BYPASSZ=0，繼電器K25動(dòng)作，檢查TTUR端子4、5通斷情況驗(yàn)證。

(3) 在發(fā)電機(jī)控制柜模擬輸入發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)(電壓信號(hào)6.9～100 VAC)，然后強(qiáng)置信號(hào)L25X_PERM=1、L25X_BYPASS=1，使繼電器K25A動(dòng)作，檢查TTUR端子5、6通斷情況驗(yàn)證。

5 結(jié)語

增加燃?xì)廨啓C(jī)死母線合閘功能，始終要把電廠系統(tǒng)安全放在首位來考慮，否則的話容易出現(xiàn)非同期合閘重大事故，它對(duì)有關(guān)設(shè)備如發(fā)電機(jī)及其與之相串聯(lián)的變壓器、開關(guān)等，破壞力極大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組燒毀及端部嚴(yán)重變形，即使沒有立即將設(shè)備損壞，也可能造成嚴(yán)重的隱患。因此，在設(shè)計(jì)死母線合閘功能邏輯時(shí)，要熟悉同期卡的功能作用，須增加相關(guān)系統(tǒng)安全條件邏輯閉鎖。在執(zhí)行前，須操作人員現(xiàn)場(chǎng)確定設(shè)備安全條件狀態(tài)。