火力發電廠的電氣控制系統設計及應用研究

段旭陽

（廣西廣投北海發電有限公司，廣西 北海 536000）

0 引 言

火力發電廠是我國電力工程的重要組成部分，在早期階段，基于繼電保護的火力發電廠在實踐中存在檢修復雜、安裝困難、靈敏性低、功能單一以及運營成本高等重要缺陷。隨著時代的發展，信息化技術、自動化技術在火電廠中的應用開始變得愈發廣泛，遠程監控系統、智能化管理系統等在實踐中的應用一定限度上提升了現代火電廠的綜合價值。本文以自動化技術在火力發電廠中的應用為研究對象，以提升火力發電廠自動化水平為終極目標，進行火力發電廠的電氣控制系統設計，希望能夠為火電廠電氣控制工作提供一定理論支持。

1 火力發電廠電氣控制系統概述

當前大多數火力發電廠均使用分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）進行控制，能夠同時支持部分機械設備的遠程控制與功能升級，但其升級功能受設備運行限制，信息化和智能化水平有限，大多數系統只是通過硬接線實現信息交互，無法滿足電源切換、繼電保護、故障分析等功能需求，對其進行優化升級具有一定現實意義[1]。

在對火電廠電氣控制系統進行升級之前，需要對其基本結構與構成進行簡要分析，具體如下。一是主接線設計，主接線是電氣控制系統運行安全的重要保障，在設計過程中，應當結合設計目標，對原始數據進行對比與分析，并基于可靠性要求設計接線。從理想角度分析，接線應當具有可靠性、靈活性、操作便捷性、經濟性等特征。二是主變壓器設計，主變壓器是電氣主接線系統的核心設備，在改擴建中，應當對其型號、臺數進行明確。一般情況下，發電廠應當配備至少2 臺主變壓器，其繞組數、絕緣情況、相數等內容須根據實際情況進行判定[2]。三是電氣設備確定，電氣控制系統的電氣設備主要包括避雷器、電纜、母線、電壓互感器等，在實際工作情境中應當根據系統的工作需求、設計目標、國家技術規范等內容進行確定。在設備安裝階段，還應詳細確定設備的使用要求、安裝地點等內容[3]。

在對火電廠電氣控制系統進行設計之前，還應預先確定系統的基本功能需求，主要包括以下幾點。首先，系統應能夠實時監控整個電氣結構，包括但不限于電動機等電氣設備的實時工作狀態等。其次，系統應能夠提供基礎的數據支持，主要包括電能計量、信息存留等，進而為后期的數據分析工作提供必要支持。最后，系統應能夠為電氣設備運行提供必要保障，主要包括繼電保護、防誤閉鎖等[4]。

2 火力發電廠電氣控制系統設計

2.1 電氣主接線設計

本次研究過程中，擬定機組起動/備用電源由500 kV 配電裝置一級降壓引接設計，在此基礎上，可提出以下建設方案。

采用2/3 接線，即#1 發變組進線和#01 起動/備用變進線、#1 出線和#2 發變組進線、#2 出線和#3 發變組進線、#02 起動/備用變進線和#4 發變組進線形成2/3 接線的一個完整串，同時#2 出線形成2/3 接線的一個不完整串。

在這一設計思路背景下，主接線方案主要存在以下幾點重要優勢。一是可靠性強，該設計方案能夠提供較高的供電可靠性，在檢修、故障重合的背景下，停電回路在3 回以下，對于廠區電力供應的影響相對較小。二是靈活性強，該主接線方案在本期、遠期均為多環行供電，可根據實際情況進行靈活的運行調度與調整。三是實踐經驗較為廣泛，該接線方案在國內外均存在較多的實踐經驗，且效果普遍較好，是當前國內外500 kV 變電站接線設計的首選方案。四是擴建便捷，一次設備擴建方便，二次接線擴建改接較方便[5]。

此外，值得注意的是，在本次工程建設中，該方案的投資成本為4 422.233 萬元，因此應當注意成本的有效控制。最后，結合安全負荷需求，需要引進一臺柴油發電機組作為負荷電源，以提升故障的實時處理能力。

2.2 設備選擇

在本次研究過程中，設備選擇應當結合《導體和電器選擇設計技術規定》進行確定，具體的導體、設備選擇應當按照以下思路進行。一是導體選擇，為了防止短路故障出現，本次工程導體均采用全連式離相封閉母線。二是主變壓器選擇，在實踐中，發電機最大的連續輸出功率為783.2 MVA，因此主變壓器容量應當選擇780 MVA，阻抗電壓為14%，允許偏差應當在±5%區間范圍內。三是500 kV 設備選擇，斷路器選擇額定電流為3 150 A 的瓷柱式六氟化硫斷路器，隔離開關選擇額定電流為3 150 A 的三相隔離開關，戶外設備外絕緣均選用防污型產品。

2.3 接線設計

廠用電按照6 kV、0.4 kV 兩級電壓進行設計，其中6 kV 電壓標準面向的是容量在200 kW 以上的設備，0.4 kV 電壓標準面向的是容量在200 kW 以下的設備。

6 kV 用電系統的設計思路如下：一是每臺機組設一臺變壓器與兩端工作母線，其中變壓器選擇50/25-25 MVA 無載調壓分裂結構高壓廠用變壓器，同時每臺機組設施一臺高壓公用變，變壓器從主回路取得電源；二是2 臺機組設置一臺備用變壓器，容量需要滿足機組正常啟停要求[6]；三是高壓公用變-6 kV 公用段可采用共箱母線連接；四是由公用變壓器提供電源，2 個公用段之間設聯絡開關。上述接線設計思路具有較強的可靠性，但在接線方面具有較強的復雜性，特別是在進行機組啟停時，用電切換操作較為復雜，技術人員應當注意這一點。

0.4 kV 用電系統的設計思路如下：一是主廠房內接電方案，主廠房內機器設備均設置2 臺，互為備用，設置容量為2 000 kVA的汽機變、1 600 kVA的鍋爐變，同時設置兩段汽機PC 母線、兩段鍋爐PC 母線；二是主廠房外接電方案，按工藝系統和就近供電相結合的原則進行設計，不同系統的設計內容、供電方案如表1 所示。

表1 主廠房外廠用電系統的設計方案

2.4 直流系統設計

直流系統按照《電力工程直流系統設計技術規程》進行設計，蓄電池按照一組220 V、二組110 V的思路進行設計，其中一組為整個系統提供動力負荷供應，二組為整個系統提供控制負荷供應。這種設計方式在實踐中能夠降低控制系統電壓，有效提升控制系統的運行安全性。同時，動力系統、控制系統供電分離，在某一系統出現故障時能夠降低故障影響。

2.5 繼電保護設計

繼電保護按照《繼電保護和安全自動裝置技術規程》進行設計，整個系統的繼電保護內容包括發電機變壓器組保護、起動/備用變壓器保護、其他元件保護等。其中，起動/備用變壓器保護的具體配置如下：一是電氣量保護（雙重化），包括短引線差動、差動速斷、變壓器差動保護、復合電壓過流保護、高壓側零序方向過流、變壓器零序過流、A分支零序保護、B 分支零序保護、分支復壓過流等；二是非電量及公共保護，包括變壓器瓦斯保護、變壓器調壓裝置瓦斯保護、變壓器壓力釋放保護、變壓器調壓裝置壓力釋放保護、變壓器溫度保護、變壓器油位保護等[7]。

2.6 自動裝置設計

自動裝置是本系統的核心內容，其具體設計策略如下。一是同期裝置，發電機變壓器組采用計算機監控，在實際工作情境中，發電機存在安全并網需求，因此機組需要設置自動準同期裝置。同時，為了保證設備的穩定性運行，還需要設置備用的手動準同期裝置，自動準同期裝置信號接入DCS[8]。二是廠用電快速切換裝置，為了方便在故障時系統能夠安全停機，需要設置快速切換裝置，該裝置應當獨立于DCS 工作，同時信號接入DCS。三是故障錄波裝置，為了實現故障信息的記錄與分析，需要在機組上設置故障錄波裝置，即微機型發電機變壓器組故障錄波裝置[9]。四是自動裝置與計算機監控系統的接口，本次研究中，各種自動裝置均應當與計算機監控系統之間建立通信接口。對于一些特別重要的自動設備，如廠用電快速切換裝置等，需要確保信號的穩定傳輸，同時采取硬接線的方式與計算機進行連接。五是全球定位系統（Global Positioning System，GPS）時鐘模塊，為了保證信號傳輸的準確性，滿足部分系統的統一對時需求，需要在全廠內部配置一套GPS 時鐘系統，精度應當符合技術要求。同時，還應當包括備用時鐘，在主時鐘出現故障時能夠自動切換，實現時間基準信號互為備用[10]。

3 結 論

本文以火力發電廠的電氣控制為研究對象，結合現實工作特點，進行了電氣主接線、設備選擇、繼電保護、直流系統設計等工作，各種具體方案的提出在實踐中均存在較為豐富的應用經驗，對于應用到火力發電廠實際工作中提升其工作效率具有十分重要的現實意義。總之，電氣控制系統是火電廠發電系統的重要組成，隨著我國電力產業發展觀念的變革，國家、社會對于火電機組的管理水平與自動化水平必將提出更高的要求，對此相關企業可以適當結合本文的研究內容與自身實際情況，深入研究如何在機組運行過程中確保電氣控制系統的準確性，實現可持續發展與經濟效益的穩定提升。