基于Mark VIe控制系統(tǒng)同期卡實現(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難性的社會影響和經(jīng)濟損失。電網(wǎng)的大面積停電事故使電網(wǎng)對電廠的黑啟動能力日益重視。

死母線合閘是燃氣輪機在黑啟動過程中恢復電網(wǎng)電源至關(guān)重要的一步。當燃氣輪機借助其他電源供電情況下啟機并到全速空載時，由于母線側(cè)依然沒電所以不能進行正常同期操作，此時需要死母線合閘方式恢復母線及廠用電，最終實現(xiàn)燃氣輪機帶自身廠用電運行，并按照電網(wǎng)的要求有步驟地恢復電網(wǎng)運行和用戶供電。

1 電廠概述

某電廠有三套9E燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組，采用“一拖一”運行方式，即1臺120 MW燃氣輪機帶1臺60 MW汽輪機獨立運行。3臺燃氣輪機均為PG9171E型燃氣輪機，3臺汽輪機均為聯(lián)合循環(huán)雙壓凝汽式，出線電壓等級采用110 kV。燃氣輪機發(fā)變組采用單元接線方式，發(fā)電機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。燃氣輪機發(fā)變組斷路器同期功能由燃氣輪機控制系統(tǒng)Mark VIe 控制系統(tǒng)的同期卡實現(xiàn)。該電廠配置3臺高壓廠用變，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)機組編號分別為#1/#2機組、#3/#4機組及#10/#11機組。其中，#1、#3、#10 為 9E 燃氣輪機，#2、#4、#11為汽輪機。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

為了實現(xiàn)燃氣輪機具備黑啟動功能，該電廠增設(shè)了儲能系統(tǒng)作為燃氣輪機啟動過程中所需電源。按照電網(wǎng)對黑啟動技術(shù)協(xié)議要求，電廠接到電網(wǎng)指令后，將本廠機組啟動至滿速，并向電廠的廠用公用系統(tǒng)供電，做好向周邊電廠、變電站送電準備工作，達到一個初始可控狀態(tài)。安全可靠死母線合閘對于快速恢復廠用電，達到一個初始可控狀態(tài)起著關(guān)鍵作用。

2 燃氣輪機控制系統(tǒng)介紹

2.1 Mark VIe 控制系統(tǒng)概述

Mark VIe是GE公司配套燃氣輪機的控制系統(tǒng)，是GE 核心的控制系統(tǒng)Mark 系列的最新型號，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)用到燃氣輪機、核電等對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)最大的特點就是采用三冗余TMR結(jié)構(gòu)，其核心為3個完全相同互為冗余的控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉。燃氣輪機所有的順序控制、調(diào)節(jié)及保護功能均由這3個處理器來實現(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)定的運行。硬件主要由端子板、IO模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊交換機、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)主要功能是在燃氣輪機啟動運行過程中實現(xiàn)對燃氣輪機的控制及保護，以確保燃氣輪機正常工作。燃氣輪機主控系統(tǒng)有：啟動控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、負荷控制系統(tǒng)、排氣溫度控制系統(tǒng)、進口導葉控制系統(tǒng)、燃料控制系統(tǒng)、發(fā)電機勵磁電壓控制系統(tǒng)、同期控制系統(tǒng)等。燃氣輪機主要的保護有：超速保護、危急遮斷保護、滅火保護、轉(zhuǎn)子振動保護、壓氣機喘振保護、排氣超溫保護、潤滑油溫度保護、發(fā)電機同期保護等[2]。

3 Mark VIe控制系統(tǒng)同期控制方式

3.1 控制基本原理

燃氣輪機發(fā)變組與母線準同期并列操作是將燃氣輪機發(fā)電機組升至額定轉(zhuǎn)速和額定電壓后，同時滿足4項準同期條件：(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)同期實現(xiàn)

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

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

圖2 TTUR 端子板準同期出口接口

3個繼電器實現(xiàn)功能如下：

(1) K25P：同期允許繼電器

由來自控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉申請指令直接啟動，采用三取二邏輯，是由程序來判斷燃氣輪機同期前運行狀態(tài)，主要包括燃氣輪機轉(zhuǎn)速達到額定穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、燃氣輪機啟動順控完成、發(fā)電機-母線頻差在0.05～0.4 Hz范圍、電機-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 帶電動作。

(2) K25：自動同步，合閘延時調(diào)節(jié)繼電器

由來自PTUR模塊的自動同期算法驅(qū)動，通過控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉申請指令直接啟動，采用三取二邏輯。該繼電器實現(xiàn)的基本功能是監(jiān)控兩個電壓互感器輸入，當發(fā)電機電壓大于60 VAC(二次值)時，通過使用零電壓交叉技術(shù)來計算相位、滑移和加速度，來補償斷路器合閘時間延遲。在PTUR或TTUR I/O包上進行的計算，包括相位、滑移、加速和斷路器延遲的預期時間。根據(jù)測得的斷路器閉合時間，對延時參數(shù)進行調(diào)整，使其達到一定限度。此外，在自動同步邏輯中，設(shè)計了死母線或手動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

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

圖4 預置窗口

(3) K25A：同期檢查，檢查滑壓和相位差在一個矩形窗口中(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，同期檢查算法的執(zhí)行由控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉申請指令直接啟動，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量斷路器合閘時間，使其最優(yōu)，因此回路中需要一個斷路器的常開接點作為反饋。

K25A同期檢查算法是基于鎖相環(huán)技術(shù)。它是通過測兩個電壓互感器(PT)輸入，并計算發(fā)電機和母線電壓幅值和頻率、相位和滑差，當確定它們在同步檢查窗內(nèi)時如圖5所示，并通過相關(guān)變量(發(fā)電機電壓、母線電壓、電壓差、頻率差、相位差)限制檢查時，繼電器K25A動作[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 標準同步檢查窗

另外，該算法采用鎖相環(huán)技術(shù)能夠輸出上述變量，同時設(shè)計了死母線或手動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 死母線合閘功能實現(xiàn)方法

4.1 基本思路

死母線合閘前運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，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

同期斷路器的接地刀和隔離刀的位置信號接入控制系統(tǒng)中作為允許“死母線合閘”的條件L83DB_PERM，同時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，通過死母線或手動斷路器合閘的旁路觸發(fā)繼電器K25、K25A帶電，同時觸發(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)繼電器動作測試

在燃氣輪機停運的情況，通過仿真的方式模擬死母線合閘模式，驗證內(nèi)容包括：同期繼電器K25P、K25、K25A的動作情況，還有斷路器合閘回路動作情況。

(1) 強置L25P =1，繼電器K25P動作，檢查TTUR端子3、4通斷情況驗證。

(2) 強置L25_BYPASS=1，L25_BYPASSZ=0，繼電器K25動作，檢查TTUR端子4、5通斷情況驗證。

(3) 在發(fā)電機控制柜模擬輸入發(fā)電機電壓信號(電壓信號6.9～100 VAC)，然后強置信號L25X_PERM=1、L25X_BYPASS=1，使繼電器K25A動作，檢查TTUR端子5、6通斷情況驗證。

5 結(jié)語

增加燃氣輪機死母線合閘功能，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，它對有關(guān)設(shè)備如發(fā)電機及其與之相串聯(lián)的變壓器、開關(guān)等，破壞力極大，嚴重時會導致發(fā)電機繞組燒毀及端部嚴重變形，即使沒有立即將設(shè)備損壞，也可能造成嚴重的隱患。因此，在設(shè)計死母線合閘功能邏輯時，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)場確定設(shè)備安全條件狀態(tài)。