专利名称：一种针对汽机局域网运行的控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种计算机控制系统，特别涉及一种用于电厂的汽机控制系统。
技术背景随着计算机系统的不断发展，汽机控制系统已基本由电液控制系统DEH取代了最 初的纯液压控制系统的方式，由于DEH控制系统的灵活性和先进性，对于功频控制的方式 也在逐渐地改变，纯液压系统的不等率是通过机械部套调整实现，而现有的DEH控制系统 可以通过函数方便地实现不等率的设置，以满足不同工况的需求。如图1所示，DEH控制系统主要用于控制汽机启动及带负荷，实现各项调节试验功 能，并在机组出现甩负荷的情况下自动稳定3000rpm以便继续并网，DEH控制系统通过接收 来自现场的转速、功率等信号，经过逻辑控制后通过控制汽机的各阀门来实现对汽机转速 及功率的控制。液压系统的调频是通过一次调频也即比例调节方式来调节，当系统出现甩负荷时 转速上升的同时调节汽门成比例关小，最终稳定时的转速一般不在同期转速。DEH控制系统 在一次调频方面沿袭液压系统的原理，同样是比例调节，也不能消除转速的余差。由于一次 调频是纯比例调节，所以很难满足精度的要求，通常会引起机组在这种工况下不能满足用 电设备所要求的频率范围，甚至可能引起超出周波要求范围而跳机。机组在实际运行中，由于诸多原因，可能遇到孤网或局域网运行的现象，有的是因 为电气回路的不完善，发电机出口母线等原因，或是该电厂处在电网的末端，或特殊情况下 出现电网故障等等。当出现机组在孤网或局域网运行的工况下，很难稳定转速3000rpm，因 无法满足用电设备频率的要求而引起被迫停机，特别是当电网瘫痪的时候就要面临“黑启 动”。目前的DEH控制系统当机组处于大网运行并出现正常甩负荷时，即发电机出口油 开关解裂时，DEH自动接收发电机解裂信号后转入转速控制，自动稳定转速为3000rpm，待 发电机故障恢复后重新并网。如图2所示，在发电机出口电气回路中，当发电机油BR开关 未断开而出口到电网母线的开关BRl或BR2断开时，机组实际还是在带负荷运行，只是在故 障的瞬间，机组带的负荷发生突然的变化而超速，而DEH接收到的还是机组并网运行
实用新型内容
本实用新型针对现有汽机控制系统在机组处于孤网或局域网这种特殊的运行工 况时所存在的问题，需要解决的技术问题如下1)尽量避免超速信号的提前动作；2)确保汽机的安全，超速到一定值后DEH需要输出超速保护动作信号来抑制汽机 的继续超速；3)在汽机转速稳定的过程中需要满足用电设备稳定运行的频率范围要求49. 5 50. 5Hz，需要通过无差的调节方式来稳定用户频率。[0011]为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案一种针对汽机局域网运行的控制系统，其包括一 DEH控制系统，所述DEH控制系统 中设置三块冗余的测速及超速保护模块SDP，所述三块测速及超速保护模块SDP通过三选 二继电器连接控制现场OPC电磁阀，并与相应的站控制卡连接，所述相应的站控制卡与DEH 控制系统中的DPU连接；所述每块测速及超速保护模块SDP中设置有通过超速保护动作定 值限制、发电机和汽轮机负荷不平衡保护两种方式同时来限制汽机超速的超速限制模块; 所述DPU中设置有通过PI无差调节的方式实现机组进入局域网运行时电频率为50Hz的二 次调频模块。所述超速保护动作定值为汽轮机额定转速的103%。所述超速限制模块为在发电机和汽轮机负荷的功率的不平衡量>60%时触发保 护的限制模块。根据上述技术方案得到的本实用新型是在原有DEH控制系统的基础上对DEH专用 控制卡件进行修改，增加二次调频的控制及保护模块，同时在原有基础上增加二次调频模 块，使得本实用新型具有如下特点1)本实用新型结构简单容易实现，用户只要在原有设备的基础进行一定的改动即 可实现本实用新型，无需更换整套设备，极大的节约资源；2)本实用新型通过硬件实现超速保护，响应时间较快，硬件逻辑部分响应时间小 于10ms，对汽轮发电机的超速保护起到很重要的作用；3)本实用新型进行二次频率调节时，采用PI无差调节方式，提供给用电设备的频 率的品质更高。上述特点使得本实用新型能够有效地解决现有汽机控制系统在机组处于孤网或 局域网这种特殊的运行工况时所存在的问题。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本实用新型。图1为现有汽机控制系统连接图。图2为发电机出口电气回路示意图。图3为DEH控制系统的硬件结构框图。图4为SDP卡的结构示意图。图5为功率不平衡保护原理示意图。图6为本实用新型中DEH控制逻辑图。图7为本实用新型进行超速保护和二次调频的示意图。图8为本实用新型实际应用时发电机出口电气回路示意图。图9为现场DEH系统小网运行试验趋势图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下 面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。本实用新型针对现有汽机控制系统在机组处于孤网或局域网运行这种特殊的运行工况时所存在的一系列问题，在原有DEH控制系统的基础上，通过采用硬件修改及DPU中 软件组态增加二次调频功能的解决方案，来实现同时满足超速保护和稳定转速的要求。硬 件通过定值保护设置来避免机组的超速，软件通过PI无差调节方式来满足用电设备对频 率的要求。使机组在出现甩全负荷、局部负荷或带厂用电的情况下都能稳定转速满足用电 的频率。基于上述原理，本实用新型的具体实现如下为了实现对汽机转速控制达到超速保护，如图3所示，本实用新型提供的DEH控制 系统采用三重冗余的测速及超速保护模块SDP。如图所示，三块冗余的测速及超速保护模 块SDP分别放置在三个卡笼中，现场采集的三个汽机转速信号也分别进入三块测速及超速 保护模块SDP中。这三块SDP通过三选二继电器输出OPC信号到现场的OPC电磁阀，实现 对其控制，达到抑制超速的目的；同时DEH控制系统中DPU通过相应的站控制卡BC-NET控 制这三块SDP。SDP为智能转速卡，如图4所示，其硬件卡件中设计有CPU和FPGA，所有需要快 速实现的保护逻辑及二次调频都烧录在FPGA中，CPU与FPGA —起实现SDP卡与站控制卡 BC-NET之间的数据通讯。由于汽机是快速旋转的机械设备，转速的控制需要快速周期的控制模件。为了能 够在SDP上实现该功能，本实用新型在每块测速及超速保护模块SDP中设置有超速限制模 块。该超速限制模块对汽机转速的控制通过两种方式同时控制一是通过转速到达超速保 护动作定值后SDP输出超速保护动作节点来限制的方式，二是通过发电机和汽轮机负荷不 平衡的方式提前预知超速来输出OPC信号，去控制现场OPC电磁阀以达到限制超速效果。对于超速限制模块中采用第一种方式进行控制汽机转速时，其超速保护动作定值 为103%，即为汽轮机额定转速3000rpm的103%，为3090rpm。采用第二种方式进行控制时，当代表发电机和汽轮机负荷的功率的不平衡量> 60%时，输出OPC信号控制现场OPC电磁阀。如图5所示，在发电机解列瞬间，由于电负荷瞬间消失而汽轮机负荷滞后消失，所 以发电机负荷与汽轮机负荷会出现瞬间的不平衡，MW代表发电机负荷，IEP中压排汽压力 代表汽轮机负荷。当两者的差值大于60%时，可以预测汽轮机会超速，所以DEH先于实际超 速前发出OPC信号来抑制汽机的转速。本实用新型在DEH控制系统中，采用内环纯比例的一次调频和外环比例积分的方 式来实现汽机的小网运行工况。机组并网后DEH自动进入一次调频，并根据设定的不等率 参与计算。其中DEH控制系统的一次调频参数为不等率δ = 5% (可调)；不调频死区 +2rpm(可调)；调频范围 +I5Orpm)。由于一次调频是有差调节，而且由于机组进入局域网运行时的负荷往往是不确定 的，所以对于用电设备来说不能很好地满足用电频率实现50Hz即3000rpm的要求。对于这 种问题，本实用新型在DEH控制系统中的DPU中增加了二次调频功能模块，并且在DEH控制 逻辑中增加了二次调频的逻辑部分，该二次调频逻辑通过在原有DEH并网控制逻辑中增加 转速闭环控制功能来实现，如图6所示。本实用新型DEH控制系统中增加二次调频模块的功能实施如下1、DEH自动判断机组进入小网状态[0043]由于距离等原因，电厂很难提供给DEH线路侧合闸开关的状态的节点。正常机 组并网运行时，机组的转速一般比较稳定，只有故障时才会出现转速的明显变化。所以本 模块实现DEH自动根据转速的变化情况来判断机组是否进入小网运行状态，当转速大于 3030rpm时，DEH控制系统认为机组处于小网或局域网运行。2、快速减负荷调节当汽机转速上升引起OPC动作或PLU动作时，说明实际的汽机负荷大于实际的用 电负荷，这时DEH自动启动RUNBACK信号来减少DEH的功率给定值以满足实际功率的需求。 RUNBACK实际也起到负荷给定值初调的作用，同时也避免了 OPC的动作次数。当转速波动上 限减少到OPC动作值时，DEH 二次调频的输出值通过调门指令开始调节。3、转速(频率)调节DEH系统自动判断机组进入二次调频后同时将转速的给定值设定为 3000rpm(50Hz)，设定转速与实际转速进行比较并进入PI无差调节，最终满足实际转速为 3000rpmo由于无差调节的调节作用中除了比例调节之外还有积分调节，这样当指令和反馈 出现偏差时，通过积分调节作用来消除余差，从而更好地对机组进行调节。同时二次调频的输出，即转速PI无差调节的输出指令叠加到原有的功率给定指 令之后输出来控制调节阀门。4、机组重新并网后DEH自动退出二次调频当转速满足同期要求后，机组可以重新并网，这时转速稳定，DEH自动判断转速已 退出二次调频的死区范围，经延时确认后自动退出二次调频运行，进入正常的并网运行状 态。该步骤中当机组实际并网之后，转速信号实际为网频信号，因为机组实际已重新并网， 所以DEH控制系统要退出二次调频并转为功率控制。根据上述技术方案得到本实用新型的运行过程如图7所示，在该图中中间的竖线 描绘出了一次调频和二次调频的范围，横坐标代表功率、纵坐标代表转速，在第一象限的斜 线为不等率为5的功频曲线，当一次调频不能满足电网频率变化要求时，通过平移相应的 斜线来调整，这就是二次调频的过程。二次调频的给定值可以是通过手动给定，但实际机组 运行中，通过人为的设定比较困难，所以在设计时通过DEH自动判断，并自动产生给定值。在运行的过程中如果大网运行时汽机的功率与小网上的负荷相差很大时，发生甩 负荷带小网运行，可能使机组转速迅速上升。如图7所示，当功率不平衡量> 60%或机组转 速超过105%时(机组并网前的超速保护一般都为103%，但机组并网之后，为尽量避免小 网工况超速保护的动作，所以超速保护设定为105% )，OPC保护控制动作，迅速关闭调门， 使汽机功率迅速下降，以使功率与负荷尽快接近平衡，当转速下降后，再由上述一次、二次 调频功能完成频率调整。在升速过程中，OPC的动作值仍为103%，保持不变。控制系统一旦检测到小网运行，则切除CCS遥控，投入二次调频回路，以降低DEH 功率定值。如图所示，最终稳定在额定周波。本实用新型提供的控制系统在实际运行时对于电气并网开关由于电气线路复 杂，运行方式多样，难于提供机组带大网、小网的运行方式的状态，在这种情况下，DEH采用 判断当前周波的办法，一般当转速在+102%以上时，认为带小网运行，投入二次调频。对于小网运行的信号功率平衡的控制中采用三路调节级压力作为汽机功率，发 电机出口功率信号作为发电机功率。DEH系统的并网信号采用发电机出口 BR开关为汽机真实并网，故需将有关线路开关状态均引入DEH。本实用新型在实际应用时，只要在原有控制系统进行一定的修改即可实现本实用 新型相应的功能，具体的修改分为硬件和软件两部分硬件修改1)将带有二次调频保护的SDP卡替换掉原有的SDP卡；3)将代表发电机负荷和汽轮机负荷的功率和中压排汽压力信号引入SDP端子板 中；3)增加二次调频的超速保护动作定值为103%。软件修改1)在组态中增加汽机超速启动快速减负荷的功能；2)增加二次调频的PI无差调节功能并与原有逻辑实现无缝结合；4)增加小网运行时需要重新并网的自动同期功能，即通过PID调节满足机组转速 与电网转速的匹配实现同期并网功能；5)相应的HMI画面修改，即当DEH进入/退出二次调频后在画面上闪烁。通过上述修改得到的汽机控制系统在进行仿真试验时，将DEH系统与仿真器连 接，在仿真器中装入汽机及发电机的仿真模型，并模拟电厂的电气回路图，模拟电气回路故 障的工况，监视二次调频的动作情况及汽机实际转速的飞升情况。当汽机运行网频稳定在 要求的范围内后，DEH自动退出二次调频、并入电网。通过上述修改得到的汽机控制系统实际用于某电厂南汽50丽机组控制时，该电 厂的发电机出口电气回路如图8所示。本实用新型实际应用时，当机组并网运行时出现电气故障，线开关1断开而线开 关2闭合时即发生带小网运行工况。一般情况下汽机所发功率与110KV上的负荷不相等， 因此110KV小网周波必然发生波动。由于通过上述的修改在原有的DEH控制系统的基础上增加二次调频的功能，此时 DEH控制系统首先按照一次调频的静特性增/减汽机负荷，以稳定小网周波，同时DEH控制 系统根据线开关1的状态判断是否处于带小网运行，一旦检测到小网运行，则切除CCS遥 控，投入二次调频回路，以降低DEH功率定值，最终稳定在额定周波。上述实际操作中，当南汽50MW机组从6MW甩至0. 72MW, DEH自动投入二次调频并 进行调节，甩负荷的瞬间转速最高飞升为3141rpm，最低转速为^99rpm，振荡半个周波，稳 定时间为MS，由图9所示的甩负荷曲线可知，其达到了非常好的控制效果。本实用新型在 大型单元机组中运行时，均可得到类似的运行机组试验结果，具有很广的应用前景。以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点。本行 业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施案例的限制，上述实施案例和说明书中 描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新 型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用 新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求1.一种针对汽机局域网运行的控制系统，包括一 DEH控制系统，其特征在于，所述DEH 控制系统中设置三块冗余的测速及超速保护模块SDP，所述三块测速及超速保护模块SDP 通过三选二继电器连接控制现场OPC电磁阀，并与相应的站控制卡连接，所述相应的站控 制卡与DEH控制系统中的DPU连接；所述每块测速及超速保护模块SDP中设置有通过超速 保护动作定值限制、发电机和汽轮机负荷不平衡保护两种方式同时来限制汽机的超速的超 速限制模块；所述DPU中设置有通过PI无差调节的方式实现机组进入局域网运行时电频率 为50Hz的二次调频模块。
2.根据权利要求1所述的一种针对汽机局域网运行的控制系统，其特征在于，所述超 速保护动作定值为汽轮机额定转速的103%。
3.根据权利要求1所述的一种针对汽机局域网运行的控制系统，其特征在于，所述超 速限制模块为在发电机和汽轮机负荷的功率的不平衡量>60%时触发保护的限制模块。
专利摘要本实用新型公开了一种针对汽机局域网运行的控制系统，包括一DEH控制系统，所述DEH控制系统中设置三块冗余的测速及超速保护模块SDP，所述三块测速及超速保护模块SDP通过三选二继电器连接控制现场OPC电磁阀；所述每块测速及超速保护模块SDP中设置有超速限制模块；所述DPU中设置有二次调频模块。本实用新型能够有效的解决现有汽机控制系统在机组处于孤网或局域网这种特殊的运行工况时所存在的问题。
文档编号G05B19/418GK201897723SQ20092021226
公开日2011年7月13日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者沈志林, 王卫龙, 鲁杰 申请人:新华控制工程有限公司