汽机运行控制系统 技术领域 ：
本发明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。 背景技术 ：
随着计算机系统的不断发展， 汽机控制系统已基本被电液控制系统 DEH 取代最初 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 BR1 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。 发明内容 ：
本发明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。
为了解决上述技术问题， 本发明采用如下的技术方案 ：
汽机运行控制系统， 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 通过三选二继电器输出 OPC 信 号至控制现场 OPC 电磁阀， 并通过相应的站控制卡受控于 DEH 控制系统中的 DPU ； 所述每块 测速及超速保护模块 SDP 中设置超速限制模块， 所述超速限制模块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 ； 所述 DPU 中设置 有二次调频模块， 所述二次调频模块通过 PI 无差调节的方式实现机组进入局域网运行时 满足用电频率为 50Hz、 即 3000rpm 的要求。
所述超速限制模块中的超速保护动作定值限制方式为当汽机转速到达超速保护 动作定值后， 输出超速保护动作节点来进行限制。
所述超速保护动作定值为汽轮机额定转速的 103％。
所述超速限制模块中发电机和汽轮机负荷不平衡保护方式为当代表发电机和汽 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。
所述 DPU 中设置有二次调频模块通过如下步骤实现二次调频 ：
(1) 判断机组进入小网状态， 自动根据转速的变化情况判断机组是否进入小网运 行状态， 当转速大于 3030rpm 时， 判断机组处于小网或局域网运行 ；
(2) 快速减负荷调节， 在汽机转速上升引起 OPC 动作或 PLU 动作时， 启动 RUNBACK 信号来减少 DEH 控制系统的功率给定值以满足实际功率的需求。当转速波动上限减少到 OPC 动作值时， 进行二次调频 ； (3) 频率调节 ( 转速调节 )， 将转速的给定值设定为 3000rpm， 即频率为 50Hz， 将设 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 3000rpm ；
(4) 机组重新并网后退出二次调频， 当汽机转速满足同期要求后， 机组可以重新并 网， 判断汽机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。
所述步骤 (3) 中二次调频的输出由 PI 无差调节的输出指令叠加到原有的功率给 定指令得到。
根据上述技术方案得到的本发明是在原有 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 得本发明具有如下特点 ：
1) 本发明结构简单容易实现， 用户只要在原有设备的基础上进行一定的改动即可 实现本发明， 无需更换整套设备， 极大的节约资源。
2) 本发明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) 本发明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其 品质更高。
上述特点使得本发明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。
附图说明 ：
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
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 为本发明中 DEH 控制逻辑图。 图 7 为本发明进行超速保护和二次调频的示意图。 图 8 为本发明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 ：
为了使本发明实现的技术手段、 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， 进一步阐述本发明。
本发明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、 形成稳定的供 电频率。
基于上述原理， 本发明的具体实现如下 ：
为了实现对汽机转速控制达到超速保护， 如图 3 所示， 本发明提供的 DEH 控制系统 采用三重冗余的测速及超速保护模块 SDP， 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的软件都烧录在 FPGA 中， CPU 与 FPGA 一起实现 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， 本发明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 输出超速保护动作指令来限制的方式， 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(OVER SPEED PROTECTION) 信号， 去控制现场 OPC 电磁阀来有 效地抑制超速。
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， 功率 (MW) 代表发电机负荷， 中压排汽压力 (IEP) 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。
本发明在 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 +150rpm(5％ )。
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， 本发明在 DEH 控制系统中的 DPU 中增加了二次调频功能模块， 继而在 DEH 控制逻辑 中增加二次调频的逻辑部分， 本发明中增加的二次调频逻辑是在原有 DEH 并网控制逻辑中 增加转速闭环功能， 如图 6 所示。
本发明 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
由于距离等原因， 电厂很难提供给 DEH 线路侧合闸开关的节点状态。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判断， 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 3000rpm。 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发明的运行过程如图 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 小网运行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， 最终稳定在额定周波。
本发明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或小网运行方式的状态。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。
本发明在实际应用时， 只要对原有控制系统进行一定的修改即可实现本发明相应 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 ； 2) 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 50MW 机组控制时， 该电 厂的发电机出口电气回路如图 8 所示。
本发明实际应用时， 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， 一旦检测到带小网运行， 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 时， 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 2999rpm， 振荡半个周波， 稳定时间为 24S。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。本发明在大 型单元机组中运行时， 均可得到类似的运行机组试验结果， 具有广泛的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。 本行业的技术 人员应该了解， 本发明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 明本发明的原理， 在不脱离本发明精神和范围的前提下， 本发明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发明范围内。 本发明要求保护范围由所附的权利要求书 及其等效物界定。