DEH掃描周期對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的影響

顧正皓，張 寶，吳文健，陸 誠(chéng)

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

DEH掃描周期對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的影響

顧正皓，張 寶，吳文健，陸 誠(chéng)

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

汽輪機(jī)DEH具有固定的掃描周期，而所控制的對(duì)象卻是連續(xù)系統(tǒng)，因此掃描周期的大小對(duì)于汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)具有一定的影響。通過(guò)仿真手段，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行理論分析和探討，結(jié)果表明，掃描周期對(duì)于汽輪機(jī)防超速保護(hù)影響較大，對(duì)汽輪機(jī)控制影響較小，這一結(jié)論對(duì)于汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造有參考作用。

汽輪機(jī)；掃描周期；控制系統(tǒng)；DEH

0 引言

目前，大型火電廠汽輪機(jī)控制系統(tǒng)普遍采用DEH（數(shù)字電液控制系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)與保護(hù)。DEH分專用型與通用型2種，均為以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字式離散控制系統(tǒng)。

離散控制系統(tǒng)對(duì)于輸入信號(hào)采用固定間隔時(shí)間進(jìn)行采樣，具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）相對(duì)于模擬量控制系統(tǒng)，提高了輸入信號(hào)的測(cè)量精度。

（2）數(shù)據(jù)通信采用數(shù)字格式，數(shù)字信號(hào)抗干擾能力要比模擬量信號(hào)強(qiáng)，提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

（3）相對(duì)于采用現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)，可以采用同一信道傳送多路信號(hào)。

（4）可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有靈活性和易用性。

（5）相對(duì)于模擬量控制系統(tǒng)可以減少由于輸入信號(hào)帶來(lái)的噪聲，提高控制系統(tǒng)的可靠性。

但這種控制系統(tǒng)也有以下缺點(diǎn)：

（1）由于連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為具有一定時(shí)間間隔的數(shù)字量，降低了系統(tǒng)的可靠性。

（2）由于被控制系統(tǒng)是連續(xù)系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作方式也是連續(xù)的，數(shù)字控制系統(tǒng)的輸出在對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制前需要轉(zhuǎn)換為模擬量，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)丟失部分信息。

（3）在A/D和D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程以及程序執(zhí)行過(guò)程中引入了時(shí)間滯后。

離散控制系統(tǒng)存在一個(gè)掃描周期，DEH控制功能確定后，掃描周期的縮短就意味著控制器與數(shù)據(jù)通信總線負(fù)荷率的提高，而這是有明確規(guī)定的[1]。按照規(guī)程[2]的要求：控制器的處理周期應(yīng)滿足模擬量控制系統(tǒng)不大250 ms，開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)不大于100 ms，快速處理回路中，模擬量控制系統(tǒng)不大于125 ms，開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)不大于50 ms。這一控制周期對(duì)汽輪機(jī)的控制、尤其是保護(hù)回路的功能是有影響的，處理不好，會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，后果可能十分嚴(yán)重。

1 汽輪機(jī)PLU功能介紹

部分汽輪機(jī)DEH中，設(shè)置有PLU（功率-負(fù)荷不平衡）功能，其目的主要是防止汽輪機(jī)在突然甩負(fù)荷時(shí)發(fā)生超速，動(dòng)作過(guò)程為：將再熱器出口壓力作為汽輪機(jī)的機(jī)械功率信號(hào)，將發(fā)電機(jī)電流作為汽輪機(jī)電功率信號(hào)，當(dāng)汽輪機(jī)電功率瞬間減少（變化率大于某一定值）且汽輪機(jī)機(jī)械功率與電功率的差值大于某一設(shè)定值時(shí)，快關(guān)高、中壓調(diào)門(mén)，達(dá)到快速減小機(jī)械功率的目的。

早期的PLU功能一般是通過(guò)專用卡件來(lái)實(shí)現(xiàn)，汽輪機(jī)電功率用發(fā)電機(jī)電流表征，掃描周期基本在10 ms以內(nèi)，應(yīng)用多年很少見(jiàn)異常報(bào)道。但近幾年部分新建或改造機(jī)組多傾向于將DEH與DCS（分散控制系統(tǒng)）一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件邏輯回路來(lái)實(shí)現(xiàn)PLU功能，汽輪機(jī)電功率的表征方式也從發(fā)電機(jī)電流改為發(fā)電機(jī)功率[3]。這產(chǎn)生了2個(gè)方面的問(wèn)題，一是功率變送器本身在輸入信號(hào)快速變化時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)畸變的問(wèn)題[4]；二是因軟件邏輯回路的掃描周期受控制器工作能力的制約無(wú)法設(shè)置過(guò)低（一般會(huì)設(shè)置為50 ms以上，比如設(shè)置為100 ms），由此而造成的故障判斷問(wèn)題。

在某些異常工況下，上述2個(gè)問(wèn)題對(duì)PLU功能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，以下在不考慮功率變送器造成的信號(hào)畸變情況下，重點(diǎn)討論掃描周期對(duì)PLU功能的影響。

2 掃描周期對(duì)PLU功能的影響

輸電線路開(kāi)關(guān)重合閘的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，特別是在一些雷電多發(fā)地區(qū)。由于輸電線路開(kāi)關(guān)重合閘的時(shí)間一般在100 ms以內(nèi)，目前采用軟件回路搭建的PLU控制回路掃描周期也在同一數(shù)量級(jí)。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少應(yīng)為信號(hào)測(cè)量頻率的一半，并且功率變送器的測(cè)量時(shí)間常數(shù)也在100 ms左右，因此對(duì)于電功率的采樣就存在相當(dāng)大的誤差。而在PLU功能中，電功率的變化率被作為一個(gè)重要的判據(jù)來(lái)使用，控制系統(tǒng)掃描周期不同，系統(tǒng)計(jì)算出來(lái)的變化率就會(huì)有差異，以電功率變送器測(cè)量值的變化率作為PLU功能的判據(jù)是否合適值得深入討論。

圖1是PLU功能中電功率變化率測(cè)量仿真模塊。按電功率變送器時(shí)間常數(shù)為100 ms，采樣系統(tǒng)以零階保持模擬，電功率先下降至0，100 ms后重合閘成功，功率恢復(fù)，建立電功率測(cè)量回路模型。設(shè)電功率開(kāi)始下降與采樣時(shí)刻重合，分別以100 ms，50 ms，10 ms的掃描周期對(duì)電功率信號(hào)變化率進(jìn)行采樣，所得仿真結(jié)果如圖2、圖3與圖4所示。

圖1 PLU功能中電功率變化率測(cè)量仿真

圖2 仿真原始信號(hào)

由圖4可見(jiàn)，不同的掃描周期下電功率的變化率不同，掃描周期越短，變化率就越大。由于采樣時(shí)刻很可能不與事故發(fā)生時(shí)刻重合，當(dāng)采樣時(shí)刻與事件發(fā)生時(shí)刻不同時(shí)，其變化率也不相同，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同的掃描周期和采樣時(shí)刻偏差對(duì)于信號(hào)的影響

可見(jiàn)，當(dāng)采樣時(shí)刻與事故時(shí)刻相同時(shí)，同一信號(hào)源下，掃描周期越小，電功率變化率的計(jì)算結(jié)果越大；當(dāng)掃描周期相同時(shí)，采樣時(shí)刻比事故時(shí)刻越滯后，電功率變化的計(jì)算結(jié)果越小。這一結(jié)果說(shuō)明，在汽輪機(jī)PLU功能中，條件“汽輪機(jī)電功率瞬間變化率大于某一定值”是否滿足，與掃描周期以及采樣時(shí)刻密切相關(guān)。當(dāng)掃描周期較大時(shí)，同一外界事故下，該條件可能或不滿足，此時(shí)PLU動(dòng)作有一定的不確定性。

由于專用卡件的掃描周期較短，這一問(wèn)題影響不大，但當(dāng)使用軟件回路實(shí)現(xiàn)PLU功能時(shí)，PLU功能可否正常動(dòng)作，取決于汽輪機(jī)電功率瞬間變化率的設(shè)置值，由于該值受掃描周期以及采樣時(shí)刻的影響，通常也難以確定。

目前許多機(jī)組DEH改造項(xiàng)目?jī)A向于采用軟件組態(tài)的PLU邏輯代替原來(lái)由硬卡件所實(shí)現(xiàn)的PLU功能，由于DEH軟件組態(tài)掃描周期較長(zhǎng)（一般都為50 ms以上），因此采用類(lèi)似的功率變化率方式的PLU組態(tài)容易誤動(dòng)和拒動(dòng)[3]。如果要使汽輪機(jī)PLU保護(hù)功能正確動(dòng)作，建議采用硬卡件實(shí)現(xiàn)保護(hù)邏輯，并且硬卡件的計(jì)算時(shí)間應(yīng)小于10 ms。

圖3 不同掃描周期下的電功率測(cè)量值

圖4 不同掃描周期下的電功率變化率的計(jì)算值

圖5 汽輪機(jī)甩負(fù)荷工況模型

3 掃描周期對(duì)于汽輪機(jī)甩負(fù)荷的影響

對(duì)于采用OPC（超速保護(hù)控制）預(yù)關(guān)調(diào)門(mén)、防止汽輪機(jī)超速保護(hù)功能的機(jī)組，掃描周期的快慢影響不大，而采用純轉(zhuǎn)速控制汽輪機(jī)超速的機(jī)組，采樣時(shí)間的快慢則有一定的影響。圖5是汽輪機(jī)甩負(fù)荷模型，設(shè)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)為8 s，汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù)為0.3 s，閥門(mén)時(shí)間常數(shù)為0.3 s，轉(zhuǎn)速不等率為5%，摩擦力矩為額定負(fù)荷的2.5%。改變不同的掃描周期（200 ms，100 ms，50 ms，10 ms），仿真結(jié)果表明掃描周期對(duì)于甩負(fù)荷工況下的最高轉(zhuǎn)速影響不大，具體結(jié)果如表2所示。

表2 掃描周期對(duì)轉(zhuǎn)子飛升的影響

但是，如果以200 ms采樣速率運(yùn)行，則甩負(fù)荷時(shí)刻與采樣時(shí)刻的偏差帶來(lái)了一定的延遲時(shí)間，使轉(zhuǎn)速飛升更高，一般如果延時(shí)100 ms，約增加30 r/min的轉(zhuǎn)速飛升。

此外，由于汽輪機(jī)的主要容積環(huán)節(jié)為再熱器容積環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)子慣性環(huán)節(jié)，其再熱器時(shí)間常數(shù)大于10 s，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)大于6 s。因此，常規(guī)DEH中的掃描周期都可滿足轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求。對(duì)于一次調(diào)頻等常見(jiàn)的電網(wǎng)頻率擾動(dòng)，其頻率擾動(dòng)時(shí)間通常均大于1 s，而小于1 s的頻率擾動(dòng)較少，因此DEH控制掃描周期對(duì)其影響不大。

4 結(jié)論

（1）控制系統(tǒng)的掃描周期對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行有一定影響，對(duì)于快速處理回路，規(guī)程中對(duì)掃描周期的規(guī)定“模擬量控制系統(tǒng)不大于125 ms，開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)不大于50 ms”的要求有時(shí)也無(wú)法滿足實(shí)際需要。

（2）汽輪機(jī)的PLU功能宜通過(guò)專用硬件實(shí)現(xiàn)，當(dāng)使用軟件邏輯實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)盡可能地縮短控制器的掃描周期，合理確定電功率變化率的定值，但這也不足以確保該功能的正常動(dòng)作，此類(lèi)改造需慎重。

（3）對(duì)于純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)下的甩負(fù)荷工況，掃描周期越短，最高飛升轉(zhuǎn)速越低。對(duì)于采用保護(hù)方式（如OPC）實(shí)現(xiàn)甩負(fù)荷功能的系統(tǒng)，影響較??；對(duì)于常規(guī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和一次調(diào)頻控制功能，掃描周期小于200 ms均可適用。

[1]國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T 659-2006火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社, 2006.

[2]國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T 774-2004火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)檢修運(yùn)行維護(hù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[3]過(guò)小玲，鄭渭建.取消東汽機(jī)組PLU保護(hù)的可行性探討[J].浙江電力，2012，31（1）∶52-54.

[4]張寶，楊濤，項(xiàng)瑾，等.電網(wǎng)瞬時(shí)故障時(shí)汽輪機(jī)汽門(mén)快控誤動(dòng)作原因分析[J].中國(guó)電力，2014，47（5）∶25-27.

（本文編輯：陸 瑩）

Influence of DEH Scan Period on Steam Turbine Control System

GU Zhenghao，ZHANG Bao，WU Wenjian，LU Cheng
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Digital electro-hydraulic control system（DEH）owns fixed scan period，but the controlled target is continuous system.Therefore the scan period to some extent influences governing and control system of steam turbine.The paper theoretically analyzes and discusses this issue through simulation methods.The result shows that scan period greatly influences overspeed protection of steam turbine while seldom influences steam turbine.The conclusion provides reference for design and retrofit of steam turbine control system.

steam turbine；scan period；control system；DEH

TK323

B

1007-1881（2015）09-0058-04

2015-07-15

顧正皓（1972），男，高級(jí)工程師，從事汽輪機(jī)及其控制技術(shù)、網(wǎng)源協(xié)調(diào)方面的研究工作。