新一代同步調(diào)相機直流油泵控制方案設(shè)計

黃金軍，楊鵬程，文耀華，王 慶，咸哲龍

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106；2.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031；3.上海電氣電站設(shè)備有限公司上海發(fā)電機廠，上海 200240)

0 引言

隨著我國超大容量、遠距離特高壓直流輸電工程的大規(guī)模建設(shè)與發(fā)展，特高壓送受端交流系統(tǒng)的動態(tài)無功需求特性與國外及國內(nèi)傳統(tǒng)場景有著明顯差異，如特高壓直流大規(guī)模饋入受端系統(tǒng)的動態(tài)無功儲備顯著下降，電壓調(diào)節(jié)特性變差，電壓穩(wěn)定問題突出。另一方面，隨著新能源電源的大量集中開發(fā)以及向邊遠地區(qū)擴展，電網(wǎng)架構(gòu)薄弱的送端交流系統(tǒng)暫態(tài)過電壓問題日益凸顯，直流系統(tǒng)輸電能力嚴重依賴于送端火電開機方式，制約了清潔能源的送出[1]。

綜合特高壓直流送受端系統(tǒng)對動態(tài)無功的新需求，目前主流的動態(tài)無功補償裝置，如靜止無功補償器(static var compensator，SVC)及靜止無功發(fā)生器(static var generator，SVG)等優(yōu)勢不明顯。系統(tǒng)需要具備次暫態(tài)及暫態(tài)響應(yīng)快、短時過載能力強、對交流系統(tǒng)電壓依賴性弱等特點的動態(tài)無功設(shè)備[2-10]。為此，次暫態(tài)特性優(yōu)、安全可靠性高、運行維護方便的新一代同步調(diào)相機應(yīng)運而生。

潤滑油子系統(tǒng)是調(diào)相機系統(tǒng)的關(guān)鍵輔助系統(tǒng)之一。調(diào)相機是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，需要潤滑油對相關(guān)軸承潤滑并散熱，潤滑油系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定運行至關(guān)重要。潤滑油系統(tǒng)的運行依賴于潤滑油泵及頂軸油泵的可靠運轉(zhuǎn)。在對這兩類油泵進行冗余度設(shè)計時，秉承特高壓換流站關(guān)鍵設(shè)備多重化及控制回路冗余的思路，采用“一主(交流油泵)、一備(交流油泵)、一遠備(直流油泵)”三重化冗余方式，保證潤滑油系統(tǒng)高可靠性運行。

本文通過介紹新場景下直流油泵的控制要求及常規(guī)控制方案，總結(jié)出常規(guī)控制方案存在的不足[8-10]；在常規(guī)方案的基礎(chǔ)上，進行硬件及控制策略的改進，得出適用于新一代調(diào)相機的直流油泵控制方案。該方案使得運行維護方便且可靠性高。目前，首批17臺調(diào)相機均采用此方案，現(xiàn)場運行穩(wěn)定。

1 新一代調(diào)相機直流油泵控制要求

新一代調(diào)相機設(shè)計額定容量為滯相300 MV，進相 150 MV。分雙水內(nèi)冷和純風(fēng)冷兩種機型。潤滑油系統(tǒng)均配備“兩交一直”的潤滑油泵和頂軸油泵。

調(diào)相機在啟動、運行及停機過程中，正常情況下，交流潤滑油泵一臺工作、一臺備用，只有在兩臺交流潤滑油泵均工作異?；驖櫥湍腹軌毫ο陆档揭欢ㄖ禃r，才需將直流潤滑油泵作為遠備啟動。

與直流潤滑油泵相比，直流頂軸油泵的啟動限制因素更多。正常情況下，頂軸油泵工作時間較短，僅在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在0轉(zhuǎn)(不包括0轉(zhuǎn))至某個轉(zhuǎn)速值(該值一般小于額定轉(zhuǎn)速，本文設(shè)為mr/min之間需運行，調(diào)相機并網(wǎng)運行時，頂軸油系統(tǒng)不工作。調(diào)相機轉(zhuǎn)速在0至m時，正常情況下，兩臺交流頂軸油泵一臺工作、一臺備用。只有在兩臺交流頂軸油泵均異?；蝽斴S油母管壓力下降到一定值時，才需要啟動直流頂軸油泵。

首批新型調(diào)相機均部署在特高壓換流站，調(diào)相機系統(tǒng)具有獨立于換流站控制系統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)，但監(jiān)盤地點與換流站一致，均在換流站主控室。調(diào)相機廠房距主控室較遠，本著全站統(tǒng)一管理的原則，調(diào)相機系統(tǒng)應(yīng)就地無人值班。所有附屬設(shè)備均需滿足高度自動化的遠程啟/?？刂埔?，包括獨立于DCS的直流油泵就地壓力與電氣聯(lián)鎖硬件回路的遠程自動投退。

2 常規(guī)控制方案

常規(guī)控制方案如下。

①直流油泵設(shè)有緊急啟動按鈕。該按鈕設(shè)置在集中控制室，在緊急情況下，由運行人員依據(jù)相關(guān)規(guī)程進行操作。

②DCS通過干接點信號與就地控制箱的二次控制回路接口，實現(xiàn)直流油泵的遠程控制。DCS遠程控制包括啟停信號；就地電控箱的反饋主要包括直流電源狀況，直流油泵遠控、運行、停止、勵磁欠流以及電流等信號。

③潤滑油/頂軸油母管就地壓力開關(guān)及交流油泵電氣聯(lián)鎖信號通過硬接線直接接入就地控制箱(下稱為“直流油泵就地硬聯(lián)鎖啟動回路”)。調(diào)相機運行時，若DCS發(fā)生故障，也能就地聯(lián)鎖啟動直流油泵。

常規(guī)控制方案存在以下問題。

①直流油泵緊急啟動按鈕觸發(fā)的啟動回路與DCS的其他控制功能存在共用板卡及機箱的可能性。當該板卡故障或其他功能引起該板卡或該機箱故障，緊急啟動功能有不可用的風(fēng)險。

②調(diào)相機系統(tǒng)存在較多的緊急啟動按鈕，在緊急情況下，需要運維人員判斷選擇操作，有誤拍緊急按鈕的可能，給運維人員造成運維壓力。

③DCS采用單路信號采集及控制回路，單一元件故障易引發(fā)油泵的拒啟或拒停，直流油泵的動作可靠性降低。

④在調(diào)相機正常停機時，需人為退出直流油泵就地硬聯(lián)鎖啟動回路，否則直流油泵會誤啟。

⑤頂軸油泵存在工作的轉(zhuǎn)速區(qū)間，因調(diào)相機并網(wǎng)后頂軸油系統(tǒng)不需啟動，若無人為就地干預(yù)，直流頂軸油泵不能正確工作。

綜上，常規(guī)方案中控制回路獨立性及冗余度不夠，就地硬聯(lián)鎖啟動功能自動化水平過低。

3 控制方案改進

①緊急停機系統(tǒng)設(shè)計。

單元機組僅設(shè)置一個緊急按鈕，為緊急停機按鈕，不再單獨設(shè)置各直流油泵的緊急啟動按鈕；緊急停機系統(tǒng)電氣上獨立于DCS，電源及硬件專用；緊急停機按鈕采用雙按鈕方式，緊急停機系統(tǒng)觸發(fā)后聯(lián)啟直流頂軸油泵。

②DCS遠程監(jiān)控。

為避免單一元件故障導(dǎo)致關(guān)鍵時刻油泵啟?？煽啃缘?，新一代調(diào)相機采用I/O雙重化方案，即所有監(jiān)控回路完全雙重化配置，就地控制箱相關(guān)啟停控制節(jié)點也雙重化配置。

③直流潤滑油泵。

設(shè)置在就地控制箱的就地硬聯(lián)鎖啟動功能增加“聯(lián)鎖投入”和“聯(lián)鎖退出”信號，均為短脈沖信號；就地控制箱對該兩信號進行自保持(雙繼電器冗余回路)，并反饋“直流潤滑油泵就地硬聯(lián)鎖回路已投入”冗余信號。

“聯(lián)鎖投入”信號由DCS輸出，邏輯為“TSI轉(zhuǎn)速大于零或交流潤滑油泵運行”；“聯(lián)鎖退出”信號也由DCS輸出，為保證聯(lián)鎖切除的正確性，邏輯建議為“TSI轉(zhuǎn)速等于零”與“人工后臺遙控確認信號”的與邏輯，進行人工后臺遙控操作時系統(tǒng)自動查詢“TSI轉(zhuǎn)速等于零”是否滿足，否則不允許進行后臺確認的操作。上述信號均冗余配置。

直流潤滑油泵控制如圖1所示。

圖1 直流潤滑油泵控制框圖

④直流頂軸油泵。

設(shè)置在就地控制箱的就地硬聯(lián)鎖啟動功能增加“聯(lián)鎖投入”和“聯(lián)鎖退出”信號，均為短脈沖信號；就地控制箱對該兩信號進行自保持(雙繼電器冗余回路)，并反饋“直流頂軸油泵就地硬聯(lián)鎖回路已投入”冗余信號。

“聯(lián)鎖投入”信號由DCS輸出，邏輯建議為“TSI轉(zhuǎn)速大于零且小于m，或交流頂軸油泵運行”；“聯(lián)鎖退出”信號也由DCS輸出，為保證聯(lián)鎖切除的正確性，邏輯建議為“TSI轉(zhuǎn)速等于零或大于m”與“人工后臺遙控確認信號”的與邏輯，進行人工后臺遙控操作時系統(tǒng)自動查詢“TSI轉(zhuǎn)速等于零或大于m”是否滿足，否則不允許進行后臺確認的操作。另外增加一個“系統(tǒng)崩潰指示”信號(如DCS雙電源故障等)，該信號直接與“聯(lián)鎖投入”信號并聯(lián)。上述信號均冗余配置。

直流頂軸油泵控制如圖2所示。

圖2 直流頂軸油泵控制框圖

⑤就地電控箱啟停直流油泵邏輯。

在直流潤滑油泵與直流頂軸油泵就地電控箱的就地壓力和電氣聯(lián)鎖啟動回路中增加雙重化的“聯(lián)鎖投入”與“聯(lián)鎖退出”信號，既保證聯(lián)鎖回路的自動投入，也可滿足在正常停機過程中直流油泵的安全停機，實現(xiàn)了遠程控制全覆蓋。

就地電控箱的啟停直流油泵邏輯框圖如圖3所示。

圖3 就地電控箱啟停直流油泵邏輯框圖

4 結(jié)論

本文通過歸納新需求下直流油泵的控制要求，論述了一般的常規(guī)控制方案，并以此為基礎(chǔ)，對緊急停機系統(tǒng)、DCS遠程監(jiān)控回路可靠性、直流油泵控制回路及就地電控箱啟停直流油泵邏輯等方面進行研究并優(yōu)化。該方案解決了常規(guī)方案中控制回路獨立性及冗余度不夠的問題，使控制可靠性得到提升；通過觸發(fā)并自保持等方式，實現(xiàn)了就地硬聯(lián)鎖啟動功能的自動化。新方案總體提升了潤滑油控制系統(tǒng)的可靠性，適用于新一代調(diào)相機系統(tǒng)。目前，首批17臺調(diào)相機均采用此方案，現(xiàn)場運行穩(wěn)定。該方案還將進一步在其他調(diào)相機工程中推廣實施。