大型水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)流程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

余明明，李 輝，汪 林，丁萁琦

(中國長江電力股份有限公司溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657300)

水電站黑啟動(dòng)是指在廠用交流電全部消失的情況下，利用水電站事故備用電源(如柴油發(fā)電機(jī)等)實(shí)現(xiàn)某一臺(tái)具有黑啟動(dòng)功能的機(jī)組正常啟動(dòng)、建壓，再通過該機(jī)組恢復(fù)廠用交流電，逐漸恢復(fù)其他機(jī)組正常啟動(dòng)并配合調(diào)度系統(tǒng)恢復(fù)對外供電[1]。

當(dāng)前，我國的電網(wǎng)系統(tǒng)通過改變系統(tǒng)運(yùn)行方式(如通過柔性直流輸電實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電網(wǎng)“背靠背”異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行)等措施來提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，使得發(fā)生大面積停電事故的幾率不斷下降，但因我國幅員遼闊、電網(wǎng)覆蓋面積巨大，且近些年來極端災(zāi)害天氣發(fā)生的頻率較以往有所提高,所以不能完全排除發(fā)生大面積停電事故的可能性。如何在發(fā)生大面積停電事故時(shí)迅速恢復(fù)供電、減少停電造成的損失成了當(dāng)務(wù)之急。

水電機(jī)組因開機(jī)快、啟動(dòng)簡單的特點(diǎn)，決定了水電站比較適合作為電網(wǎng)系統(tǒng)黑啟動(dòng)的電源電站。在水電機(jī)組黑啟動(dòng)的過程中，調(diào)速系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)廠用交流電“動(dòng)力系統(tǒng)”的角色。不同于平時(shí)常見的“空載態(tài)”、“負(fù)載態(tài)”，“黑啟動(dòng)態(tài)”要求從硬件回路、程序邏輯等方面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，下文就這兩個(gè)方面進(jìn)行簡要討論。

1 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)態(tài)概述

“黑啟動(dòng)態(tài)”可以看作大型水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)除“空載態(tài)”、“負(fù)載態(tài)”之外的第三種狀態(tài)；與另外兩種狀態(tài)相比，它具有以下特點(diǎn)：

1)與“空載態(tài)”相同，調(diào)速系統(tǒng)“黑啟動(dòng)態(tài)”均運(yùn)行于頻率模式，但兩者調(diào)節(jié)的目標(biāo)值不同：“空載態(tài)”頻率調(diào)節(jié)的目標(biāo)值為“50 Hz±滑差”，而“黑啟動(dòng)態(tài)”頻率調(diào)節(jié)的目標(biāo)值為“50 Hz”；

2)與“負(fù)載態(tài)”相同，調(diào)速系統(tǒng)在“黑啟動(dòng)態(tài)”時(shí)均帶負(fù)載，但“黑啟動(dòng)態(tài)”下調(diào)速系統(tǒng)僅帶廠用電設(shè)備運(yùn)行，與正常“負(fù)載態(tài)”相比，機(jī)組此時(shí)的有功功率要小很多。

綜上所述，調(diào)速系統(tǒng)“黑啟動(dòng)態(tài)”可以看作一種特殊模式的“負(fù)載態(tài)”，以穩(wěn)定頻率在“50 Hz”為控制目標(biāo)，同時(shí)帶孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的低負(fù)載設(shè)備運(yùn)行。

2 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)硬件回路設(shè)計(jì)

與其他兩種狀態(tài)不同，調(diào)速系統(tǒng)不能主動(dòng)通過采集外部信號(hào)并通過程序判斷進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)，而是需要接受監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)命令”或“黑啟動(dòng)狀態(tài)復(fù)歸命令”，再綜合其他輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷后進(jìn)入或退出“黑啟動(dòng)態(tài)”，同時(shí)將相關(guān)信號(hào)反饋給監(jiān)控系統(tǒng)[2]。因此，調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)硬件硬件回路主要包含兩個(gè)部分：控制命令接收和狀態(tài)信號(hào)反饋。

2.1 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)控制命令接收

調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)控制命令來自于監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)通過PLC的開關(guān)量輸出(DO)模塊，將“黑狀態(tài)啟動(dòng)命令”或“黑啟動(dòng)狀態(tài)復(fù)歸命令”下發(fā)至調(diào)速系統(tǒng)PLC的開關(guān)量輸入(DI)模塊。一般的，該命令為3 s脈沖；同時(shí)，為了避免兩套不同系統(tǒng)之間PLC模塊串電，監(jiān)控系統(tǒng)的命令經(jīng)過開出繼電器進(jìn)行隔離后再下發(fā)至調(diào)速系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)控制命令接收回路示意圖

2.2 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)狀態(tài)信號(hào)反饋

調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入或退出“黑啟動(dòng)態(tài)”后，需將自身的狀態(tài)信號(hào)反饋給監(jiān)控系統(tǒng)，以便于監(jiān)視和控制。一般的，該狀態(tài)信號(hào)是調(diào)速系統(tǒng)PLC的DO模塊送至監(jiān)控系統(tǒng)PLC的DI模塊。除了因防止兩套不同系統(tǒng)模塊串電而加裝調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)反饋信號(hào)繼電器外，為隔離需要，調(diào)速系統(tǒng)PLC的DO信號(hào)還需經(jīng)過光隔離模塊后，才將信號(hào)下發(fā)至反饋信號(hào)繼電器，并通過該繼電器將信號(hào)上送至監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)狀態(tài)信號(hào)反饋回路示意圖

3 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)程序邏輯設(shè)計(jì)

調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)程序邏輯設(shè)計(jì)主要包含三個(gè)方面：輸入/輸出信號(hào)定義、黑啟動(dòng)態(tài)定義及三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯和黑啟動(dòng)態(tài)控制流程[3]。下文就從該三個(gè)方面內(nèi)容展開討論。

3.1 輸入/輸出信號(hào)定義

如本文第2部分所述，調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)輸入信號(hào)包含兩個(gè)，分別是“黑狀態(tài)啟動(dòng)命令”和“黑啟動(dòng)狀態(tài)復(fù)歸命令”；調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)輸出信號(hào)只有一個(gè)，即“調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)狀態(tài)”。調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)輸入/輸出信號(hào)定義如表1所示。

表1 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)輸入/輸出信號(hào)定義

3.2 黑啟動(dòng)態(tài)及三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯

如本文第1部分所述，調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)態(tài)與其他兩種狀態(tài)有相似也有不同，因此需要重新對“黑啟動(dòng)態(tài)”重新進(jìn)行定義，使之成為與另外兩種狀態(tài)并列的第三種狀態(tài)：該狀態(tài)擁有獨(dú)立的判斷邏輯、控制流程和控制參數(shù)；同時(shí)為避免各狀態(tài)相互切換時(shí)出現(xiàn)紊亂，需對三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換邏輯進(jìn)行界定和明確。

3.2.1 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)態(tài)定義

調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)態(tài)，即調(diào)速系統(tǒng)在“空載態(tài)”的基礎(chǔ)上帶低負(fù)載的廠用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。一般情況下，調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入黑啟動(dòng)態(tài)包含以下兩種工況：

1)調(diào)速系統(tǒng)開機(jī)過程中接收到監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的“黑啟動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)命令”后進(jìn)入黑啟動(dòng)態(tài)；

2)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入“空載態(tài)”后，接收到監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的“黑啟動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)命令”，而后進(jìn)入黑啟動(dòng)態(tài)。

綜合考慮上述兩種工況，可以在“空載態(tài)”的基礎(chǔ)上對調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)態(tài)進(jìn)行定義；同時(shí)，需要注意的是，調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)態(tài)與空載態(tài)不同，其不判斷GCB位置，且調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入或者退出黑啟動(dòng)態(tài)由監(jiān)控系統(tǒng)命令觸發(fā)，因此，對調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)態(tài)定義如圖3所示。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)狀態(tài)定義

3.2.2 調(diào)速系統(tǒng)三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯

因調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)態(tài)獨(dú)立于其他兩種狀態(tài)，為避免調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)切換紊亂，需對三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯進(jìn)行界定和明確；根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)控制要求，三種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

1)“空載態(tài)”與“黑啟動(dòng)態(tài)”轉(zhuǎn)換關(guān)系?！翱蛰d態(tài)”與“黑啟動(dòng)態(tài)”可以相互轉(zhuǎn)換：當(dāng)機(jī)組處于“空載態(tài)”時(shí)，若調(diào)速系統(tǒng)收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動(dòng)態(tài)啟動(dòng)命令”則由“空載態(tài)”轉(zhuǎn)為“黑啟動(dòng)態(tài)”，若再次收到“黑啟動(dòng)態(tài)復(fù)歸命令”則由“黑啟動(dòng)態(tài)”轉(zhuǎn)為“空載態(tài)”。

2)“負(fù)載態(tài)”與“黑啟動(dòng)態(tài)”轉(zhuǎn)換關(guān)系。調(diào)速系統(tǒng)只能單方面由“黑啟動(dòng)態(tài)”轉(zhuǎn)為“負(fù)載態(tài)”，不能由“負(fù)載態(tài)”轉(zhuǎn)為“黑啟動(dòng)態(tài)”，即使有監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動(dòng)態(tài)啟動(dòng)命令”存在。因?yàn)檎{(diào)速系統(tǒng)處于“負(fù)載態(tài)”時(shí)導(dǎo)葉開限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“黑啟動(dòng)態(tài)”時(shí)的導(dǎo)葉開限，為避免可能出現(xiàn)的溜負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)定調(diào)速系統(tǒng)無論如何均不能由“負(fù)載態(tài)”轉(zhuǎn)為“黑啟動(dòng)態(tài)”。

當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)處于“黑啟動(dòng)態(tài)”時(shí)，若調(diào)速系統(tǒng)收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動(dòng)態(tài)復(fù)歸命令”，且GCB和母線串內(nèi)開關(guān)位置滿足相關(guān)條件，則轉(zhuǎn)為“負(fù)載態(tài)”。

3)“空載態(tài)”與“負(fù)載態(tài)”轉(zhuǎn)換關(guān)系?！翱蛰d態(tài)”與“負(fù)載態(tài)”可以根據(jù)條件進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，該部分為調(diào)速系統(tǒng)常規(guī)控制內(nèi)容，故不贅述。

調(diào)速系統(tǒng)三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯如圖4所示(箭頭代表可以往該狀態(tài)轉(zhuǎn)換)。

圖4 調(diào)速系統(tǒng)三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯示意圖

3.3 黑啟動(dòng)態(tài)控制流程

調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入“黑啟動(dòng)態(tài)”后，同“空載態(tài)”一樣運(yùn)行于頻率模式，所不同的是此時(shí)調(diào)速系統(tǒng)頻率控制目標(biāo)為50 Hz而非“50 Hz±滑差”，其目的在于調(diào)速系統(tǒng)要盡可能將頻率控制在額定頻率50 Hz附近，以便其所帶的廠用電負(fù)載能夠正常工作。

對應(yīng)于本文3.2.1中提到的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入黑啟動(dòng)態(tài)的兩種工況，調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)態(tài)控制流程[4]如圖5所示。

圖5 調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)態(tài)控制流程

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場系統(tǒng)母線接線方式，結(jié)合系統(tǒng)保護(hù)裝置的其他要求，最終選定某臺(tái)機(jī)組為黑啟動(dòng)機(jī)組，在硬件回路和程序修改的基礎(chǔ)上，共進(jìn)行了以下試驗(yàn)來驗(yàn)證大型水電機(jī)組調(diào)速器黑啟動(dòng)流程設(shè)計(jì)的正確性與可行性[5]。

4.1 無水條件下模擬試驗(yàn)

在無水條件下，模擬機(jī)組開機(jī)過程中接收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動(dòng)態(tài)啟動(dòng)命令”，調(diào)速系統(tǒng)正常進(jìn)入“黑啟動(dòng)態(tài)”且各參數(shù)調(diào)用正確，系統(tǒng)狀態(tài)反饋信號(hào)及HMI事件記錄正確；而后，調(diào)速系統(tǒng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動(dòng)態(tài)復(fù)歸命令”后，由“黑啟動(dòng)態(tài)”正常切換至“空載態(tài)”，且各參數(shù)調(diào)用正確，系統(tǒng)狀態(tài)反饋信號(hào)及HMI事件記錄正確。

在無水條件下，模擬機(jī)組開機(jī)至“空載態(tài)”，而后在接收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動(dòng)態(tài)啟動(dòng)命令”，調(diào)速系統(tǒng)由“空載態(tài)”正常切換至“黑啟動(dòng)態(tài)”且各參數(shù)調(diào)用正確，系統(tǒng)狀態(tài)反饋信號(hào)及HMI事件記錄正確；而后，調(diào)速系統(tǒng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動(dòng)態(tài)復(fù)歸命令”后，由“黑啟動(dòng)態(tài)”正常切換至“空載態(tài)”，且各參數(shù)調(diào)用正確，系統(tǒng)狀態(tài)反饋信號(hào)及HMI事件記錄正確。

在無水條件下，模擬機(jī)組開機(jī)至“負(fù)載態(tài)”，隨后在接收到監(jiān)控系統(tǒng)“黑啟動(dòng)態(tài)啟動(dòng)命令”后，系統(tǒng)仍處于“負(fù)載態(tài)”而未進(jìn)入“黑啟動(dòng)態(tài)”，程序執(zhí)行正確。

上述無水條件下的各項(xiàng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了硬件回路改造及程序修改的正確性。

4.2 有水條件下真機(jī)試驗(yàn)

在有水條件下，機(jī)組真實(shí)開機(jī)并重復(fù)無水條件下的各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果正確，滿足設(shè)計(jì)要求。在調(diào)速系統(tǒng)“黑啟動(dòng)態(tài)”且機(jī)組串內(nèi)開關(guān)分閘的狀態(tài)下，由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令合機(jī)組GCB，由調(diào)速系統(tǒng)帶主變壓器零起升壓，通過錄波系統(tǒng)監(jiān)視該過程中機(jī)組頻率最低下降至49.828 Hz，隨后機(jī)組頻率穩(wěn)定至49.95～50.05 Hz之間；隨后，由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令斷開GCB，通過通過錄波系統(tǒng)監(jiān)視該過程中機(jī)組頻率最高上升至至50.153 Hz，隨后機(jī)組頻率穩(wěn)定至50.00～50.05 Hz之間。該試驗(yàn)通過調(diào)速系統(tǒng)在黑啟動(dòng)態(tài)下真實(shí)帶主變等廠用電設(shè)備，驗(yàn)證了調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)態(tài)下頻率調(diào)節(jié)功能的正確性。

5 結(jié) 語

本文從硬件回路設(shè)計(jì)、程序邏輯設(shè)計(jì)等方面介紹了大型水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)黑啟動(dòng)功能的流程設(shè)計(jì)，并通過無水模擬試驗(yàn)以及有水真機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了該流程的正確性與可行性，為后續(xù)水電站全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的黑啟動(dòng)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。