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DCS在电力生产中得到了广泛的应用,

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摘 要:针对火力发电厂电气控制的特殊性以及DCS特点,结合姚孟发电有限责任公司(以下简称姚孟电厂)1、2号机组DCS改造,着重介绍了DCS在电气控制系统中的应用,并对其控制方案、逻辑设计、控制步序等作了详细的说明,指出DCS在电气控制中对于特殊问题的局限性。
 
关键词:DCS;电气控制;火电厂 
 
 近年来,DCS在电力生产中得到了广泛的应用,尤其300MW及以上容量机组的热工控制已全面采用DCS控制系统,逐步形成了数据采集DAS、模拟量控制MCS、顺序控制SCS、燃烧器管理BMS4大系统,在汽机、锅炉等热力设备的顺序控制、数据采集以及炉膛安全监控等方面取得了成功的经验,提高了电厂自动化水平和机组运行的安全性、经济性。与之相比,采用一对一硬手操方式的电气控制已显落后,电气控制纳入DCS。目前国内有许多大型火电厂已实施并积累了很多运行经验。但是,由于电气控制的特殊性,DCS用于电气控制有许多特殊问题需要解决。
 
1 电气控制的特点电气系统与热工自动化相比在控制要求及运行过程中有着很多不同点,电气的主要特点如下。
 
a.电气设备相对热工设备而言控制对象少,操作频率低,有的系统或设备运行正常时,经常几个月或更长时间才操作一次。
 
b.电气设备出现异常或跳闸时,必须立即处理,在取消中央信号系统后必须在设备发出报警后明确提示监控人员及时采取措施。
 
c.电气设备保护自动装置要求可靠性高,动作速度快。发电机-变压器组保护动作速度要求在几十毫秒以内;自动励磁调节器要求调节时间极短;自动准同期采用同步电压方式,转速、电压调整和滑压控制要求在5ms以内;厂用电快切装置快速切换时间一般小于60~80ms。后两者还需要对参数的相位、频率进行比较,一般的直流采样的模拟量采集单元是不能满足要求的。d.300MW及以上机组一般每两台机组共用一台启/备变压器,任何一台机组检修时都不能影响另一台机组的正常运行,因此DCS控制应考虑其控制方式,确保在一台机组检修时,另一台机组能够对共用部分进行监视和控制,并且这种操作控制权能实现切换。
 
e.电气系统的联锁逻辑较简单,对动作速度有严格限制,但电气设备本身操作机构复杂。f.对于备用电源,必须考虑全厂失电情况下的应急措施。
 
g.为了充分发挥DCS的功能,对于一些子系统如直流系统、电度表抄表系统、微机保护监视等应当采取接入措施。h.电气量同热工量相比,常规控制所需的模件类别和性能并没有特别的要求,但是,电气控制系统可靠性要求比较高,应设置电气单独的控制器,以利于实际工作的顺利进行。因此,机组的电气系统纳入DCS控制,要求控制系统具有很高的可靠性,同时还应保留自动励磁调节器、自动准同期装置、厂用电切换装置、保护装置、故障录波装置等自动装置。对于备用电源的可靠投入,应设置必要的后备硬手操。
 
2 1号机DCS的构成及特点DCS是以微处理器为基础,根据系统控制的原理,综合了计算机技术、控制技术、通讯技术、图形显示技术,实现集中管理,分散控制。姚孟发电有限责任公司(以下简称姚孟电厂)1号机DCS系统采用西屋公司OVATION系统,DCS共有12对DPU,分别承担模拟量控制(MCS)、燃烧器管理(BMS)、顺序控制(SCS)、数据采集功能(DAS)以及电气顺控(ECS)等功能。系统还包括1台历史站、1台工程师站,5台操作员站。OVATION系统的I/O硬件性能非常优越,精度高,模拟量输入信号精度为全范围±0.1%(高电平),±0.15%(低电平),输出信号精度为±0.1%。系统响应周期短,CRT画面对键盘操作指令的响应时间小于1s,画面数据刷新周期小于1s。
 
3 1号机DCS电气改造方案在1号机大修中机炉控制方式改为DCS,根据单元机组的运行和电气控制的特点,电气控制系统纳入1号机DCS监控的范围为:1号发电机-变压器组、1号机和2号机厂用电系统、公用及备用电源系统、直流系统、运行参数监视及报警等。1、2号机电气控制部分用了AI、DI、DO、RTD、SOE和LC卡共6种卡件。其中AI有96点,DI有542点,DO有180点,RTD有18点。电气控制使用第12对DPU,共有3个控制柜,AI卡18块,RTD卡7块,DI卡42块,DO卡13块,SOE卡3块,LC卡5块。其中,SOE卡接各个开关分闸位置接点,利用其1ms的分辨速率和时间标记功能作为事故情况下开关动作情况的记录分析,LC卡接入厂用电自动抄表系统、直流系统、6kV厂用电微机保护监视系统、2个485接口的频率表。电气监控纳入DCS后,为保证机组自动启停和厂用电控制的自动实现,在逻辑控制上DCS应满足下列要求。
 
a.发电机系统能实现程序控制和软手操控制,使发电机由零升速、升压直到并网带初始负荷。机组正常启动时,当发电机达到额定转速时,DCS检测到汽机发来的“同期允许”信号后自动投入AVR。当发电机电压达到额定值时,DCS将投入同期装置。发电机与电网的同期是由同期装置自动实现,在同期过程直接控制AVR、DEH,当同期条件满足时,向发电机断路器发合闸指令。在同期合闸成功,发电机电负荷达到一定值之后,DCS启动厂用电高速切换装置将高压厂用电快速从高压备用变压器切换到高压厂用变压器(下文简称高备变与高厂变)上。
 
b.当发电机断路器一侧或两侧无电压时,能用软手操解除同期闭锁,使断路器不经同期即可合闸。在断路器试验或传动时,设置此功能可以简化合闸条件。
 
c.发电机手动停机时应能鉴定发电机无输出功率才允许跳闸,保证机组停运时DCS能安全停机。机组正常停机时,DCS控制降低机组负荷,当机组负荷降到某一定值时,DCS启动厂用电高速切换装置将高压厂用电快速切换到高备变系统供电;当机组负荷降到零后,跳开主断路器,联跳汽轮机(主汽门关闭),发电机灭磁。d.能实时显示和记录上述发电机-变压器组系统和厂用电系统的正常运行、异常运行和事故状态下的各种数据和状态,保证电气系统在最安全合理的工况下工作。4 1号机电气控制系统逻辑设计根据电气系统的特点,将控制系统分为几个功能子组项,一个子组项被定义为电厂的某个设备组或某个装置及其工艺流程,如6kV快切装置及其所有相关设备(包括各种断路器、隔离开关等)。ECS功能子组及系统划分为发变组系统控制、380V备用电源自投控制、6kV快速切换装置控制、断路器合闸控制、机炉闸门及热控电源开关备用切换控制5个子组项。每个子组项包含了一个或多个典型逻辑模块。
 
4.1 驱动级管理模块驱动级模块主要包括有断路器合闸允许条件、单操分闸按键、单操合闸按键、操作确认键、故障确认键和联锁合/分闸输入信号、位置反馈输入信号以及去画面的状态显示、去现场的输出指令等。驱动级逻辑模块是完成各种操作的最基本的底层模块,是电气控制系统与被控设备本体电气控制之间的接口控制逻辑。
 
4.1.1 设计要求对单操和联锁信号进行不同处理。单操和联锁信号相或时,为了防止一路信号恒高而淹没其他脉冲信号,需要对各电平信号加以限定。联锁为电平信号,而在驱动级内用特殊函数转换为脉冲信号。单操本身即为一个一次性脉冲。b.对于每个断路器,均包括合闸允许、合闸请求、分闸请求、正在合闸、正在分闸、合闸失败、分闸失败、合闸位置、分闸位置、I/O失败、保护跳闸等画面显示点,对于某些有联锁的断路器还包括联锁合/分闸,禁止合/分闸的显示点。c.对于每个断路器合/分闸逻辑,为了防止合闸和分闸命令同时出现而造成电气故障,特别设计将合/分闸命令反馈到分/合闸命令RS触发器复位端,从而达到同一时间只能合闸或分闸,避免了发出合闸按钮的同时发分闸命令也有效的冲突。d.对于每个断路器逻辑,合闸请求和分闸请求均设置一定时间限制,在规定的时间内为请求合/分闸,此时按合/分闸确认键有效,过时无效。e.对于每个断路器逻辑,合/分闸命令发出一段时间后自动断电,并且在每次合/分断路器前均检测开关位置,如断路器已分/合,则发分/合命令无效。f.对于每个断路器控制逻辑,控制面板上设有故障确认键,用于联锁合/分断路器或保护跳闸时当断路器动作完毕后加以确认,使指示灯由闪光变为平光。
 
4.1.2 断路器典型操作
a.合闸允许条件:断路器分闸位置正确,断路器合闸电源完好,无故障报警(SE2-1GB-APF)。
b.当上述条件满足,允许合断路器。
c.调出需操作的断路器控制画面,断路器操作软开关有分闸(PK1)、合闸(PK2)、操作确认(PK8)、故障确认(PK7)4个按钮。
d.当按下合/分闸命令按钮,10s之内为合/分闸请求状态,此时按下合/分闸确认按钮将发出合/分闸命令,如超过10s仍没按相应的确认键,则合/分闸命令取消。
e.合/分闸时,如断路器已经处于合/分位置,则合/分闸命令无效。
f.合/分闸时,只有一个命令下达完毕,方可下达下一个命令。也即当合闸时,只有当合上以后,才可下达分闸命令,不能在合的过程中又分闸,或在分闸的过程中又按合闸按钮,此时即使按了,则后一命令无效。
g.断路器控制有预合、合闸、合闸后、预分、分闸、分闸后6个位置;在预合位置,绿色闪光;合闸后,红灯亮;预分位置,红色闪光;分闸后,绿灯亮。h.断路器显示状态有合闸请求、分闸请求、合闸允许、联锁合闸、联锁分闸、禁止合闸、合闸位置、分闸位置、合闸中、分闸中、合闸失败、分闸失败、I/O失败等。
 
 
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