基于Mark VIe控制系統同期卡實現死母線合閘方法

溫文忠

(深圳南山熱電股份有限公司，廣東 深圳 518052)

近十幾年來，世界各地發生多起電網大停電事故，如美加大停電、紐約大停電、海南大停電、珠海澳門大停電等，這些重大事故都造成了災難性的社會影響和經濟損失。電網的大面積停電事故使電網對電廠的黑啟動能力日益重視。

死母線合閘是燃氣輪機在黑啟動過程中恢復電網電源至關重要的一步。當燃氣輪機借助其他電源供電情況下啟機并到全速空載時，由于母線側依然沒電所以不能進行正常同期操作，此時需要死母線合閘方式恢復母線及廠用電，最終實現燃氣輪機帶自身廠用電運行，并按照電網的要求有步驟地恢復電網運行和用戶供電。

1 電廠概述

某電廠有三套9E燃氣輪機聯合循環機組，采用“一拖一”運行方式，即1臺120 MW燃氣輪機帶1臺60 MW汽輪機獨立運行。3臺燃氣輪機均為PG9171E型燃氣輪機，3臺汽輪機均為聯合循環雙壓凝汽式，出線電壓等級采用110 kV。燃氣輪機發變組采用單元接線方式，發電機由全連式離相封閉母線與主變直接連接，經過主變升壓至110 kV后，經過發變組出口斷路器送至三條110 kV母線，它們分別為110 kV 5M、110 kV 6M、110 kV 7M母線。燃氣輪機發變組斷路器同期功能由燃氣輪機控制系統Mark VIe 控制系統的同期卡實現。該電廠配置3臺高壓廠用變，其中#01、#03高壓廠用變從110 kV系統引接電源作為主供廠用電源，#02高壓廠用變從110 kV系統引接回6.6 kV電源作為全廠備用電源。

三套聯合循環機組編號分別為#1/#2機組、#3/#4機組及#10/#11機組。其中，#1、#3、#10 為 9E 燃氣輪機，#2、#4、#11為汽輪機。某電廠電氣一次接線圖如圖1所示。

圖1 某電廠電氣一次接線圖

為了實現燃氣輪機具備黑啟動功能，該電廠增設了儲能系統作為燃氣輪機啟動過程中所需電源。按照電網對黑啟動技術協議要求，電廠接到電網指令后，將本廠機組啟動至滿速，并向電廠的廠用公用系統供電，做好向周邊電廠、變電站送電準備工作，達到一個初始可控狀態。安全可靠死母線合閘對于快速恢復廠用電，達到一個初始可控狀態起著關鍵作用。

2 燃氣輪機控制系統介紹

2.1 Mark VIe 控制系統概述

Mark VIe是GE公司配套燃氣輪機的控制系統，是GE 核心的控制系統Mark 系列的最新型號，符合SIL3體系的三重冗余架構，充分保障了系統的可靠性與安全性，被廣泛應用到燃氣輪機、核電等對安全性要求極高的領域。

Mark VIe控制系統由硬件(Mark盤)、軟件(Toolbox ST)以及HMI(CIMPLICITY)組成。系統最大的特點就是采用三冗余TMR結構，其核心為3個完全相同互為冗余的控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉。燃氣輪機所有的順序控制、調節及保護功能均由這3個處理器來實現，從端子板到控制器也是采用三冗余結構，保證了系統安全穩定的運行。硬件主要由端子板、IO模塊、網絡通訊交換機、電源模塊以及控制器等組成。軟件則是由Toolbox ST和CIMPLICITY組成[1]。

2.2 系統功能

Mark VIe控制系統主要功能是在燃氣輪機啟動運行過程中實現對燃氣輪機的控制及保護，以確保燃氣輪機正常工作。燃氣輪機主控系統有：啟動控制系統、轉速控制系統、負荷控制系統、排氣溫度控制系統、進口導葉控制系統、燃料控制系統、發電機勵磁電壓控制系統、同期控制系統等。燃氣輪機主要的保護有：超速保護、危急遮斷保護、滅火保護、轉子振動保護、壓氣機喘振保護、排氣超溫保護、潤滑油溫度保護、發電機同期保護等[2]。

3 Mark VIe控制系統同期控制方式

3.1 控制基本原理

燃氣輪機發變組與母線準同期并列操作是將燃氣輪機發電機組升至額定轉速和額定電壓后，同時滿足4項準同期條件：(1) 發變組電壓相序與母線電壓相序相同；(2) 發變組電壓與并列點母線電壓相等；(3) 發變組的頻率與母線的頻率基本相等；(4) 合閘瞬間發變組電壓相位與母線電壓相位相同。同期裝置發出發變組出口斷路器合閘指令，使發變組并網。

3.2 Mark VIe 控制系統同期實現

在Mark VIe控制系統中，同期功能是由PTUR燃氣輪機控制卡和PPRO燃氣輪機保護卡共同來實現，其相應的端子板為TTUR和TPRO。TTUR 為輸入輸出端子板，主要連接的信號有：4路轉速、發電機電壓及母線電壓、發電機軸電壓和軸電流以及斷路器狀態等信號，并且接受來自PTUR和PPRO的同期信號。TPRO為模擬量輸入端子，可接受9路轉速信號、熱電偶信號、發電機和母線電壓信號以及4～20 mA模擬量輸入信號。

準同期實現由3個基本功能塊組成，每個功能塊具有1個出口繼電器，3個繼電器出口串聯，只有當3個功能塊全部同時滿足時，斷路器合閘指令才會發出。這3個功能塊分別對應的繼電器是：K25P、K25A、K25。正常情況下，繼電器動作通過Mark VIe 控制系統的控制器按照預置判斷條件來實現，如果條件滿足相應的功能塊繼電器動作如圖2 。同期功能實現與斷路器合閘線圈的接口在TTUR端子板上，發電機電壓和母線電壓經過TTUR板上的隔離變壓器隔離后進入運算單元。

圖2 TTUR 端子板準同期出口接口

3個繼電器實現功能如下：

(1) K25P：同期允許繼電器

由來自控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉申請指令直接啟動，采用三取二邏輯，是由程序來判斷燃氣輪機同期前運行狀態，主要包括燃氣輪機轉速達到額定穩定轉速、燃氣輪機啟動順控完成、發電機-母線頻差在0.05～0.4 Hz范圍、電機-母線電壓差(二次值)在0～2 VAC范圍內等條件滿足后，邏輯L25P 置1 而觸發繼電器K25P 帶電動作。

(2) K25：自動同步，合閘延時調節繼電器

由來自PTUR模塊的自動同期算法驅動，通過控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉申請指令直接啟動，采用三取二邏輯。該繼電器實現的基本功能是監控兩個電壓互感器輸入，當發電機電壓大于60 VAC(二次值)時，通過使用零電壓交叉技術來計算相位、滑移和加速度，來補償斷路器合閘時間延遲。在PTUR或TTUR I/O包上進行的計算，包括相位、滑移、加速和斷路器延遲的預期時間。根據測得的斷路器閉合時間，對延時參數進行調整，使其達到一定限度。此外，在自動同步邏輯中，設計了死母線或手動斷路器合閘的旁路邏輯Sync_Bypass0和Sync_Bypass1，讓K25不通過算法直接帶電，有關邏輯示意圖如圖3所示。

圖3 K25邏輯示意圖

自動同步條件判斷按照預置窗口如圖4所示來進行計算，它是由電流相位、滑差組成的，其中正滑移表示發電機頻率高于母線頻率。斷路器合閘命令發出時，發電機必須是滯后的，并且在過去連續的10個周期中一直是滯后的，并且預計在斷路器實際合閘時發電機電流相位變為超前于母線電流相位。自動同步不允許斷路器負滑差時合閘，速度通常匹配在+0.12 Hz滑差(發電機電壓和系統電壓頻率的差)。

圖4 預置窗口

(3) K25A：同期檢查，檢查滑壓和相位差在一個矩形窗口中(定值：相位差)

K25A 繼電器位于TTUR板上，但它由PPRO上的同期檢查算法驅動，同期檢查算法的執行由控制模塊〈R〉、〈S〉、〈T〉申請指令直接啟動，采用三取二邏輯，斷路器合閘線圈兩側的電壓必須要送到TTUR板，它可提供診斷信息也可測量斷路器合閘時間，使其最優，因此回路中需要一個斷路器的常開接點作為反饋。

K25A同期檢查算法是基于鎖相環技術。它是通過測兩個電壓互感器(PT)輸入，并計算發電機和母線電壓幅值和頻率、相位和滑差，當確定它們在同步檢查窗內時如圖5所示，并通過相關變量(發電機電壓、母線電壓、電壓差、頻率差、相位差)限制檢查時，繼電器K25A動作[3]。PPRO通過使用位于TTUR端子板上的斷路器閉合回路的接口來執行此功能。

圖5 標準同步檢查窗

另外，該算法采用鎖相環技術能夠輸出上述變量，同時設計了死母線或手動斷路器合閘的旁路邏輯Dead Bus，如圖6所示。

圖6 K25A邏輯示意圖

4 死母線合閘功能實現方法

4.1 基本思路

死母線合閘前運行人員確保母線為不帶電狀態，選擇死母線并網模式的情況下，不經過同期檢測，通過旁路控制程序驅使合閘K25P、K25和K25A繼電器帶電，發出斷路器合閘指令而合上斷路器，實現死母線并網。

4.2 K25P、K25和K25A 控制邏輯修改方法

4.2.1 在Mark VIe 控制系統需增加的信號

同期斷路器的接地刀和隔離刀的位置信號接入控制系統中作為允許“死母線合閘”的條件L83DB_PERM，同時增加選擇死母線合閘選擇按鈕指令L43DB_CPB。

4.2.2 邏輯修改方法

通過增加死母線合閘的邏輯L3DEADBUS，通過死母線或手動斷路器合閘的旁路觸發繼電器K25、K25A帶電，同時觸發L25P 讓K25P帶電。相關邏輯如圖7所示。

圖7 死母線合閘邏輯示意圖

4.2.3 靜態繼電器動作測試

在燃氣輪機停運的情況，通過仿真的方式模擬死母線合閘模式，驗證內容包括：同期繼電器K25P、K25、K25A的動作情況，還有斷路器合閘回路動作情況。

(1) 強置L25P =1，繼電器K25P動作，檢查TTUR端子3、4通斷情況驗證。

(2) 強置L25_BYPASS=1，L25_BYPASSZ=0，繼電器K25動作，檢查TTUR端子4、5通斷情況驗證。

(3) 在發電機控制柜模擬輸入發電機電壓信號(電壓信號6.9～100 VAC)，然后強置信號L25X_PERM=1、L25X_BYPASS=1，使繼電器K25A動作，檢查TTUR端子5、6通斷情況驗證。

5 結語

增加燃氣輪機死母線合閘功能，始終要把電廠系統安全放在首位來考慮，否則的話容易出現非同期合閘重大事故，它對有關設備如發電機及其與之相串聯的變壓器、開關等，破壞力極大，嚴重時會導致發電機繞組燒毀及端部嚴重變形，即使沒有立即將設備損壞，也可能造成嚴重的隱患。因此，在設計死母線合閘功能邏輯時，要熟悉同期卡的功能作用，須增加相關系統安全條件邏輯閉鎖。在執行前，須操作人員現場確定設備安全條件狀態。