300MW火电机组保安电源系统控制优化

李国浩，屈佳宾，李仁政

（1.神华国华三河发电有限责任公司，河北 三河 065201；2.神华内蒙古国华准格尔发电有限责任公司，内蒙古 准格尔 033399）

300MW火电机组保安电源系统控制优化

李国浩1，屈佳宾2，李仁政2

（1.神华国华三河发电有限责任公司，河北 三河 065201；2.神华内蒙古国华准格尔发电有限责任公司，内蒙古 准格尔 033399）

本文主要对某300MW火电机组保安电源系统进行分析，发现了其二次控制系统在设计上存在的问题，并提出了相应的优化技术方案，对保安电源系统二次侧PLC装置判据单一、检修状态下PLC装置切换逻辑无法执行等问题进行了完善，优化后的保安电源系统二次侧控制具有功能完整、可靠性高、维护方便等特点。

保安电源；PLC；控制逻辑；电压异常；保护

所谓保安负荷，是指为保证机组安全，在发电机组事故停机、单元系统停机时必须保持运行的负荷，主要包括热控控制系统电源、交流不间断电源、汽轮机交流润滑油泵电源、汽轮机盘车油泵电源、发电机密封油泵电源及事故照明电源等。一旦发生保安负荷停运，则会引起机组主设备损坏、自动控制系统失灵等严重问题，造成机组的非正常停运，延迟机组恢复供电时间，其经济损失和负面影响不可估量。《大中型火力发电厂设计规范》（GB50660-2011）中规定：容量为200MW及以上的机组应设置交流保安电源。火力发电厂中的保安电源为发电机组保安负荷提供交流电源，是保障电厂安全运行的重要电源，具有非常重要的作用。机组正常运行时，由400V低压厂用电系统对保安段负荷供电，当厂用电中断时，要求保安备用电源系统必须可靠切换，保证保安负荷的持续供电，防止重要设备发生损坏，以确保安全停机和保证机组主设备的安全。本文针对某电厂二期300MW机组保安电源切换逻辑设计、二次侧控制回路设计及系统控制与保护之间的配合进行深入分析，找出缺陷的根本原因，通过对逻辑与控制回路进行优化、合理配置保护，改善提高了保安电源切换的可靠性。

1 厂用保安电源接线运行方式

某电厂二期#3、#4两台300MW发电机组，每台发电机组由高厂变为两段6kV厂用工作段供电，每段6kV厂用段设置两台工作变，分别为#3机组400V低压厂用工作PC1、2段，#4机组400V低压厂用工作PC1、2段供电。在正常运行时，由各自工作PC段为400V保安31、32段，保安41、42段负荷供电。其中#3机组400V低压厂用工作PC1、2段至保安段两路电源进线开关互为备用；#4机组400V低压厂用工作PC1、2段至保安段两路电源进线开关互为备用。400V保安31、32段，41、42段第二工作备用进线分别取自一期#1、#2机组6kV公用01、02段，经各自保安变后为保安系统进行供电。

2 系统原设计概况

以#4机组保安41段运行为例，保安41段工作电源进线开关来自#4机组400V低压厂用工作PC1段的工作电源进线A开关，备用电源进线开关来自#4机组400V低压厂用工作PC2段工作电源进线B开关。从一期6kV公用02段经保安变的工作电源进线C开关作为第二备用工作电源进线开关。系统接线情况如图1所示。

图1 #4机组保安41段一次系统图

#4机组正常运行时，400V保安41段由400V低压厂用工作PC1段供电，工作电源进线A开关处于合闸位置。两个备用工作电源进线开关处于分闸位置作为备用。若发生工作电源进线开关跳闸，PLC控制系统向第一备用电源开关发出合闸信号并立即合闸，若第一备用电源开关在设定范围时间内未能合闸，则PLC控制系统向第二备用电源开关发出合闸信号并立即合闸。PLC控制系统还通过加装在电源进线、保险下口的电压变送器对系统线电压进行实时监测，如检测到保安段母线电压较低，也会跳开工作电源开关，同时向第一备用电源开关发出合闸信号并立即合闸。当第一备用电源开关合闸后母线电压较低，则跳开第一备用电源开关，同时向第二备用电源开关发出合闸信号并立即合闸，保证对保安段的不间断供电。400V保安41段切换逻辑如图2所示。

图2 工作电源进线开关合闸逻辑关系图

这里需要说明的是，备用工作电源进线开关的合闸条件必须检测到工作电源进线开关已在分闸位置，备用电源进线开关自身在分闸位置无相关故障信号，且开关进线上口线电压正常。根据PLC控制逻辑，系统正常运行时手动拉开工作电源进线开关或工作电源进线开关跳闸以后，备用电源进线开关应自动合闸。而第二备用工作电源进线开关的合闸条件为工作电源进线开关和备用电源进线开关已跳闸，一期6kV公用02段电压大于第二备用工作电源进线开关启动电压值，且开关自身在分闸位置无相关故障信号。

3 事故概况及主要原因分析

3.1 厂用保安电源失电过程

#4机组在某次检修期间，机组41保安段由工作电源进线A开关合闸供电，备用工作电源进线B开关处于检修状态，第二备用电源进线C开关处于热备用状态。事发时因工作电源进线A开关电压变送器故障导致PLC控制系统误判断保安系统母线电压异常，随后跳开工作电源进线A开关并执行切换程序，而第二备用电源进线C开关也未能合闸，最终造成了#4机组41保安段失电。

3.2 问题原因分析

（1）PLC控制系统判据单一

PLC控制系统对于400V保安段母线低电压异常现象存在判据单一、逻辑简单的问题。工作电源进线A开关、备用电源进线B开关和第二备用电源进线C开关在各自进线上均安装有电压变送器，对各自开关进线的A、C两相电压进行实时采样，计算出线电压值并输出二次值至PLC控制系统作为母线电压异常判据。当母线真正发生电压异常情况时，此设计可以保证开关间的正常切换，但当电源开关进线处电压回路中保险熔断、或电压变送器发生故障，而实际母线电压正常时，则会造成PLC控制系统误跳电源进线开关，并启动备用电源投入。而备用电源所供电压与保安段母线电压多少会存在一定角度差，这样会对保安段母线电压以及负荷造成冲击。

（2）联启回路设计不合理

A、B、C三路电源进线开关合闸回路在设计时均串接入了另外两个开关的跳位常开接点，当开关分闸时接点处于闭合状态。以工作电源进线A开关运行为例，此时的备用电源进线B开关和第二备用电源进线C开关处于分闸状态，则保证了工作电源进线A开关的合闸回路时刻保持连通，而B、C开关的合闸回路中因串接了A开关的接点，所以处于断路状态。当保安电源进行切换时，PLC控制系统首先会发出A开关跳闸指令，A开关跳闸后，串接在B、C开关合闸回路中的A开关跳位接点此时会闭合，随后PLC控制系统会发出B开关合闸指令，同时B开关合闸完成切换。但此设计存在的问题是，当任一开关处于检修状态时会使其串接在其它开关的接点处于打开状态，这样会造成另两台开关合闸回路断路，当保安电源需要切换时无法完成切换。工作电源进线A开关二次侧接线图如图3所示。

图3 优化前工作电源进线开关二次侧接线图

上述两个问题是造成本次#4机组保安41段失电的主要原因。

4 解决问题的可行性优化方案

（1）对于保安段母线低电压异常问题，我们必须清楚当A、B、C开关中任一开关处于合闸状态，且出现开关电压回路中的保险丝熔断或电压变送器故障等问题时，如果此时400V母线电压正常，开关是不必切换的。所以在保安PC段母线处新加装了一组电压变送器，从保安PC母线上抽取A、C相电压作为模拟量送至新增变送器，目的是为了对母线A、C相电压进行实时采样并输出二次值至PLC控制系统，与原有的进线电压判据构成组合判据。只有当两个判据同时满足，PLC控制系统才会发出切换指令，而任一电压元件出现故障时只会发出报警，不会发生误跳工作电源开关。同时对于各备用电源进线开关来说，参与合闸判别条件中补充了开关进线所在母线电压检测条件，与开关进线上口电压检测构成了组合判据。

（2）保安电源系统增加电压异常判据条件后，对于电压元件发生的故障需要及时发现并处理，所以在保安电源进线柜处增加母线电压异常报警继电器JMX，将报警信号传送至机组DCS控制系统中，同时在DCS控制系统的保安电源系统监视画面中增加报警信息窗口。当A、B、C三路保安电源任意一路母线处出现电压异常状况时发出报警，运行值班人员能够及时发现，并根据报警信息准确做出判断，随后通知维护人员迅速处理故障，在最短时间内恢复正常运行状态，避免事故的继续扩大。

（3）针对电源开关合闸回路接点问题，现在A、B、C三路电源进线开关处各加装一多接点两位置转换开关，其两位置状态分别定义为“开关工作、试验位置”和“开关检修位置”，并做好标识，在新增转换开关取两对常开接点配二次线至端子排，并接在本路开关至其他两台开关的跳位接点上。当任一开关检修需要将开关拉至检修位置前，将转换开关切至“开关检修位置”，即可短接另外两台开关合闸回路中的跳位闭锁接点，使其合闸回路仍然贯通。如此即可正确执行PLC切换命令。优化后的工作电源进线开关二次侧接线图如图4所示。

图4 优化后工作电源进线开关二次侧接线图

上述优化完成后，当参与PLC控制系统低电压逻辑判据的单一电压元件故障时，不会出现误跳所属开关的情况，而只发报警信号。当工作电源开关上级电压异常且伴随母线电压异常时才会发出跳闸指令，并执行下一步切换程序；如A、B、C三路电源开关任一路开关进行检修时，只需将新增位置转换开关投至“开关检修位置”，从而保证了其余开关能够继续正确的执行PLC切换指令。

5 控制逻辑与保护配合研究

#3、#4机组厂用电系统低压厂用变压器中性点采取经高阻接地方式，属于小电流接地系统。以保安段为例，当某一负荷出现单相接地短路故障时，由于系统电压对称性并未被破坏，流经故障点的电流也仅为系统的电容电流，所以故障电流数值较小，即便发生故障后系统也可以继续运行一段时间。但随着运行时间的增加，非故障相对电压的升高很可能导致设备绝缘击穿，从而演变成相间短路、两相或多相接地。当发生相间短路、多相接地短路故障时，则会出现短路电流增大、线电压降低现象，这时用于保护负荷的快速过流保护就会启动并动作以切除故障点。与此同时，由于故障点处电压的降低会导致保安段母线电压降低，当达到PLC控制系统母线低电压判据动作值时，PLC控制逻辑判断保安段母线电压异常，从而发出切换保安电源的指令。

5.1 保护配置情况

目前保安段系统保护配置情况如下：电源进线开关使用施耐德MT型框架断路器，配置长、短延时过流保护，其中短延时过流保护延时0.3秒动作；负荷类开关使用施耐德NS型塑壳断路器，配置瞬时过流保护实现无延时动作，部分负荷还装设有马达控制器保护装置，所配置保护种类包括过负荷保护、三相不平衡保护、剩余电流保护、启动超时保护、堵转保护、失压重启动保护。保安系统中还有一部分负荷，如磨煤机润滑油泵、空预器油泵、火检风机等，在二期机组建设初期设计阶段并未考虑进行保护配置，当上述负荷处出现多点接地及相间短路等复合型故障时，只能依靠该段电源进线开关处的短延时过流保护动作跳闸，以达到切除故障点的目的。

5.2 存在的主要问题

从图2可以看出，保安段切换逻辑由工作电源进线开关自身跳闸，或因母线电压异常导致工作电源进线开关分闸中的任一方式启动并驱使进行。此时无论是因故障短路电流增大导致保护动作。还是因故障致使的母线电压降低造成的电源开关切换，在切换完成后因故障点依旧存在。备用电源开关的合闸条件经优化后，开关进线上口及母线电压均正常并满足要求，所以在故障点不会被切除的情况下保安电源会循环进行切换，这样势必会造成故障越级，扩大事故影响范围，甚至会造成重要设备的损坏及机组停运。

若保安段母线处出现故障点时，需要靠工作电源进线开关的短延时过流保护动作以切除故障母线。PLC控制系统内部逻辑切换脉冲指令发出时间约为5毫秒，控制回路中用于合闸和分闸的中间继电器动作时间各为20毫秒，开关合闸时间约为100毫秒，分闸时间约50毫秒，所以整体切换时间约为0.3秒左右，与保护的延时动作时间基本相同，也就是说当实际情况发生时电源开关切换会优先于保护动作。同时，频繁的切换也会使故障点因失去电源而影响到故障电流的大小，未必能满足保护动作条件。综上所述，目前的保护与控制系统存在时间级差配合不当的问题。

除此之外，当区外发生故障时可能会引起保安段母线电压的降低并达到切换动作值，PLC逻辑判断时间过短会造成保安段的无事故切换。

5.3 改进处理措施

对于自身无任何保护的保安负荷，为了避免在发生复合性故障时自身无保护问题，应按照目前已配置的保护方案加以配置，确保当故障出现后第一时间做出响应并迅速切除故障，避免故障越级跳闸，降低保安电源系统的可靠性。针对保安电源母线上出现的故障，以及发生区外故障时切换过于灵敏的问题，需要在PLC切换指令逻辑中增加不低于0.7秒的延时时间，这样使切换指令从发出至电源完成切换的时间不少于1秒。保证切换控制与瞬时过流保护、短延时过流保护、区外过流保护之间满足级差时间上的要求，达到保护先于切换动作的效果。

对于上述改进需要说明的是，当保安电源切换逻辑增加延时后，保安负荷在实际切换过程中能够依靠马达控制器保护装置中的失压重启动保护功能完成自启动，不必担心因切换时间过长导致的保安负荷失去问题。同时，保安负荷在设计时遵循冗余配置原则，当工作负荷因故障跳闸时，机组DCS系统执行保安负荷联启逻辑控制备用负荷实现无延时启动。当维护人员完成对工作负荷的检查处理后，由运行人员操作将其投入至热备用状态，此时的工作负荷则作为备用继续参与联启逻辑。

6 结语

发电机组保安电源系统的安全运行一直是电气专业非常重视的问题。本文所介绍的2×300MW发电机组保安电源系统利用了PLC控制系统逻辑配置灵活、组态方便的优势特点，通过与保护之间进行合理配合，并结合DCS系统的远方控制来实现保安电源的可靠备用自动投入。系统经过上述技术改进和优化后，电源开关的动作和切换更可靠、更灵活，同时也完善了备用电源自投退功能。改进后的切换逻辑及回路功能经过现场调试及多次试验后已成功应用于二期两台机组。下一步工作需结合机组检修对保安系统进行保护配置上的完善，并通过模拟试验加以验证，为机组的安全、稳定运行奠定基础。

[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：航空航天大学出版社，2005.

[2]王士政，冯金光.发电厂电气部分[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[3]黄纯华.发电厂电气部分课程设计参考资料[M].北京：中国电力出版社，1998.

[4]陈景惠.发电厂及变电站二次接线［M］北京:中国电力出版社，1992.

[5]刘善增.PLC 控制系统的可靠性设计[J].工业控制计算

TM621

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0062-04