基于Mark VIe控制系统同期卡实现死母线合闸方法

温文忠

(深圳南山热电股份有限公司，广东 深圳 518052)

近十几年来，世界各地发生多起电网大停电事故，如美加大停电、纽约大停电、海南大停电、珠海澳门大停电等，这些重大事故都造成了灾难性的社会影响和经济损失。电网的大面积停电事故使电网对电厂的黑启动能力日益重视。

死母线合闸是燃气轮机在黑启动过程中恢复电网电源至关重要的一步。当燃气轮机借助其他电源供电情况下启机并到全速空载时，由于母线侧依然没电所以不能进行正常同期操作，此时需要死母线合闸方式恢复母线及厂用电，最终实现燃气轮机带自身厂用电运行，并按照电网的要求有步骤地恢复电网运行和用户供电。

1 电厂概述

某电厂有三套9E燃气轮机联合循环机组，采用“一拖一”运行方式，即1台120 MW燃气轮机带1台60 MW汽轮机独立运行。3台燃气轮机均为PG9171E型燃气轮机，3台汽轮机均为联合循环双压凝汽式，出线电压等级采用110 kV。燃气轮机发变组采用单元接线方式，发电机由全连式离相封闭母线与主变直接连接，经过主变升压至110 kV后，经过发变组出口断路器送至三条110 kV母线，它们分别为110 kV 5M、110 kV 6M、110 kV 7M母线。燃气轮机发变组断路器同期功能由燃气轮机控制系统Mark VIe 控制系统的同期卡实现。该电厂配置3台高压厂用变，其中#01、#03高压厂用变从110 kV系统引接电源作为主供厂用电源，#02高压厂用变从110 kV系统引接回6.6 kV电源作为全厂备用电源。

三套联合循环机组编号分别为#1/#2机组、#3/#4机组及#10/#11机组。其中，#1、#3、#10 为 9E 燃气轮机，#2、#4、#11为汽轮机。某电厂电气一次接线图如图1所示。

图1 某电厂电气一次接线图

为了实现燃气轮机具备黑启动功能，该电厂增设了储能系统作为燃气轮机启动过程中所需电源。按照电网对黑启动技术协议要求，电厂接到电网指令后，将本厂机组启动至满速，并向电厂的厂用公用系统供电，做好向周边电厂、变电站送电准备工作，达到一个初始可控状态。安全可靠死母线合闸对于快速恢复厂用电，达到一个初始可控状态起着关键作用。

2 燃气轮机控制系统介绍

2.1 Mark VIe 控制系统概述

Mark VIe是GE公司配套燃气轮机的控制系统，是GE 核心的控制系统Mark 系列的最新型号，符合SIL3体系的三重冗余架构，充分保障了系统的可靠性与安全性，被广泛应用到燃气轮机、核电等对安全性要求极高的领域。

Mark VIe控制系统由硬件(Mark盘)、软件(Toolbox ST)以及HMI(CIMPLICITY)组成。系统最大的特点就是采用三冗余TMR结构，其核心为3个完全相同互为冗余的控制模块〈R〉、〈S〉、〈T〉。燃气轮机所有的顺序控制、调节及保护功能均由这3个处理器来实现，从端子板到控制器也是采用三冗余结构，保证了系统安全稳定的运行。硬件主要由端子板、IO模块、网络通讯交换机、电源模块以及控制器等组成。软件则是由Toolbox ST和CIMPLICITY组成[1]。

2.2 系统功能

Mark VIe控制系统主要功能是在燃气轮机启动运行过程中实现对燃气轮机的控制及保护，以确保燃气轮机正常工作。燃气轮机主控系统有：启动控制系统、转速控制系统、负荷控制系统、排气温度控制系统、进口导叶控制系统、燃料控制系统、发电机励磁电压控制系统、同期控制系统等。燃气轮机主要的保护有：超速保护、危急遮断保护、灭火保护、转子振动保护、压气机喘振保护、排气超温保护、润滑油温度保护、发电机同期保护等[2]。

3 Mark VIe控制系统同期控制方式

3.1 控制基本原理

燃气轮机发变组与母线准同期并列操作是将燃气轮机发电机组升至额定转速和额定电压后，同时满足4项准同期条件：(1) 发变组电压相序与母线电压相序相同；(2) 发变组电压与并列点母线电压相等；(3) 发变组的频率与母线的频率基本相等；(4) 合闸瞬间发变组电压相位与母线电压相位相同。同期装置发出发变组出口断路器合闸指令，使发变组并网。

3.2 Mark VIe 控制系统同期实现

在Mark VIe控制系统中，同期功能是由PTUR燃气轮机控制卡和PPRO燃气轮机保护卡共同来实现，其相应的端子板为TTUR和TPRO。TTUR 为输入输出端子板，主要连接的信号有：4路转速、发电机电压及母线电压、发电机轴电压和轴电流以及断路器状态等信号，并且接受来自PTUR和PPRO的同期信号。TPRO为模拟量输入端子，可接受9路转速信号、热电偶信号、发电机和母线电压信号以及4～20 mA模拟量输入信号。

准同期实现由3个基本功能块组成，每个功能块具有1个出口继电器，3个继电器出口串联，只有当3个功能块全部同时满足时，断路器合闸指令才会发出。这3个功能块分别对应的继电器是：K25P、K25A、K25。正常情况下，继电器动作通过Mark VIe 控制系统的控制器按照预置判断条件来实现，如果条件满足相应的功能块继电器动作如图2 。同期功能实现与断路器合闸线圈的接口在TTUR端子板上，发电机电压和母线电压经过TTUR板上的隔离变压器隔离后进入运算单元。

图2 TTUR 端子板准同期出口接口

3个继电器实现功能如下：

(1) K25P：同期允许继电器

由来自控制模块〈R〉、〈S〉、〈T〉申请指令直接启动，采用三取二逻辑，是由程序来判断燃气轮机同期前运行状态，主要包括燃气轮机转速达到额定稳定转速、燃气轮机启动顺控完成、发电机-母线频差在0.05～0.4 Hz范围、电机-母线电压差(二次值)在0～2 VAC范围内等条件满足后，逻辑L25P 置1 而触发继电器K25P 带电动作。

(2) K25：自动同步，合闸延时调节继电器

由来自PTUR模块的自动同期算法驱动，通过控制模块〈R〉、〈S〉、〈T〉申请指令直接启动，采用三取二逻辑。该继电器实现的基本功能是监控两个电压互感器输入，当发电机电压大于60 VAC(二次值)时，通过使用零电压交叉技术来计算相位、滑移和加速度，来补偿断路器合闸时间延迟。在PTUR或TTUR I/O包上进行的计算，包括相位、滑移、加速和断路器延迟的预期时间。根据测得的断路器闭合时间，对延时参数进行调整，使其达到一定限度。此外，在自动同步逻辑中，设计了死母线或手动断路器合闸的旁路逻辑Sync_Bypass0和Sync_Bypass1，让K25不通过算法直接带电，有关逻辑示意图如图3所示。

图3 K25逻辑示意图

自动同步条件判断按照预置窗口如图4所示来进行计算，它是由电流相位、滑差组成的，其中正滑移表示发电机频率高于母线频率。断路器合闸命令发出时，发电机必须是滞后的，并且在过去连续的10个周期中一直是滞后的，并且预计在断路器实际合闸时发电机电流相位变为超前于母线电流相位。自动同步不允许断路器负滑差时合闸，速度通常匹配在+0.12 Hz滑差(发电机电压和系统电压频率的差)。

图4 预置窗口

(3) K25A：同期检查，检查滑压和相位差在一个矩形窗口中(定值：相位差)

K25A 继电器位于TTUR板上，但它由PPRO上的同期检查算法驱动，同期检查算法的执行由控制模块〈R〉、〈S〉、〈T〉申请指令直接启动，采用三取二逻辑，断路器合闸线圈两侧的电压必须要送到TTUR板，它可提供诊断信息也可测量断路器合闸时间，使其最优，因此回路中需要一个断路器的常开接点作为反馈。

K25A同期检查算法是基于锁相环技术。它是通过测两个电压互感器(PT)输入，并计算发电机和母线电压幅值和频率、相位和滑差，当确定它们在同步检查窗内时如图5所示，并通过相关变量(发电机电压、母线电压、电压差、频率差、相位差)限制检查时，继电器K25A动作[3]。PPRO通过使用位于TTUR端子板上的断路器闭合回路的接口来执行此功能。

图5 标准同步检查窗

另外，该算法采用锁相环技术能够输出上述变量，同时设计了死母线或手动断路器合闸的旁路逻辑Dead Bus，如图6所示。

图6 K25A逻辑示意图

4 死母线合闸功能实现方法

4.1 基本思路

死母线合闸前运行人员确保母线为不带电状态，选择死母线并网模式的情况下，不经过同期检测，通过旁路控制程序驱使合闸K25P、K25和K25A继电器带电，发出断路器合闸指令而合上断路器，实现死母线并网。

4.2 K25P、K25和K25A 控制逻辑修改方法

4.2.1 在Mark VIe 控制系统需增加的信号

同期断路器的接地刀和隔离刀的位置信号接入控制系统中作为允许“死母线合闸”的条件L83DB_PERM，同时增加选择死母线合闸选择按钮指令L43DB_CPB。

4.2.2 逻辑修改方法

通过增加死母线合闸的逻辑L3DEADBUS，通过死母线或手动断路器合闸的旁路触发继电器K25、K25A带电，同时触发L25P 让K25P带电。相关逻辑如图7所示。

图7 死母线合闸逻辑示意图

4.2.3 静态继电器动作测试

在燃气轮机停运的情况，通过仿真的方式模拟死母线合闸模式，验证内容包括：同期继电器K25P、K25、K25A的动作情况，还有断路器合闸回路动作情况。

(1) 强置L25P =1，继电器K25P动作，检查TTUR端子3、4通断情况验证。

(2) 强置L25_BYPASS=1，L25_BYPASSZ=0，继电器K25动作，检查TTUR端子4、5通断情况验证。

(3) 在发电机控制柜模拟输入发电机电压信号(电压信号6.9～100 VAC)，然后强置信号L25X_PERM=1、L25X_BYPASS=1，使继电器K25A动作，检查TTUR端子5、6通断情况验证。

5 结语

增加燃气轮机死母线合闸功能，始终要把电厂系统安全放在首位来考虑，否则的话容易出现非同期合闸重大事故，它对有关设备如发电机及其与之相串联的变压器、开关等，破坏力极大，严重时会导致发电机绕组烧毁及端部严重变形，即使没有立即将设备损坏，也可能造成严重的隐患。因此，在设计死母线合闸功能逻辑时，要熟悉同期卡的功能作用，须增加相关系统安全条件逻辑闭锁。在执行前，须操作人员现场确定设备安全条件状态。