文章作者：徐海峰，曹瑞峰，王维
摘要：针对大型机组进入小网控制出现的频率波动等特点，本文基于NT6000DCS控制系统上提出一种机炉优化控制策略，通过理论分析和在舟山电厂实验，协调机炉负荷和频率控制以及提高调速控制回路速度，优化DEH硬件，能够满足机炉对小网控制的要求。
关键词：小网控制；NT6000DCS控制系统；优化控制策略；DEH
ABSTRACT: To the characteristic of the frequency fluctuations appeared the large Units into the isolated power network, Base on the NT6000 Distributed Control System, the paper propose a new boiler-turbine optimal control strategy. After theoretical analysis and experimentation in ZhouShan plant, By coordination of boiler load and turbine frequency control, and improve the speed control loop speed, optimize the DEH hardware, we can meet the requirement for the isolated power network control.
KEY WORDS: the isolated power network control; NT6000 Distributed Control System; optimal control strategy; DEH
0 引言
随着中国经济的长期高速发展，中国电力工业也向着现代化和大型化发展，在小型电网中备受关注的孤网和小网控制问题已经较少被人提及。2008年南方雪灾中的电网故障引发大面积停电，造成重大损失的严重后果，向我们敲醒了警钟，在大型电网中，孤网和小网控制问题仍然是保障电力工业安全的重要技术支撑。
舟山是我国的第四大岛，是一个由群岛组成的城市。岛上的用电主要由舟山发电厂提供，同时有跨海电缆与大陆电网相连。这样特殊的电网结构决定了舟山发电厂的技术装备要求方面，对孤网和小网控制有着更加现实的需求。
所谓小网，一般泛指对脱离大电网的小容量的电网。在电力建设规程中规定，电网中单机容量应小于电网总容量的8%，以保证当单机甩负荷时不影响电网的正常运行。关于电网的频率偏差，国家标准中规定，装机容量在
3000MW及以上电力系统，频率允许偏差为
Hz；装机容量在
3000MW以下电力系统，频率允许偏差为
Hz。
小网控制，最突出的特点，是由负荷控制转变为频率控制，要求调速系统具有符合要求的静态特性、良好的稳定性和动态响应特性，以保证用户负荷变化的情况下自动保持电网频率的稳定[2]。因此，小网控制应具有一次调频能力。同时，一次调频是有差调节，为了维持小网频率在额定频率附近，还应要求机组调速系统具有二次调频能力。对单台机组在从满负荷状态下，甩负荷到厂用电，还应保证其最高转速小于ETS（Emergrncy Trip System，汽轮机紧急跳闸系统）保护动作值。
本文基于NT6000DCS（Distributed Control System，分散控制系统）控制系统，设计了一种机炉协调优化控制策略，提高调速控制回路速度，优化设计DEH硬件，通过理论分析和在舟山电厂中的实践，表明该控制方案能提高小网频率的稳定性和动态响应特性，满足小网控制的要求。
1 小网控制调频原理
小网的频率直接反映了小网有功功率供求关系是否平衡，当供大于求时，小网的频率会升高，反之会降低。发电机组可以通过分析小网的特征，优化机组的静态和动态特性，来维持小网频率的稳定和准确。小网的调频特性，包括静态调频和动态调频，是小网负荷变化所引起的电网频率变化的传递关系。
1.1一次调频原理
一次调频，是机组在保证安全的前提下，适当利用机组的蓄热快速改变调门开度，调节机组的负荷，使小网频率稳定在静态特性规定的偏差范围内。
现代广义的电网一次调频功能，需要考虑汽轮机、锅炉、发电机以及电网间的相互协调问题，应当以整台机组作为控制对象。从功能上讲，汽轮机要快速响应外界负荷、频率的变化，锅炉侧要维护主汽压力在调频过程中稳定。电力系统要求电源功率与负荷必须动态平衡，当电源功率或负荷发生波动时，机组的频率也会发生相应的变化。
机组的一次调频，属于静态调频特性，一般用汽轮机调速系统的速度变动率及迟缓率表示。
速度变动率是指汽轮机由满负荷到空负荷的转速变化与额定转速的比例，其计算公式如下：
（1）
其中，
为空负荷时转速，
为额定功率时转速，
为额定转速。
由于液压调节器及液压部分的非线性，文献[3]中采用局部速度不等率的概念，即
（2）
可得：
（3）
当电网发生故障或汽轮发电机出口跳闸，汽轮机由带满负荷甩负荷到带厂用电时，
，可得
，即
，甩负荷后的转速会快速飞升，造成电网频率发生较大波动，
为满负荷，
为带厂用电负荷，
为满负荷时转速，
为带厂用电时转速。
进一步研究汽轮机转子力矩平衡方程：
（4）
（5）
式中，J为转子转动惯量，
为转子角速度，
为汽轮机蒸汽力矩，
为发电机反力矩，
为汽轮机内功率，
为蒸汽流量，
为汽轮机焓降，
为汽轮机内效率，
为汽轮机转速。
前面分析，在机组甩负荷后，汽轮机转速飞升，
，又发电机反力矩 与转速成正比例关系，一次调频特性用来实现小网频率稳定，即
，由公式（5）得，通过改变蒸汽流量（定压模式）或者汽轮机焓降（滑压模式）来增大蒸汽力矩
实现。
一次调频的原理如图1所示。
图1 一次调频控制原理图
1.2二次调频原理
二次调频主要是为了保证电网的频率维持在恒定值，属于动态调频。
一次调频是有差调频，不能完全消除小网频率的偏差，为此，DEH系统设计了二次调频功能，当出现小网运行或快速减负荷（FCB）时，能迅速稳定电网周波。所谓二次调频过程是根据电网频率偏差，通过改变调频机组调速系统的给定值，将电网负荷变化转移到由调频机组来承担，使电网频率回到额定值。
通常二次调频是由网调调度来实施的，电网调度人员通过人工或自动手段，控制调频机组调速系统给定值，完成二次调频过程。
二次调频采用PID控制器，其设定点为额定转速3000r/min，反馈变量为机组实际转速。二次调频的输出与当然给定值的叠加，作为一次调频的给定值[4]。
二次调频的原理图如图2。
图2 二次调频控制原理图
2 控制方案
2.1存在问题
小网控制一次调频要求机组调速响应非常迅速，汽轮机在甩负荷过程中，每秒钟的转速飞升量能够达到200r以上，对于常规的DEH控制回路如图3所示，转速卡一般会有20ms的延时，DCS控制周期一般在200ms左右，输出卡和伺服卡的信号传递也会产生约50ms的延时，那么整个系统的控制时延在270ms左右，也就是说，会产生54r的转速飞升，过大的时延会严重降低小网调频控制品质。
图3 常规DEH的转速控制回路
一次调频动作主要是由汽轮机侧完成，时间短，速度快，而汽轮机和锅炉的响应特性不同，锅炉的响应慢，锅炉的能量信号
（
表示汽机调节级压力，
表示主蒸汽压力，
表示主汽压力）随汽轮机阀门开度发生剧烈变化，同时会造成锅炉燃烧工况出现极大扰动，甚至导致锅炉灭火。
另一方面，甩负荷后转速迅速飞升，达到原DEH系统中OPC动作的设定点103%，从而造成OPC在3090r/min时动作。OPC动作后，调门全部关闭，机组出力小于小网上的电负荷，汽机转速下降，OPC消失，调门打开，机组负荷又迅速上升，如此反复，使得小网频率反复震荡，最终可能导致小网崩溃[5]。
2.2锅炉侧控制方案
针对小网运行时，一次调频会经常动作汽轮机阀门，导致锅炉主汽压力经常波动，同时主汽压力不稳定反过来又会影响一次调频的调节品质。文献[6]指出，一次调频特性在较高频段受主汽压力变化影响不大，而在低频段考虑主蒸汽压力变化后一次调频增益明显偏小，会出现一定时间之后一次调频出力回落、偏离理想设计性能。
在锅炉侧，NT6000DCS系统设计如下控制方案。
（1）充分利用锅炉蓄热，消除机组一次调频对锅炉侧主汽压力等参数的影响。
（2）为了提高调频性能，引入CCS侧一次调频逻辑，自动调节主汽压力。
（3）在锅炉侧主控输入增加速率限制模块，减小由于汽轮机阀门开度过频变化引起的锅炉主控指令过快变化，同时要考虑对其他工况的影响。
（4）加强对主要参数的监控及调整，及时跟踪，当出现主汽压力等参数波动过大，超出设定限制，引入辅机故障减负荷(RB)逻辑。
2.3汽机侧控制方案
针对汽机侧一次调频存在的问题，NT6000DCS系统设计了改进后的控制策略，方案如下。
（1）优化DEH控制逻辑。在DEH中引入小网运行控制状态，当转速偏差超过一定范围时，DEH自动进入小网控制状态。这种设计能够同时适应并网运行和孤网运行的要求。用户正常时并入大电网，当大电网发生故障时，会脱离大电网进入小网控制状态。
（2）设计快速一次调频回路。DEH中将与一次调频相关的转速采样，转速三值优选，一次调频计算，调速指令输出都设置为快速运行，运行周期小于50ms，转速采样和模拟量输出模块采用高速硬件，使控制周期小于100ms，提供DEH一次调频的控制速度。
（3）设计智能OPC卡。在进入小网控制时，采用转速加速度计算预估的转速最高值，当预估的转速最高值高于OPC设定值时，提前动作OPC。由于OPC动作回路比调节阀动作回路要快200ms左右，这种设计将大大减小转速飞升。在进入小网控制后，将103%OPC动作值抬高。
（4）减小DEH控制周期，在NT6000DCS系统中，设计直接接在IO总线上的伺服卡，省去了输出卡的环节，改进后如图4所示，控制器的控制周期减小到50ms，转速卡的测量时延减小到1ms，整个系统的时延在51ms内，由此产生的转速飞升减少80%以上。
图4 改进后的转速控制回路
综上所述，图5，为改进后的小网控制原理图。
图5 改进后的小网控制原理图
3 系统应用
舟山朗熹发电有限责任公司（舟山发电厂）作为“九五”期间浙江省重点工程，现有装机容量为260MW，是舟山电网主力发电厂，目前发电量占电网总发电量的80%以上，现装有1*300MW机组，采用NT6000DCS控制系统，正常情况下热电厂接入电网系统，但在故障情况下，集团与大网的进线会断开，则要求热电厂在故障过程中，能够完成从并入大电网到脱离大电网进入小网控制的切换，维护小网的稳定运行。
根据小网控制以及在舟山电厂实验的情况，NT6000DCS系统还进行如下优化设计。
（1）优化NT6000控制器性能。NT6000DCS控制器型号为KM940，采用PowerPC8247芯片技术，支持精简指令集（RISC），主频400MHz，相当于Pentinum400MHz芯片的运算能力。在冗余状态下以50ms的控制周期运行，控制器负荷不超过15%。
（2）高速转速卡设计。NT6000DCS系统转速卡型号为KM523，在机组高速运行过程中，转速卡连续记录60个脉冲的时间，通过线性回归得出转速值，在额定转速3000r/min下，60个脉冲的时间为20ms，为了进一步提高测量速度，不必等到60个脉冲全部被更新才进行转速计算，只要有一个脉冲被更新，就能得到当前最新的60个脉冲数据，这样计算的结果，是转速卡中的转速测量周期减小到1/3ms。
（3）先进伺服卡设计。NT6000DCS的伺服卡型号为KM522，一般DCS没有专门的伺服卡，采用第三方设备，需要通过通用的模拟量输出卡(AO)将调门指令送到伺服卡。为了提高速度，NT6000在I/O总线上设计了伺服卡，省去了中间环节，伺服卡的控制调节周期小于15ms。
另外，NT6000DCS还采用了先进的控制策略与灵活的组态逻辑，通过在舟山电厂经行小岛运行控制实验，从汽轮机脱网，甩部分负荷以及甩全部负荷，均能在允许的时间内实现小网频率的稳定，满足小网控制的要求。
4 结论
上述理论分析和实验结果表明，采用具有快速运算能力的NT6000控制器实现小网控制能够取得良好的效果，并优于其他调速方式。
基于NT6000的小网控制模式，逻辑设计灵活，能够完成功能完善的小网控制逻辑，其较小的迟缓率和较好的控制灵敏度不仅有利并网控制品质的提高，而且有利于小网控制品质的提高。
参考文献
[1] 黄静，戴彦，韩连.2004浙江局部电网解列事故的分析与探讨[A].第二届中国浙江学术节-浙江电力科学发展[C]，2005： 17－19.
[2] 张静.DEH系统孤网运行控制技术解决方案[J].热力透平，2009，38(1)：65－67.
[3] 蒋勇，芮志清，余震虹.基于二次调频的电网小岛运行控制研究[J].发电设备，2008，No.3：248－251.
[4] 王宏伟，姚玉雁.火电厂小网运行功能的应用[J].华中电力，2007,20(1)：45-47.
[5] 刘晓强，王西田.考虑主蒸汽压力变化的机组一次调频动态特性[J].热能动力工程，2008,23(2)：140-143..