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摘要：針對大型機組進入小網控製出現的頻率波動等特點，本文基於NT6000DCS控製係統上提出一種機爐優化控製策略，通過理論分析和在舟山電廠實驗，協調機爐負荷和頻率控製以及提高調速控製回路速度，優化DEH硬件，能夠滿足機爐對小網控製的要求。
關鍵詞：小網控製；NT6000DCS控製係統；優化控製策略；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
隨sui著zhe中zhong國guo經jing濟ji的de長chang期qi高gao速su發fa展zhan，中zhong國guo電dian力li工gong業ye也ye向xiang著zhe現xian代dai化hua和he大da型xing化hua發fa展zhan，在zai小xiao型xing電dian網wang中zhong備bei受shou關guan注zhu的de孤gu網wang和he小xiao網wang控kong製zhi問wen題ti已yi經jing較jiao少shao被bei人ren提ti及ji。2008年nian南nan方fang雪xue災zai中zhong的de電dian網wang故gu障zhang引yin發fa大da麵mian積ji停ting電dian，造zao成cheng重zhong大da損sun失shi的de嚴yan重zhong後hou果guo，向xiang我wo們men敲qiao醒xing了le警jing鍾zhong，在zai大da型xing電dian網wang中zhong，孤gu網wang和he小xiao網wang控kong製zhi問wen題ti仍reng然ran是shi保bao障zhang電dian力li工gong業ye安an全quan的de重zhong要yao技ji術shu支zhi撐cheng。
舟zhou山shan是shi我wo國guo的de第di四si大da島dao，是shi一yi個ge由you群qun島dao組zu成cheng的de城cheng市shi。島dao上shang的de用yong電dian主zhu要yao由you舟zhou山shan發fa電dian廠chang提ti供gong，同tong時shi有you跨kua海hai電dian纜lan與yu大da陸lu電dian網wang相xiang連lian。這zhe樣yang特te殊shu的de電dian網wang結jie構gou決jue定ding了le舟zhou山shan發fa電dian廠chang的de技ji術shu裝zhuang備bei要yao求qiu方fang麵mian，對dui孤gu網wang和he小xiao網wang控kong製zhi有you著zhe更geng加jia現xian實shi的de需xu求qiu。
所謂小網，一般泛指對脫離大電網的小容量的電網。在電力建設規程中規定，電網中單機容量應小於電網總容量的8%，以保證當單機甩負荷時不影響電網的正常運行。關於電網的頻率偏差，國家標準中規定，裝機容量在 3000MW及以上電力係統，頻率允許偏差為  Hz；裝機容量在 3000MW以下電力係統，頻率允許偏差為  Hz。
小網控製，最突出的特點，是由負荷控製轉變為頻率控製，要求調速係統具有符合要求的靜態特性、良好的穩定性和動態響應特性，以保證用戶負荷變化的情況下自動保持電網頻率的穩定[2]。因yin此ci，小xiao網wang控kong製zhi應ying具ju有you一yi次ci調tiao頻pin能neng力li。同tong時shi，一yi次ci調tiao頻pin是shi有you差cha調tiao節jie，為wei了le維wei持chi小xiao網wang頻pin率lv在zai額e定ding頻pin率lv附fu近jin，還hai應ying要yao求qiu機ji組zu調tiao速su係xi統tong具ju有you二er次ci調tiao頻pin能neng力li。對dui單dan台tai機ji組zu在zai從cong滿man負fu荷he狀zhuang態tai下xia，甩shuai負fu荷he到dao廠chang用yong電dian，還hai應ying保bao證zheng其qi最zui高gao轉zhuan速su小xiao於yuETS（Emergrncy Trip System，汽輪機緊急跳閘係統）保護動作值。
本文基於NT6000DCS（Distributed Control System，分散控製係統）控製係統，設計了一種機爐協調優化控製策略，提高調速控製回路速度，優化設計DEH硬件，通過理論分析和在舟山電廠中的實踐，表明該控製方案能提高小網頻率的穩定性和動態響應特性，滿足小網控製的要求。
1 小網控製調頻原理
xiaowangdepinlvzhijiefanyinglexiaowangyougonggonglvgongqiuguanxishifoupingheng，danggongdayuqiushi，xiaowangdepinlvhuishenggao，fanzhihuijiangdi。fadianjizukeyitongguofenxixiaowangdetezheng，youhuajizudejingtaihedongtaitexing，laiweichixiaowangpinlvdewendinghezhunque。xiaowangdetiaopintexing，baokuojingtaitiaopinhedongtaitiaopin，shixiaowangfuhebianhuasuoyinqidedianwangpinlvbianhuadechuandiguanxi。
1.1一次調頻原理
yicitiaopin，shijizuzaibaozhenganquandeqiantixia，shidangliyongjizudexurekuaisugaibiantiaomenkaidu，tiaojiejizudefuhe，shixiaowangpinlvwendingzaijingtaitexingguidingdepianchafanweinei。
現代廣義的電網一次調頻功能，需要考慮汽輪機、鍋爐、發電機以及電網間的相互協調問題，應當以整台機組作為控製對象。從功能上講，汽輪機要快速響應外界負荷、頻(pin)率(lv)的(de)變(bian)化(hua)，鍋(guo)爐(lu)側(ce)要(yao)維(wei)護(hu)主(zhu)汽(qi)壓(ya)力(li)在(zai)調(tiao)頻(pin)過(guo)程(cheng)中(zhong)穩(wen)定(ding)。電(dian)力(li)係(xi)統(tong)要(yao)求(qiu)電(dian)源(yuan)功(gong)率(lv)與(yu)負(fu)荷(he)必(bi)須(xu)動(dong)態(tai)平(ping)衡(heng)，當(dang)電(dian)源(yuan)功(gong)率(lv)或(huo)負(fu)荷(he)發(fa)生(sheng)波(bo)動(dong)時(shi)，機(ji)組(zu)的(de)頻(pin)率(lv)也(ye)會(hui)發(fa)生(sheng)相(xiang)應(ying)的(de)變(bian)化(hua)。
機組的一次調頻，屬於靜態調頻特性，一般用汽輪機調速係統的速度變動率及遲緩率表示。
速度變動率是指汽輪機由滿負荷到空負荷的轉速變化與額定轉速的比例，其計算公式如下：
 （1） 其中，  為空負荷時轉速，  為額定功率時轉速，  為額定轉速。 由於液壓調節器及液壓部分的非線性，文獻[3]中采用局部速度不等率的概念，即
 （2）
可得：
 （3）
當電網發生故障或汽輪發電機出口跳閘，汽輪機由帶滿負荷甩負荷到帶廠用電時，  ，可得  ，即  ，甩負荷後的轉速會快速飛升，造成電網頻率發生較大波動，  為滿負荷，  為帶廠用電負荷，  為滿負荷時轉速，  為帶廠用電時轉速。 進一步研究汽輪機轉子力矩平衡方程：
 （4）
 （5）
式中，J為轉子轉動慣量，  為轉子角速度，  為汽輪機蒸汽力矩，  為發電機反力矩，  為汽輪機內功率，  為蒸汽流量，  為汽輪機焓降，  為汽輪機內效率，  為汽輪機轉速。 前麵分析，在機組甩負荷後，汽輪機轉速飛升，  ，又發電機反力矩 與轉速成正比例關係，一次調頻特性用來實現小網頻率穩定，即  ，由公式（5）得，通過改變蒸汽流量（定壓模式）或者汽輪機焓降（滑壓模式）來增大蒸汽力矩 實現。
一次調頻的原理如圖1所示。
圖1 一次調頻控製原理圖
1.2二次調頻原理
二次調頻主要是為了保證電網的頻率維持在恒定值，屬於動態調頻。
一次調頻是有差調頻，不能完全消除小網頻率的偏差，為此，DEH係統設計了二次調頻功能，當出現小網運行或快速減負荷（FCB）時(shi)，能(neng)迅(xun)速(su)穩(wen)定(ding)電(dian)網(wang)周(zhou)波(bo)。所(suo)謂(wei)二(er)次(ci)調(tiao)頻(pin)過(guo)程(cheng)是(shi)根(gen)據(ju)電(dian)網(wang)頻(pin)率(lv)偏(pian)差(cha)，通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)調(tiao)頻(pin)機(ji)組(zu)調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)的(de)給(gei)定(ding)值(zhi)，將(jiang)電(dian)網(wang)負(fu)荷(he)變(bian)化(hua)轉(zhuan)移(yi)到(dao)由(you)調(tiao)頻(pin)機(ji)組(zu)來(lai)承(cheng)擔(dan)，使(shi)電(dian)網(wang)頻(pin)率(lv)回(hui)到(dao)額(e)定(ding)值(zhi)。
通常二次調頻是由網調調度來實施的，電網調度人員通過人工或自動手段，控製調頻機組調速係統給定值，完成二次調頻過程。
二次調頻采用PID控製器，其設定點為額定轉速3000r/min，反饋變量為機組實際轉速。二次調頻的輸出與當然給定值的疊加，作為一次調頻的給定值[4]。
二次調頻的原理圖如圖2。
 圖2 二次調頻控製原理圖
2 控製方案
2.1存在問題
小網控製一次調頻要求機組調速響應非常迅速，汽輪機在甩負荷過程中，每秒鍾的轉速飛升量能夠達到200r以上，對於常規的DEH控製回路如圖3所示，轉速卡一般會有20ms的延時，DCS控製周期一般在200ms左右，輸出卡和伺服卡的信號傳遞也會產生約50ms的延時，那麼整個係統的控製時延在270ms左右，也就是說，會產生54r的轉速飛升，過大的時延會嚴重降低小網調頻控製品質。
 圖3 常規DEH的轉速控製回路
一次調頻動作主要是由汽輪機側完成，時間短，速度快，而汽輪機和鍋爐的響應特性不同，鍋爐的響應慢，鍋爐的能量信號  （  表示汽機調節級壓力，  表示主蒸汽壓力，  表示主汽壓力）隨汽輪機閥門開度發生劇烈變化，同時會造成鍋爐燃燒工況出現極大擾動，甚至導致鍋爐滅火。
另一方麵，甩負荷後轉速迅速飛升，達到原DEH係統中OPC動作的設定點103%，從而造成OPC在3090r/min時動作。OPC動作後，調門全部關閉，機組出力小於小網上的電負荷，汽機轉速下降，OPC消失，調門打開，機組負荷又迅速上升，如此反複，使得小網頻率反複震蕩，最終可能導致小網崩潰[5]。
2.2鍋爐側控製方案
針(zhen)對(dui)小(xiao)網(wang)運(yun)行(xing)時(shi)，一(yi)次(ci)調(tiao)頻(pin)會(hui)經(jing)常(chang)動(dong)作(zuo)汽(qi)輪(lun)機(ji)閥(fa)門(men)，導(dao)致(zhi)鍋(guo)爐(lu)主(zhu)汽(qi)壓(ya)力(li)經(jing)常(chang)波(bo)動(dong)，同(tong)時(shi)主(zhu)汽(qi)壓(ya)力(li)不(bu)穩(wen)定(ding)反(fan)過(guo)來(lai)又(you)會(hui)影(ying)響(xiang)一(yi)次(ci)調(tiao)頻(pin)的(de)調(tiao)節(jie)品(pin)質(zhi)。文(wen)獻(xian)[6]指zhi出chu，一yi次ci調tiao頻pin特te性xing在zai較jiao高gao頻pin段duan受shou主zhu汽qi壓ya力li變bian化hua影ying響xiang不bu大da，而er在zai低di頻pin段duan考kao慮lv主zhu蒸zheng汽qi壓ya力li變bian化hua後hou一yi次ci調tiao頻pin增zeng益yi明ming顯xian偏pian小xiao，會hui出chu現xian一yi定ding時shi間jian之zhi後hou一yi次ci調tiao頻pin出chu力li回hui落luo、偏離理想設計性能。
在鍋爐側，NT6000DCS係統設計如下控製方案。
（1）充分利用鍋爐蓄熱，消除機組一次調頻對鍋爐側主汽壓力等參數的影響。
（2）為了提高調頻性能，引入CCS側一次調頻邏輯，自動調節主汽壓力。
（3）在zai鍋guo爐lu側ce主zhu控kong輸shu入ru增zeng加jia速su率lv限xian製zhi模mo塊kuai，減jian小xiao由you於yu汽qi輪lun機ji閥fa門men開kai度du過guo頻pin變bian化hua引yin起qi的de鍋guo爐lu主zhu控kong指zhi令ling過guo快kuai變bian化hua，同tong時shi要yao考kao慮lv對dui其qi他ta工gong況kuang的de影ying響xiang。
（4）加強對主要參數的監控及調整，及時跟蹤，當出現主汽壓力等參數波動過大，超出設定限製，引入輔機故障減負荷(RB)邏輯。
2.3汽機側控製方案
針對汽機側一次調頻存在的問題，NT6000DCS係統設計了改進後的控製策略，方案如下。
（1）優化DEH控製邏輯。在DEH中引入小網運行控製狀態，當轉速偏差超過一定範圍時，DEHzidongjinruxiaowangkongzhizhuangtai。zhezhongshejinenggoutongshishiyingbingwangyunxingheguwangyunxingdeyaoqiu。yonghuzhengchangshibingrudadianwang，dangdadianwangfashengguzhangshi，huituolidadianwangjinruxiaowangkongzhizhuangtai。
（2）設計快速一次調頻回路。DEH中將與一次調頻相關的轉速采樣，轉速三值優選，一次調頻計算，調速指令輸出都設置為快速運行，運行周期小於50ms，轉速采樣和模擬量輸出模塊采用高速硬件，使控製周期小於100ms，提供DEH一次調頻的控製速度。
（3）設計智能OPC卡。在進入小網控製時，采用轉速加速度計算預估的轉速最高值，當預估的轉速最高值高於OPC設定值時，提前動作OPC。由於OPC動作回路比調節閥動作回路要快200ms左右，這種設計將大大減小轉速飛升。在進入小網控製後，將103%OPC動作值抬高。
（4）減小DEH控製周期，在NT6000DCS係統中，設計直接接在IO總線上的伺服卡，省去了輸出卡的環節，改進後如圖4所示，控製器的控製周期減小到50ms，轉速卡的測量時延減小到1ms，整個係統的時延在51ms內，由此產生的轉速飛升減少80%以上。
 圖4 改進後的轉速控製回路
綜上所述，圖5，為改進後的小網控製原理圖。
圖5 改進後的小網控製原理圖
3 係統應用
舟山朗熹發電有限責任公司（舟山發電廠）作為“九五”期間浙江省重點工程，現有裝機容量為260MW，是舟山電網主力發電廠，目前發電量占電網總發電量的80%以上，現裝有1*300MW機組，采用NT6000DCS控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)，正(zheng)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)熱(re)電(dian)廠(chang)接(jie)入(ru)電(dian)網(wang)係(xi)統(tong)，但(dan)在(zai)故(gu)障(zhang)情(qing)況(kuang)下(xia)，集(ji)團(tuan)與(yu)大(da)網(wang)的(de)進(jin)線(xian)會(hui)斷(duan)開(kai)，則(ze)要(yao)求(qiu)熱(re)電(dian)廠(chang)在(zai)故(gu)障(zhang)過(guo)程(cheng)中(zhong)，能(neng)夠(gou)完(wan)成(cheng)從(cong)並(bing)入(ru)大(da)電(dian)網(wang)到(dao)脫(tuo)離(li)大(da)電(dian)網(wang)進(jin)入(ru)小(xiao)網(wang)控(kong)製(zhi)的(de)切(qie)換(huan)，維(wei)護(hu)小(xiao)網(wang)的(de)穩(wen)定(ding)運(yun)行(xing)。
根據小網控製以及在舟山電廠實驗的情況，NT6000DCS係統還進行如下優化設計。
（1）優化NT6000控製器性能。NT6000DCS控製器型號為KM940，采用PowerPC8247芯片技術，支持精簡指令集（RISC），主頻400MHz，相當於Pentinum400MHz芯片的運算能力。在冗餘狀態下以50ms的控製周期運行，控製器負荷不超過15%。
（2）高速轉速卡設計。NT6000DCS係統轉速卡型號為KM523，在機組高速運行過程中，轉速卡連續記錄60個脈衝的時間，通過線性回歸得出轉速值，在額定轉速3000r/min下，60個脈衝的時間為20ms，為了進一步提高測量速度，不必等到60個脈衝全部被更新才進行轉速計算，隻要有一個脈衝被更新，就能得到當前最新的60個脈衝數據，這樣計算的結果，是轉速卡中的轉速測量周期減小到1/3ms。
（3）先進伺服卡設計。NT6000DCS的伺服卡型號為KM522，一般DCS沒有專門的伺服卡，采用第三方設備，需要通過通用的模擬量輸出卡(AO)將調門指令送到伺服卡。為了提高速度，NT6000在I/O總線上設計了伺服卡，省去了中間環節，伺服卡的控製調節周期小於15ms。
另外，NT6000DCShaicaiyonglexianjindekongzhicelveyulinghuodezutailuoji，tongguozaizhoushandianchangjingxingxiaodaoyunxingkongzhishiyan，congqilunjituowang，shuaibufenfuheyijishuaiquanbufuhe，junnengzaiyunxudeshijianneishixianxiaowangpinlvdewending，manzuxiaowangkongzhideyaoqiu。
4 結論
上述理論分析和實驗結果表明，采用具有快速運算能力的NT6000控製器實現小網控製能夠取得良好的效果，並優於其他調速方式。
基於NT6000的de小xiao網wang控kong製zhi模mo式shi，邏luo輯ji設she計ji靈ling活huo，能neng夠gou完wan成cheng功gong能neng完wan善shan的de小xiao網wang控kong製zhi邏luo輯ji，其qi較jiao小xiao的de遲chi緩huan率lv和he較jiao好hao的de控kong製zhi靈ling敏min度du不bu僅jin有you利li並bing網wang控kong製zhi品pin質zhi的de提ti高gao，而er且qie有you利li於yu小xiao網wang控kong製zhi品pin質zhi的de提ti高gao。
參考文獻
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