尹少勇
平海发电厂有限公司 广东 惠州 516363
概述：某厂1000MW火力发电机组汽轮机及DEH系统采用的是引进西门技术超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式、八级回热抽汽机型，高、中压缸两侧配置全周进汽调门。针对电厂在生产中出现机组甩负荷异常的控制逻辑及成因进行研究分析，发现控制逻辑存在一定缺陷，抗外部干扰能力较弱，通过对本次故障分析，确认机组甩负荷因电网（区外）线路故障引起厂内功率信号瞬间大幅波动，功率波动满足DEH控制系统调门快关条件触发所有调门快关，导致机组瞬间甩负荷的异常情况，并提出整改对策。
Overview: The steam turbine and DEH system of a 1000MW thermal power unit in a factory adopts the ultra-supercritical, intermediate reheat, single shaft, four cylinders and four rows of steam, double back pressure, condensing type and eight stage regenerative steam extraction models with the introduction of West Gate technology. The high and medium pressure cylinders are equipped with full cycle steam inlet valves on both sides. Aiming at abnormal load shedding of unit in power plant in the production of control logic and the cause of research and analysis, found that control logic has some defects, weak ability to resist external disturbance, based on the failure analysis, confirm the unit load shedding caused by power grid (outside) line fault in the factory the power signal instantaneous volatility, power fluctuations tone of DEH control system fast shut conditions trigger all tone fast, instant causes the abnormal situation of load rejection, and corrective measures are put forward.
关键词：区外线路干扰、瞬间甩负荷、调门快关、保护逻辑优化
Key words: out-of-zone line interference, instantaneous load rejection, fast switch closing, optimization of protection logic
某厂采用引进西门技术超超临界汽轮发电机组，于2010年投产运行，其DEH系统设计的甩负荷保护逻辑沿用引进西门子DEH原生逻辑，回路中针对机组功率信号可靠性以及区外线路干扰的因素未作可靠性判断，事后对机组全部5路功率变送器及机组负荷调节流量偏差保护进行深入检查分析，确保机组设备运行正常，保护可靠，消除原始逻辑设计缺陷。
1、故障情况
08月14日22:11:21时点，某厂1号机组负荷411MM出现突升，然后1号机组高、中压调门同步快速关闭，机组快甩负荷到零并出现逆功率，没有出现保护跳机，整个过程DEH系统功率闭环自动投入，1.6秒后恢复正常，调门开启带负荷。异常动作前电气录波及DEH系统皆记录到功率突升约130MW的瞬时波动（事后确认为电网干扰引起功率变送器信号突变）。期间2号机组运行正常，未出现调门全关甩负荷异常工况。系统异常记录如下：
22:11:21.017，发变组录波监测装置记录到发电机输出功率由411MW上升至531MW。
22:11:21.708，DEH报警系统记录到中调门快关指令报警FSTCLS。
22:11:21.757，DEH报警系统记录到高调门快关指令报警FSTCLS。
22:11:21.909，DEH报警系统记录到中调门及高调门已关闭报警CLOSED。
22:11:21.977，故障录波记录到发电机出口功率下降至-4MW。
22:11:23.509，DEH报警系统记录到中调门及高调门已开启报警NOTCLOSED。故障录波装置记录到发电机出口功率逐步上升至负荷设定值，系统恢复正常。
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图1 8月14日DEH事故报警记录
2.故障原因分析
2.1调门全关原因分析
根据事后DEH历史记录，汽机调门快关动作发生之前，DEH系统记录到机组功率有突降然后恢复的现象。具体为22:11:21记录到发电机功率信号从375MW下降至187MW，100毫秒后上升至391MW。在功率信号发生突变后，汽机调门开度先增加然后快速关闭。DEH记录曲线如下图2所示：
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图2.DEH8月14日汽机调门快关动作记录曲线
功率信号发生突降的初始阶段，在DEH负荷控制器的作用下，实际负荷信号的下降会使控制器增加汽机调门的开度以维持机组负荷稳定。随后调门快速关闭是由于DEH逻辑中的调门快关动作调节被触发所致。最终触发汽机调门快关的条件为：调门开度位置反馈对应流量与调门开度控制指令对应流量差值大于25%。逻辑原理如下图示。
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图3 DEH甩负荷逻辑原理框图
如上图3，机组甩负荷曲线都记录到控制器指令突降的变化。造成控制器指令下降的因素有两方面：（1）发电机功率信号上升，控制器自动调节输出指令下降（2）甩负荷信号被触发，控制器输出指令下降。两种因素分析如下：
（1）发电机功率信号上升的情况
如图2，DEH曲线记录，功率信号在突降后有一个从187MW到391MW的上升过程，根据DEH负荷控制器的计算公式计算控制器输出变化量。
控制器输出公式：Y=KPS+YP+YI（YP、YI分别为PI控制器的比例、积分环节的输出；KPS为负荷设定值前馈）
比例调节变化量：⊿YP=负荷变化量/额定负荷×KP=（391-187）/1040×0.1=0.0196（比例系数KP=0.1）
积分调节变化量：⊿YI=TA/TI×⊿YP=16/1000×0.0196=0.0003（程序执行周期TA=16ms；积分时间TI=1s）
由于当时机组DCS系统协调控制正常，DCS至DEH负荷设定值稳定不变，即负荷设定值前馈不变，因此，DEH负荷控制器输出指令的变化量为：⊿Y=⊿YP+⊿YI=0.0196+0.0003=0.0199
由以上计算分析可见，在负荷设定值不变情况下，功率的突升或突降，对控制器的输出变量并不大（按上面负荷187MW到391MW突升计算仅为2%），完全不可能触发>25%的汽机调门快关条件。即使是功率信号从0MW快速上升到391MW，负荷控制器的输出指令变化也只有3.8%，远小于25%的动作条件。
（2）甩负荷信号被触发的情况
如上图3，DEH的甩负荷判断原理如下：
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满足上述条件将立即产生“瞬间甩负荷信号KU”。该信号作用于DEH系统“转速/负荷控制器”，将使转速/负荷控制器负荷设定值失效，从而控制器指令输出置0%，以暂时关闭调门。
根据8月14日的事件记录数据，1号机组的负荷设定值为393MW。当功率信号突降，发生甩负荷时，DEH负荷控制器输出指令的变化量：⊿Y=KPS=负荷设定值/额定负荷×设定值前馈系数=393/1040×0.8=0.3023，因此，当功率信号突降产生快速甩负荷KU指令，DEH负荷控制器输出指令的变化量为30.23%，大于汽机调门快关的25%的动作条件，将触发所有调门快关。
通过以上对调门快关成因的分析，针对1号机组甩负荷事件，唯有在“机组并网状态下实际负荷突降到－26MW～104MW之间，且实际负荷比负荷设值小104MW的条件成立生成瞬间甩负荷信号KU”时才会触发生所有调门全关机组甩负荷。
如上图2机组甩负荷历史记录，都收集到三个功率变送器信号都突降记录。然而，由于发生甩负荷的条件需功率信号要突降至104MW以下，8月14日历史曲线记录到从375MW突降至187MW，不在104MW以下，造成这种矛盾的原因是由于DEH系统的历史曲线最小采样周期为100ms，对小于100ms周期内的变化无法识别并记录。
2.2 功率信号波动成因分析
1号机组组出现的机组异常甩负荷工况，正好发生在电网区外线跳闸故障时刻，且瞬时影响到我司#1、#2机组发变组参数，同时录波装置记录到功率有瞬时突升情况，如下图4录波记录。
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图4 8月14日 #1机组电网故障时电气录波记录
对8月14日调门快关动作记录曲线的分析，可以看到#1机组DEH采集到的三个功率（变送器）信号都有一个负荷突降变化（如上图2），也只有出现功信号突降情况下，才会造成机组甩负何条件成立。现有逻辑情下，整个过程中DEH控制器的动作反应是正常的。
结合相关试验单位（浙江电科院）对“复现电网故障对功率变送器输出信号的测试报告”分析，不同类型的功率变送器，不同的接入方式，甚至相同类型的功率变送器，若出现电网（故障）瞬间的影响，功率变送器输出的功率信号都不同程度的存在差异，甚至会出现信号畸变和信号反向的情况。
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图5 引自浙江电科院功率变器试验报告
综合来分析，造成本次机组甩负荷异常事件原因为区外线路故障引起电厂功率变送器输出大幅扰动，正好满足机组DEH系统瞬时甩负荷（KU）保护，从而造成机组异常工况。
2.3 2号机组未受影响分析
1号机组调门快关甩负荷与电网故障有直接的关联，期间2号机组运行正常并未出现甩负荷异常工况。1号机组甩负荷分析原因为DEH系统接收的功率信号突降波动引起快关条件动作所致，功率信号由电气功率变送器送至机组DEH系统，为了保证功率信号的可靠，每台机组设计有三组功率信号，并在DEH系统中对三组功率进行选择判断，确保判断后的功率信号可靠，DEH内部功率信号处理原则如下：
①全部通道无故障且无偏差报警，选功率选择3
②当有一个通道故障或偏差报警，选择顺序为功率3-2-1；
③当有两个通道故障或偏差报警，选择无报警的功率信号；
④当三个功率通道均存在故障或偏差报警，保持当前值；
⑤偏差判断条件为偏差大于104MW.
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图6 8月14日电网故障时#2机组功率曲线记录
如上图6，为#2机组8月14日区外电网故障期间DEH功率信号及相关参数记录，从记录曲线可以看出#2机组DEH用于控制的三个功率变送器信号变化情况为：1）3号功率变送器信号无变化。2）2号功率变送器和1号功率变送器一样，出现瞬时功率突降（8月14日：407MW下降至178MW）
由于2号、1号功率变送器信号有瞬间跌落，且变化量大于104MW，因此优先选择的3号功率信号与2号、1号功率信号偏差大于104MW，满足功率选择切换条件，此时应切换选择了2号功率变送器，2号功率变送器功率信号虽然在故障时刻有跌落，应未下降到－26MW～104MW区间，未触发甩负荷条件，只是“DEH转速/负荷控制器”的PID调节器在接收到“2号功率信号”后存在与“负荷设定”偏差，进行正常PI调节，控制器指令输出开大调门（高调门）指令，功率扰动结束后，控制指令恢复正常。因此，虽然三个功率变送器信号间虽然偏差大，系统功率选择进行正常切换，但并未满足快关条件，调节功能正常动作，#2机组仍保持在稳定运行状态。
3解决对策
为了确保热工DCS/DEH系统接收电气功率变送器信号稳定，减少相互干扰，现将两台机组功率信号加装了无源信号隔离器，以增加抗干扰性能力和信号扰动抑制（滤波）性能。同时把功率变送器信号加入电气快速录波装置，以便于以后因功率信号波动引起的事件分析。
由于现行DEH系统逻辑中“瞬时甩负荷KU保护”对功率信号的依赖度很高，而且响应灵敏，无法规避并网情况电网对功率的瞬时较大扰动。对两台机组“瞬时甩负荷KU保护”进行优化增加相关性判断逻辑措施。逻辑优化方案下为：
1）机组甩负荷现行逻辑设计原理基本不变，只对瞬时甩负荷KU保护的生成条件增加相关性判断，长甩负荷KU保护保持现行逻辑设计。
2）为规避功率变送器因电网故障引起功率信号瞬时波动或功率信号本身瞬时异常扰动造成调门快关对机组的影响，增加机组转速条件判断或信号过滤（延时）功能。具体优化原理及参数见下图7。
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图7 “瞬时甩负荷KU保护”优化后逻辑框图
4 结束语
1000MW火电机组甩负荷工况涉及电网及发电机组的安全，通过本次区外线路故障引起的机组瞬时甩负荷分析，有效的发现了电厂功率变送器抗干扰问题、电厂重要信号监测问题、机组甩负荷保护的可靠性及合理性问题。提出合理对策提高功率变送器对外部电网故障等因素引起的瞬时信号处理品质、解决功率信号监测精度利用事件定性分析、优化逻辑保护回路避免保护误动进而扩大影响。