專利名稱：一種孤網(wǎng)運行汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)，尤其涉及汽輪發(fā)電機組在單機或小網(wǎng)運行時穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的方法及裝置。
背景技術：
隨著電力系統(tǒng)的多元化發(fā)展，大電網(wǎng)不并不能涵蓋所有的供電需求。在下列情況下，仍會出現(xiàn)單機或小網(wǎng)運行。
我國電網(wǎng)是由小到大逐漸發(fā)展起來的，在特定的情況下，大網(wǎng)還可能解列，出現(xiàn)小網(wǎng)工況。在大網(wǎng)未能達到的地區(qū)，仍需采用小網(wǎng)供電。 一些工廠的自備電站，由于種種原因，需要采用孤網(wǎng)運行。出口到不發(fā)達國家的機組，可能要適應孤網(wǎng)運行的要求。對于甩負荷帶廠用電的機組，甩負荷后變?yōu)楣聧u運行方式，相當于單機帶輕負荷。目前廣泛使用的汽輪機數(shù)字電液控制系
統(tǒng)——DEH,是在80年代初期從美國西屋公司(Westinghouse ElectricCompany)全套引進300MW汽輪機制造技術期間引入的。從DEH控制系統(tǒng)多年來的使用情況看，特別是近年來DEH控制系統(tǒng)在小電網(wǎng)中的大量使用，暴露出了一些問題。DEH控制為離散控制，其穩(wěn)定性、快速性與連續(xù)調節(jié)有很大區(qū)別。在DEH實踐中發(fā)現(xiàn)，DEH的轉速調節(jié)系統(tǒng)，穩(wěn)定性遠低于機械液壓調速系統(tǒng)，這是由于離散控制系統(tǒng)存在采樣失真和運算延遲，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。大部分傳統(tǒng)DEH控制系統(tǒng)除難于維持孤立小網(wǎng)頻率穩(wěn)定外，若大電網(wǎng)聯(lián)絡線路發(fā)生故障，也難于維持分裂出來的孤立小網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。因此為了提高孤立小網(wǎng)供電頻率穩(wěn)定性，必須要提高DEH控制系統(tǒng)的連續(xù)控制能力和快速響應能力。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種汽輪機數(shù)字電液調節(jié)系統(tǒng)，可以使
汽輪發(fā)電機組在單機或小網(wǎng)運行時系統(tǒng)響應時間加快，控制頻率穩(wěn)定；在甩 負荷帶廠用電的情況下，可以有效限制機組因甩負荷而產生的轉速超調量。 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是設計一種汽輪機數(shù)字電液調節(jié) 系統(tǒng)，包括控制硬件部分和軟件邏輯運算部分，所述的控制硬件部分包括測 速保護部件、 一次調頻模塊、伺服控制模塊、人機接口部分、控制單元、輸 入/輸出模塊。所述的軟件邏輯運算部分，包括基于頻率偏差的一次調頻運 算和二次調頻運算單元， 一基于實際轉速測量信號的超速限制單元， 一基于 實際功率測量信號的邏輯判斷單元?？刂葡到y(tǒng)對頻率偏差進行邏輯處理及運 算，輸出控制信號，通過伺服控制模塊控制電液伺服閥驅動油動機，帶動閥 門運動，進而控制汽輪機進汽量以維持汽輪發(fā)電機組出力和所接待負荷相平 衡。同時測速保護部件以加速度信號作為超速限制的觸發(fā)條件發(fā)出信號使超 速保護OPC電磁閥立即動作，迅速關閉調節(jié)閥，此外，測速保護部件還輸出 加速度微分前饋信號給伺服控制模塊，以使伺服控制系統(tǒng)快速動作，有效地 限制機組因甩負荷而產生的轉速超調量。
由于本發(fā)明采用了以上技術方案，所獲得的效果是大大提高了 DEH系統(tǒng) 的連續(xù)控制能力和快速響應能力，可以有效限制機組因甩負荷而產生的轉速 超調量，保證了孤立小網(wǎng)系統(tǒng)供電頻率的穩(wěn)定性。
附圖l現(xiàn)有技術典型的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)結構框圖。 附圖2本發(fā)明的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)結構框圖。制硬件部分的配置結構示意圖。附圖4本發(fā)明實施例DEH控制系統(tǒng)超速限制的邏輯圖。附圖5本發(fā)明實施例加速度微分前饋的邏輯圖。附圖6本發(fā)明實施例軟件調頻算法的邏輯圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
圖l是現(xiàn)有技術典型的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)結構框圖，圖中虛框11是電子控制硬件部分，虛框12是液壓伺服執(zhí)行機構部分，電子控制硬件部分11包括人機接口部分111、控制單元112、輸入/輸出模塊113、超速保護部件114以及伺服控制模塊115;液壓伺服執(zhí)行機構部分12包括電液伺服閥121、油動機122和OPC裝置123。
圖2本發(fā)明的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)結構框圖，由電子控制硬件部分21和液壓伺服執(zhí)行機構部分22組成。
所述的計算機控制部分21如圖3所示包括一人機接口部分211、 一對控制單元212、輸入/輸出模塊213、超速保護部件214，伺服控制模塊215以及一次調頻模塊216;液壓伺服執(zhí)行機構部分22包括電液伺服閥221、油動機222和OPC裝置223。控制單元對頻率偏差進行邏輯處理及運算，輸出控制信號，通過伺服控制模塊控制電液伺服閥驅動油動機，帶動閥門運動，進而控制汽輪機進汽量以維持汽輪發(fā)電機組出力和所接待負荷相平衡。同時測速保護部件以加速度信號作為超速限制的觸發(fā)條件發(fā)出信號使超速保護0PC電磁閥立即動作，迅速關閉調節(jié)閥，此外，測速保護部件還輸出加速度微分前饋信號給伺服控制模塊，以使伺服控制系統(tǒng)快速動作，有效地限制機組因甩負荷而產生的轉速超調量。
人機接口部分211為一臺操作員站，由一臺P4工業(yè)控制PC機，配二塊以太網(wǎng)模塊、 一個操作員專用鍵盤、 一臺彩色打印機、 一臺22〃LCD顯示器 等組成。也可根據(jù)需要配一臺工程師站，工程師站硬件配置完全同操作員站， 其軟件也與操作員站相同。
控制單元212是一對冗余的計算機(DPU),如圖3中的DPU01和DPU02, 每個DPU有兩個以太網(wǎng)口 SENT1、 SENT2實現(xiàn)與外部(服務器站/操作員站/ 工程師站)的數(shù)據(jù)交換， 一個以太網(wǎng)接口RNET用于主/從控制單元間的數(shù)據(jù) 備份。DP主站接口采用數(shù)字信號處理技術(DSP)和高速通用異步收發(fā)器 (UART)實現(xiàn)DP通訊，DSP與PC/104總線接口采用雙口 RAM。靜態(tài)數(shù)據(jù)存 儲器(SRAM)實現(xiàn)掉電保護和重要數(shù)據(jù)備份功能。DPU01及DPU02的硬件及 軟件完全相同。冗余的DPU在工作時， 一個處于控制， 一個處于跟蹤備用。 二個DPU均從冗余以太網(wǎng)上得到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。僅有主控DPU指令傳送到有關 1/0模塊輸出執(zhí)行。
操作員站與DPU212之間通過冗余以太網(wǎng)相互連接。冗余以太網(wǎng)通訊速 率為10Mbps。
I/O部分213由一些基本的I/O通道模塊組成。根據(jù)系統(tǒng)配置要求，有 二塊模擬量輸入模塊(AI模塊)、 一塊模擬量輸出模塊(A0模塊)、二塊 開關量輸入模塊(DI模塊)、一塊開關量輸出模塊(DO模塊)、 一塊熱電 偶輸入模塊(TC模塊)。AI模塊完成對模擬量信號的隔離、處理及模數(shù)轉 換。A0模塊完成數(shù)模轉換及模擬量信號的輸出。DI模塊完成對開關量信號 的隔離、處理和采集。DO模塊控制開關量輸出。TC模塊完成對熱電偶信號 的處理和轉換?？梢愿鶕?jù)需要，對i/o模塊件進行擴展。
超速保護部件214由三塊測速模塊及超速保護電路構成，三塊測速模塊 分別測量三路獨立的轉速信號，進行信號處理與轉換， 一塊測速模塊判斷一 路轉速是否超過保護設定值(如加速度預定值和110%額定轉速值)，然后 將這個信號送到超速保護電路，當超速保護電路接到三塊測速模塊的信號后，進行三選二處理，即只有當二塊以上測速模塊的輸出信號相同時，才能輸出超速保護信號，這樣大大提高了動作的可靠性。超速保護部件僅將他們
的信息及狀態(tài)傳到DPU及人機接口，以指示超速保護的各狀態(tài)，不受計算機指令控制。所以超速保護部件完全獨立于DPU的硬件電路組成，這既保證了超速保護的快速響應，同時又保證了其可靠性。
伺服控制模塊215主要由單片機、DP通信電路、D/A和A/D轉換電路、二路位移傳感器信號調制解調電路、二路位移傳感器信號的髙選電路、電壓/電流轉換電路、功率放大器、比例積分模擬電路和電壓/電流反饋電路等組成。單片機負責對以上各數(shù)字部件進行控制，協(xié)調各部分工作，DP通信電路負責與I/O總線進行通訊，D/A轉換電路將數(shù)字指令轉換為模擬量指令，模擬量指令通過功率放大器進行放大，輸出到伺服閥，驅動伺服閥。同時D/A轉換電路配合有關電路及軟件，實現(xiàn)A/D轉換功能，完成對有關模擬量信號的采集。二路位移傳感器的調制解調器將位移信號轉換成直流電壓信號。二路直流信號均代表油動機位置。正常情況下應相等，高選二路信號是為了提高可靠性和安全性。二路信號高選后，送到功率放大器的反饋端，當反饋信號與模擬指令相等時，油動機停在要求的位置上。
一次調頻模塊216通過采集三塊測速模塊輸出的加速度大小模擬量信號，經比較后將高選值進行微分，經過放大后再將動態(tài)補償信號輸出到伺服控制模塊的直流電壓輸入端，實現(xiàn)加速度微分前饋快速回路。本發(fā)明實施例孤網(wǎng)運行汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)的控制硬件與傳統(tǒng)DEH控制系統(tǒng)的控制硬件比較，增加了加速度過大時的0PC和加速度微分輸出功能，并保留了油開關跳閘0PC功能，而刪除了超速103%和負荷不平衡0PC功能。該功能包括以下處理
1)對實際轉速測量信號進行微分運算，輸出的加速度信號與相應的預設值如225r/min/s進行比較；同時將實際功率百分比信號與相應預設值如30%額定功率進行比較；當加速度信號和實際功率百分比信號均大于等于相 應預設值時，輸出有效的超速限制控制信號；
2) 當油開關跳閘信號有效且實際功率百分比信號大于相應預設值時， 輸出有效的超速限制控制信號；
3) 在輸出有效的超速限制控制信號后，當實際功率百分比信號小于相 應預設值一段時間后，或者，當加速度信號小于0r/min/s且油開關跳閘信 號無效時，輸出無效的超速限制控制信號；
4) 將加速度信號轉換成相應的模擬量信號，經過放大補償后輸出到伺 服控制模塊。
為了實現(xiàn)上述方法，本實施例DEH控制系統(tǒng)的控制硬件裝置包括邏輯判 斷部分和執(zhí)行部分，其中邏輯判斷部分包括三個(也可以為一個或其它數(shù)目) 邏輯判斷單元，每一邏輯判斷單元如圖4所示，包括第一微分器、第一比較 器、第二比較器、第三比較器、第一延時復位定時器、第一 RS觸發(fā)器、第 —與門、第二與門和第一或門。如圖5所示，包括第四比較器、第二微分器 和第一放大器。其中第三比較器和第一延時復位定時器可在DEH的主控單元 中進行運算，其余運算功能模塊在DEH專用測速模塊和一次調頻模塊中。 實際轉速測量信號送入第一微分器進行微分運算，輸出的加速度信號在第一 比較器中與預設值如225r/min/s進行比較，并且同時在第二比較器中與預 設值0r/min/s進行比較。當加速度大于等于225r/min/s時，第一比較器輸 出為"1"，使第一RS觸發(fā)器置"1"。當加速度小于Or/min/s時，第二比 較器輸出為"1",使第一RS觸發(fā)器置"0"。
實際功率百分比信號(與機組額定功率相比)在第三比較器與預設值如 309&進行比較。第三比較器的輸出作為第一延時復位定時器的輸入。當實際 功率大于等于30%時，第三比較器輸出為"l"，并且使第一延時復位定時器 置"1"。當實際功率小于30%時，第三比較器輸出為"0"，第一延時復位定時器在延時如2秒后復位為"0"。
在實際功率大于等于30%,使第一延時復位定時器輸出為"l"的條件下， 若加速度大于等于225r/min/s，使第一 RS觸發(fā)器輸出為"1"，則第一與門 輸出為"1"，將使第一或門輸出為"1"。
在實際功率大于等于3096，使第一延時復位定時器輸出為"1"的條件下，若 測速模塊收到油開關跳閘信號，則第二與門輸出為"1",也將使第一或門 輸出為"1"。
實際轉速測量信號送入第一微分器進行微分運算，輸出的加速度信號通 過D/A轉換成相應的模擬量信號，在第四比較器進行比較，將比較的最大值 通過第二微分器和第一放大器進行動態(tài)補償放大輸出微分前饋信號給伺服 控制模塊。
執(zhí)行部分包括OPC開出繼電器和OPC電磁閥、電液伺服閥和油動機，每 一測速模塊的超速限制控制信號控制一 0PC開出繼電器。當?shù)谝换蜷T輸出為 "1"時，測速模塊的0PC開出繼電器接點閉合。若DEH的三個測速模塊中 有二個(即大部分)的OPC開出繼電器接點閉合，貝!JOPC電磁閥帶電，將使 汽輪機的所有進汽調節(jié)閥迅速關閉，從而到達限制轉速超調量的目的。伺服 控制模塊比較控制指令、微分前饋信號和油動機行程LVDT信號，輸出伺服 控制信號給電液伺服閥，最終控制油動機到相應位置。 調節(jié)閥關閉后，機組的加速度和實際功率會減小。當加速度小于0r/min/s 時，第一RS觸發(fā)器輸出回"0"。在實際功率小于30%，第一延時復位定時 器輸出回"0"。當?shù)谝籖S觸發(fā)器和第一延時復位定時器的輸出均回"0" 時，OPC電磁閥失電，調節(jié)閥交由伺服系統(tǒng)控制。
本發(fā)明同樣適用于其它需要超速限制功能的調節(jié)系統(tǒng)，另外，在上述實 施例的基礎上還可以有其它的變換方式
如上述各個預設值也可以根據(jù)需要設置為其它數(shù)值。如加速度信號的預設值可以取為220 230r/min/s,實際功率百分比信號相應的預設值可取為 25 35%。又如，本發(fā)明的邏輯電路并不局限于圖4中的形式，任何可以實現(xiàn) 本發(fā)明超速限制方法的邏輯電路都可以采用。又如，實際功率百分比信號及 相應預設值也可以用實際功率信號及相應預設值來代替。又如，上述對油開 關跳閘信號的處理是可選的，反映到裝置上可以取消圖4中的第二與門和第 一或門及相應的輸入信號。這些變換方案均應屬于本發(fā)明的保護范圍。 本發(fā)明實施例孤網(wǎng)運行汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)的控制軟件邏輯與傳統(tǒng)DEH 控制系統(tǒng)的控制軟件邏輯比較，增加了一次調頻和二次調頻算法功能。 該功能包括以下處理
1) 對實際轉速測量信號與設定轉速進行加法運算得到頻率偏差信號， 將頻率偏差信號進行線性變換以及比例放大后得到一次調頻值。
2) 對實際轉速測量信號與設定轉速進行加法運算得到頻率偏差信號， 將頻率偏差信號進行積分的到二次調頻值。
3) 將一次調頻值、二次調頻值和DEH總閥位指令進行加法運算，最終 輸出閥位指令給伺服控制模塊。
為了實現(xiàn)上述方法，本實施例DEH控制系統(tǒng)的控制軟件邏輯判斷單元如 圖6所示，包括第一加法器、第二放大器、第一積分器、第二加法器、第三 加法器。
設定轉速(如3000r/min)與實際轉速在第一加法器運算后，經線性變 換，送到第二放大器處理，得到一次調頻值，同時設定轉速(如3000r/min) 與實際轉速在第一加法器運算后，送到第一積分器處理，經積分飽和限制得 到二次調頻值， 一次調頻值與二次調頻值經第二加法器處理后得到調頻閥位 指令，調頻閥位指令與DEH總閥位指令送到第三加法器處理后輸出控制維持 系統(tǒng)頻率穩(wěn)定所需要的閥位開度。
權利要求
1、一種孤網(wǎng)運行的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)，包括控制硬件部分和軟件邏輯運算部分，其特征在于所述的控制硬件部分包括測速保護部件、一次調頻模塊、伺服控制模塊、人機接口部分、控制單元、輸入/輸出模塊；所述的軟件邏輯運算部分，包括基于頻率偏差的一次調頻運算和二次調頻運算單元，一基于實際轉速測量信號的超速限制單元，一基于實際功率測量信號的邏輯判斷單元；汽輪機的狀態(tài)信號及參數(shù)通過各種信號送入輸入模塊、伺服控制模塊和測速模塊進行板級處理，然后送入控制單元進行運算、處理，最后將處理后的數(shù)據(jù)送到人機接口部分顯示，同時可通過操作人機接口部分將指令發(fā)給控制單元，控制單元將處理后的輸出信號通過輸出模塊、伺服控制模塊和超速保護部件控制執(zhí)行機構動作；控制系統(tǒng)對頻率偏差進行邏輯處理及運算，輸出控制信號，通過伺服控制模塊控制電液伺服閥驅動油動機，帶動閥門運動，進而控制汽輪機進汽量以維持汽輪發(fā)電機組出力和所接待負荷相平衡，同時以超速限制單元的加速度信號和實際功率測量信號的邏輯判斷作為超速限制的觸發(fā)條件，可以有效限制機組因甩負荷而產生的轉速超調量，測速保護部件還輸出加速度微分前饋信號，通過一次調頻模塊處理后，送給伺服控制模塊，以使伺服控制系統(tǒng)快速動作，進而使汽輪發(fā)電機組在單機或小網(wǎng)運行情況下維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，保證供電品質。
2、 如權利要求1所述的一種孤網(wǎng)運行的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)，其 特征在于所述的控制硬件部分中的測速保護部件由三塊測速模塊及測速保護電 路構成；所述的人機接口部分為一操作員站；所述的控制單元是冗余的主、 備計算機；所述的輸入/輸出模塊包括模擬量輸入/輸出模塊、開關量輸入/輸出模塊、熱電阻輸入模塊、熱電偶輸入模塊；所述的操作員站與控制單 元通過冗余數(shù)據(jù)髙速公路相連；輸入/輸出模塊、測速模塊及伺服控制模塊 通過總線與控制單元相連。
3、如權利要求2所述的一種孤網(wǎng)運行的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)，其 特征在于-.所述的測速模塊對實際轉速測量信號進行微分運算，輸出的加速度微分 信號，經一次調頻模塊處理后，將微分前饋信號送到伺服控制模塊，構成模 擬硬件快速回路。
4、如權利要求l所述的一種孤網(wǎng)運行的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)，其 特征在于所述的軟件邏輯運算部分一次調頻運算和二次調頻運算單元包括一比 較器、放大器、積分器；所述的基于實際轉速測量信號的超速限制單元，對 實際轉速測量信號進行微分運算，輸出的加速度信號與相應的預設值進行比 較，功率測量信號的邏輯判斷單元將實際功率百分比信號與相應預設值進行 比較，當加速度信號和實際功率百分比信號均大于等于相應預設值時，輸出 有效的超速限制控制信號。
5、如權利要求1所述的一種孤網(wǎng)運行的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)，其 特征在于所述的測速保護部件，在執(zhí)行超速限制功能時，使超速限制電磁閥帶電， 將汽輪機的進汽調節(jié)閥迅速關閉；在輸出無效的超速限制控制信號時，使0PC 電磁閥失電，將調節(jié)閥交由伺舉系統(tǒng)控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種孤網(wǎng)運行的汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)，其包括控制硬件部分和軟件邏輯運算部分；所述的控制硬件部分包括測速保護部件、一次調頻模塊、伺服控制模塊、人機接口部分、控制單元、輸入/輸出模塊；所述的軟件邏輯運算部分，包括基于頻率偏差的一次調頻運算和二次調頻運算單元，一基于實際轉速測量信號的超速限制單元，一基于實際功率測量信號的邏輯判斷單元；控制系統(tǒng)對頻率偏差進行邏輯處理及運算，輸出控制信號，通過伺服控制模塊控制電液伺服閥驅動油動機，帶動閥門運動，進而控制汽輪機進汽量以維持汽輪發(fā)電機組出力和所接待負荷相平衡；同時測速保護部件以加速度信號作為超速限制的觸發(fā)條件，可以有效限制機組因甩負荷而產生的轉速超調量。
文檔編號F01D17/00GK101629496SQ20091010106
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權日2009年7月30日
發(fā)明者侯林鵬, 劉康寧, 輝 杜, 紀云鋒 申請人:杭州和利時自動化有限公司