DEH扫描周期对汽轮机控制系统的影响

顾正皓，张 宝，吴文健，陆 诚

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

DEH扫描周期对汽轮机控制系统的影响

顾正皓，张 宝，吴文健，陆 诚

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

汽轮机DEH具有固定的扫描周期，而所控制的对象却是连续系统，因此扫描周期的大小对于汽轮机的调节和保护系统具有一定的影响。通过仿真手段，对这一问题进行理论分析和探讨，结果表明，扫描周期对于汽轮机防超速保护影响较大，对汽轮机控制影响较小，这一结论对于汽轮机控制系统的设计和改造有参考作用。

汽轮机；扫描周期；控制系统；DEH

0 引言

目前，大型火电厂汽轮机控制系统普遍采用DEH（数字电液控制系统），实现对汽轮机运行的监测、调节与保护。DEH分专用型与通用型2种，均为以计算机为基础的数字式离散控制系统。

离散控制系统对于输入信号采用固定间隔时间进行采样，具有以下几个方面的优点：

（1）相对于模拟量控制系统，提高了输入信号的测量精度。

（2）数据通信采用数字格式，数字信号抗干扰能力要比模拟量信号强，提高了数据通信的可靠性。

（3）相对于采用现场总线的控制系统，可以采用同一信道传送多路信号。

（4）可以实现复杂的控制逻辑，控制系统的设计具有灵活性和易用性。

（5）相对于模拟量控制系统可以减少由于输入信号带来的噪声，提高控制系统的可靠性。

但这种控制系统也有以下缺点：

（1）由于连续的模拟量转换为具有一定时间间隔的数字量，降低了系统的可靠性。

（2）由于被控制系统是连续系统，执行机构的动作方式也是连续的，数字控制系统的输出在对执行机构进行控制前需要转换为模拟量，在转换过程中会丢失部分信息。

（3）在A/D和D/A转换过程以及程序执行过程中引入了时间滞后。

离散控制系统存在一个扫描周期，DEH控制功能确定后，扫描周期的缩短就意味着控制器与数据通信总线负荷率的提高，而这是有明确规定的[1]。按照规程[2]的要求：控制器的处理周期应满足模拟量控制系统不大250 ms，开关量控制系统不大于100 ms，快速处理回路中，模拟量控制系统不大于125 ms，开关量控制系统不大于50 ms。这一控制周期对汽轮机的控制、尤其是保护回路的功能是有影响的，处理不好，会造成保护误动或拒动，后果可能十分严重。

1 汽轮机PLU功能介绍

部分汽轮机DEH中，设置有PLU（功率-负荷不平衡）功能，其目的主要是防止汽轮机在突然甩负荷时发生超速，动作过程为：将再热器出口压力作为汽轮机的机械功率信号，将发电机电流作为汽轮机电功率信号，当汽轮机电功率瞬间减少（变化率大于某一定值）且汽轮机机械功率与电功率的差值大于某一设定值时，快关高、中压调门，达到快速减小机械功率的目的。

早期的PLU功能一般是通过专用卡件来实现，汽轮机电功率用发电机电流表征，扫描周期基本在10 ms以内，应用多年很少见异常报道。但近几年部分新建或改造机组多倾向于将DEH与DCS（分散控制系统）一体化设计，通过软件逻辑回路来实现PLU功能，汽轮机电功率的表征方式也从发电机电流改为发电机功率[3]。这产生了2个方面的问题，一是功率变送器本身在输入信号快速变化时，输出信号会畸变的问题[4]；二是因软件逻辑回路的扫描周期受控制器工作能力的制约无法设置过低（一般会设置为50 ms以上，比如设置为100 ms），由此而造成的故障判断问题。

在某些异常工况下，上述2个问题对PLU功能会产生严重的影响，以下在不考虑功率变送器造成的信号畸变情况下，重点讨论扫描周期对PLU功能的影响。

2 扫描周期对PLU功能的影响

输电线路开关重合闸的现象时有发生，特别是在一些雷电多发地区。由于输电线路开关重合闸的时间一般在100 ms以内，目前采用软件回路搭建的PLU控制回路扫描周期也在同一数量级。根据采样定理，采样频率至少应为信号测量频率的一半，并且功率变送器的测量时间常数也在100 ms左右，因此对于电功率的采样就存在相当大的误差。而在PLU功能中，电功率的变化率被作为一个重要的判据来使用，控制系统扫描周期不同，系统计算出来的变化率就会有差异，以电功率变送器测量值的变化率作为PLU功能的判据是否合适值得深入讨论。

图1是PLU功能中电功率变化率测量仿真模块。按电功率变送器时间常数为100 ms，采样系统以零阶保持模拟，电功率先下降至0，100 ms后重合闸成功，功率恢复，建立电功率测量回路模型。设电功率开始下降与采样时刻重合，分别以100 ms，50 ms，10 ms的扫描周期对电功率信号变化率进行采样，所得仿真结果如图2、图3与图4所示。

图1 PLU功能中电功率变化率测量仿真

图2 仿真原始信号

由图4可见，不同的扫描周期下电功率的变化率不同，扫描周期越短，变化率就越大。由于采样时刻很可能不与事故发生时刻重合，当采样时刻与事件发生时刻不同时，其变化率也不相同，具体数据如表1所示。

表1 不同的扫描周期和采样时刻偏差对于信号的影响

可见，当采样时刻与事故时刻相同时，同一信号源下，扫描周期越小，电功率变化率的计算结果越大；当扫描周期相同时，采样时刻比事故时刻越滞后，电功率变化的计算结果越小。这一结果说明，在汽轮机PLU功能中，条件“汽轮机电功率瞬间变化率大于某一定值”是否满足，与扫描周期以及采样时刻密切相关。当扫描周期较大时，同一外界事故下，该条件可能或不满足，此时PLU动作有一定的不确定性。

由于专用卡件的扫描周期较短，这一问题影响不大，但当使用软件回路实现PLU功能时，PLU功能可否正常动作，取决于汽轮机电功率瞬间变化率的设置值，由于该值受扫描周期以及采样时刻的影响，通常也难以确定。

目前许多机组DEH改造项目倾向于采用软件组态的PLU逻辑代替原来由硬卡件所实现的PLU功能，由于DEH软件组态扫描周期较长（一般都为50 ms以上），因此采用类似的功率变化率方式的PLU组态容易误动和拒动[3]。如果要使汽轮机PLU保护功能正确动作，建议采用硬卡件实现保护逻辑，并且硬卡件的计算时间应小于10 ms。

图3 不同扫描周期下的电功率测量值

图4 不同扫描周期下的电功率变化率的计算值

图5 汽轮机甩负荷工况模型

3 扫描周期对于汽轮机甩负荷的影响

对于采用OPC（超速保护控制）预关调门、防止汽轮机超速保护功能的机组，扫描周期的快慢影响不大，而采用纯转速控制汽轮机超速的机组，采样时间的快慢则有一定的影响。图5是汽轮机甩负荷模型，设转子时间常数为8 s，汽轮机时间常数为0.3 s，阀门时间常数为0.3 s，转速不等率为5%，摩擦力矩为额定负荷的2.5%。改变不同的扫描周期（200 ms，100 ms，50 ms，10 ms），仿真结果表明扫描周期对于甩负荷工况下的最高转速影响不大，具体结果如表2所示。

表2 扫描周期对转子飞升的影响

但是，如果以200 ms采样速率运行，则甩负荷时刻与采样时刻的偏差带来了一定的延迟时间，使转速飞升更高，一般如果延时100 ms，约增加30 r/min的转速飞升。

此外，由于汽轮机的主要容积环节为再热器容积环节和转子惯性环节，其再热器时间常数大于10 s，转子时间常数大于6 s。因此，常规DEH中的扫描周期都可满足转速调节的要求。对于一次调频等常见的电网频率扰动，其频率扰动时间通常均大于1 s，而小于1 s的频率扰动较少，因此DEH控制扫描周期对其影响不大。

4 结论

（1）控制系统的扫描周期对汽轮机安全运行有一定影响，对于快速处理回路，规程中对扫描周期的规定“模拟量控制系统不大于125 ms，开关量控制系统不大于50 ms”的要求有时也无法满足实际需要。

（2）汽轮机的PLU功能宜通过专用硬件实现，当使用软件逻辑实现时，应尽可能地缩短控制器的扫描周期，合理确定电功率变化率的定值，但这也不足以确保该功能的正常动作，此类改造需慎重。

（3）对于纯转速调节下的甩负荷工况，扫描周期越短，最高飞升转速越低。对于采用保护方式（如OPC）实现甩负荷功能的系统，影响较小；对于常规转速调节和一次调频控制功能，扫描周期小于200 ms均可适用。

[1]国家发展和改革委员会.DL/T 659-2006火力发电厂分散控制系统验收测试规程[S].北京：中国电力出版社, 2006.

[2]国家发展和改革委员会.DL/T 774-2004火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程[S].北京：中国电力出版社，2004.

[3]过小玲，郑渭建.取消东汽机组PLU保护的可行性探讨[J].浙江电力，2012，31（1）∶52-54.

[4]张宝，杨涛，项瑾，等.电网瞬时故障时汽轮机汽门快控误动作原因分析[J].中国电力，2014，47（5）∶25-27.

（本文编辑：陆 莹）

Influence of DEH Scan Period on Steam Turbine Control System

GU Zhenghao，ZHANG Bao，WU Wenjian，LU Cheng
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Digital electro-hydraulic control system（DEH）owns fixed scan period，but the controlled target is continuous system.Therefore the scan period to some extent influences governing and control system of steam turbine.The paper theoretically analyzes and discusses this issue through simulation methods.The result shows that scan period greatly influences overspeed protection of steam turbine while seldom influences steam turbine.The conclusion provides reference for design and retrofit of steam turbine control system.

steam turbine；scan period；control system；DEH

TK323

B

1007-1881（2015）09-0058-04

2015-07-15

顾正皓（1972），男，高级工程师，从事汽轮机及其控制技术、网源协调方面的研究工作。