自动化技术在火力发电电气控制中的应用

2022-12-02晏建新

通信电源技术 2022年14期

晏建新

(大唐华银电力股份有限公司耒阳分公司，湖南耒阳 421800)

0 引言

我国电力自动化技术正处于快速发展的时期，各类现代化的技术在电力领域当中得到了广泛的应用，并在一定程度上达到了自动化和智能化转换。随着社会经济的发展，各类用电企业和居民对于电力的需求不断提高，为确保电力的稳定供给和提高电力生产的效率，必须大力运用现代科技手段。石油和煤是电厂生产的主要原材料，但由于技术上的落后，使得煤和油没有得到充分的燃烧，导致了原材料的利用率不高，造成了煤、油等大量资源的浪费[1]。为此，我国电力工业必须积极运用电力自动化技术，改善煤、油的利用，以达到提高电厂发电效率、实现自动化和智能化的目的[2]。在各类发电厂中应用自动化技术能够极大程度上降低资源浪费而造成的经济损耗，同时对电厂的发展也能够起到极大的促进作用。现阶段，火力发电厂对电气设备进行控制时，电器设备的电流波动较大，容易影响电气运行安全。因此，需要通过自动化技术对电气设备进行控制。

在电力自动化系统中，控制层、通信层等采用分层的方式来监控和控制。电力自动化技术的各个层面相互独立，上下两层运行互不干涉，各自运行。通过电力自动化技术，可以在电厂中进行监测、保护[3]。为实现火力发电电力控制的进一步完善，下述将对此开展深入研究。

1 安装500 kV网络及电气辅助车间不间断控制电源

为确保火力发电电气控制的可持续进行，实现电气设备自动化实时运行，在500 kV网络及电气辅助车间完成对不间断控制电源的安装。为了确保系统的供电可靠性和供电品质，分别设定了单相输出交流电（Alternating Current，AC）和不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）[4]。辅助车间的程序控制系统是由它们的总装商进行的。各个系统的UPS被安排在各自的机房或控制室中。电池的配置方式是每台机组设有3套蓄电池，1套220 V电源负载，两套电压为110 V，用于负载的控制。该方案为现有300 MW及以上机组的常用配置模式，其优势在于：（1）控制系统电压为110 V，对绝缘等级的要求较低，接地失效的概率较低，运行安全。由于阀控式密封铅酸蓄电池（Valve-Regulated Lead Acicl，VRLA）能节约建筑空间，降低了设备的使用和维修工作量，并在火力发电厂中得到了广泛的使用。因此，在对其电气设备进行控制时，选用VRLA型密封蓄电池具备更高可行性。针对蓄电池容量的计量可按照下述结合阶梯负荷计算法的方式进行计算

式中：c表示蓄电池容量；A表示放电电流；H表示放电时间。结合式（1），确定电气控制中所需的蓄电池容量。交流电厂发生的电力故障断电时间为1 h，氢气和空侧密封油泵的故障放电时间为3 h，蒸汽和给水泵汽轮机的故障放电时间为1.5 h。

2 火力发电电气设备用电接线设计

为实现对火力发电电气设备的自动化控制，在完成对500 kV网络及电气辅助车间不间断控制电源的安装后，需要完成对其用电接线设置。在设置前，先明确火力发电厂中电气设备的用电负荷，其公式为

式中：P表示火力发电厂中电气设备的用电负荷；T表示电气设备连接外线电源的设备功率因数；F表示各个电气设备电力负荷需求系数；C表示电气设备同时系数。根据式（2），确定电气设备的用电负荷，并在此基础上对电气设备用电接线进行设置。火力发电厂接线通常采用6 kV和380/220 V两极电压为电气设备提供运行条件。基于这一需求，在6 kV火力发电厂中各装置配备50/31.5～31.5 MVA的无载调压分裂式高压变压器及两个6 kV工作母线，在每1台规格为25 MVA的变电装置上都设置1条公用母线，这两个变压器都是通过主回路实现供电。由于各设备6 kV工作及公用部分设置在6 kV配电室内。各机组均采用6 kV工作A、B段的高压脱硫负载[5]。火力发电厂中380/220 V电力系统，主厂房内外均采用电力中心和电机控制中心供电。利用火力发电厂本身具备的中性点接地特性，实现理想的接地效果。根据以往的实际工作经验，在此基础上，要求100 A的单相接地故障电流根据接地需要，设置36.4 Ω的接地电阻。在进行实际用电接线时，为确保电气设备能够正常运行，需要对母线启动电压进行水平验算，并参照表1验算标准，实现对接线是否成功的检验。

在进行火力发电电气设备用电接线时，只有保证各项数值符合表1要求，才能够确保电气设备在运行过程中的起动电压水平符合要求，为后续自动化控制提供条件。

3 火力发电电气计算机自动化控制运行配置

针对火力发电电气设备，结合计算机技术实现对其自动化控制，对炉、机、电进行集中控制。两台电气机组共用1个单元控制计算机。各机组的控制、信号、测量均由电脑监视系统控制，而非普通的监视屏幕。根据不同的组态方式、设备选型，对火力发电电气计算机自动化控制运行配置按照不同方案设置。

（1）第一方案。各单位的电力控制系统均纳入分数控制系统（Discributed Contrd System，DCS）监控，设备均采用DCS软件和硬件设备。将全部的模拟值变换成4～20 mA的信号，并将其输入到DCS的模件中；将脉冲信号以脉冲的形式输入到DCS的脉冲量输入模块中；全部电器状态及信号均以硬接线方式连接DCS数码量输入模块；发电装置与变压器装置构成的保护装置、自动电压调节器（Automatic Voltage Regulator，AVR）装置、同期装置、故障录波装置、厂用电快速开关装置、直流系统、UPS系统等都需要通过通信接口与DCS进行通信，重要联络信号通过硬接点直接输入DCS；全部电器控制采用DCS数字输出模块，以一对一的方式进行控制，以此计算机可以根据电气设备运行现场的实际情况，自动给出控制指令，并通过通信传输的方式实现控制指令信号的传递。

（2）第二方案。在DCS中引入设备连接和通信信号的方式实现控制。除了需要对少部分的模拟量信号、接地刀位置信号、绝缘开关信号等进行通信传输以外，其他所有控制量信号都需要通过硬导线与DCS进行连接。针对其他电子设备，如同期装置、启备变保护装置、故障录波装置、同期装置等，也同样需要使用硬导线与DCS进行连接。对于单元机组的电机，因为其与机组的热工系统有着密切的关系，因此在对其进行控制运行配置时，采用DCS数据传输模块的形式实现控制指令的传输，以此提高控制精度。

同时，采用上述两种控制方法在控制过程中需要按照下述公式，确定在自动化控制计算机上的控制输入数值：

式中：u(t)表示控制计算机输入数值；K表示控制参数的比例系数；e(t)表示控制过程中产生的误差数值。根据式（3），确定控制输入数值，并根据实际情况对上述两种方案进行选择，实现对火力发电电气计算机自动化控制运行的配置。

4 实例应用分析

通过上述研究，提出一种全新的电气控制方法，为验证这一控制方法的实际应用可行性，以某火力发电厂为例，对其中现使用的电气设备进行自动化控制。在控制过程中，通过记录电气机组中各个设备的运行电流，实现对控制稳定性的判断。根据火力发电厂电气设备的运行要求，电气设备在运行时的电流不得超过16.23 A±0.1 A，根据这一要求，记录在利用本文控制方法控制的10 min时间内，电气设备电流的变化情况，并将相关数据记录如表2所示。

表2 本文方法控制下电气设备运行电流变化

结合表2中数据可以看出，在应用本文上述提出的控制方法对该火力发电厂中的电气设备进行自动化控制时，其电流值的变化均控制在了16.23 A±0.05 A范围内，不仅数值在规定的合理范围内，同时明显比规定要求的合理范围更小，说明应用本文提出的控制方法可以有效提高电气设备运行的稳定性，具有极高的应用可行性。