火力发电厂的电气控制系统设计及应用研究

段旭阳

（广西广投北海发电有限公司，广西 北海 536000）

0 引 言

火力发电厂是我国电力工程的重要组成部分，在早期阶段，基于继电保护的火力发电厂在实践中存在检修复杂、安装困难、灵敏性低、功能单一以及运营成本高等重要缺陷。随着时代的发展，信息化技术、自动化技术在火电厂中的应用开始变得愈发广泛，远程监控系统、智能化管理系统等在实践中的应用一定限度上提升了现代火电厂的综合价值。本文以自动化技术在火力发电厂中的应用为研究对象，以提升火力发电厂自动化水平为终极目标，进行火力发电厂的电气控制系统设计，希望能够为火电厂电气控制工作提供一定理论支持。

1 火力发电厂电气控制系统概述

当前大多数火力发电厂均使用分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）进行控制，能够同时支持部分机械设备的远程控制与功能升级，但其升级功能受设备运行限制，信息化和智能化水平有限，大多数系统只是通过硬接线实现信息交互，无法满足电源切换、继电保护、故障分析等功能需求，对其进行优化升级具有一定现实意义[1]。

在对火电厂电气控制系统进行升级之前，需要对其基本结构与构成进行简要分析，具体如下。一是主接线设计，主接线是电气控制系统运行安全的重要保障，在设计过程中，应当结合设计目标，对原始数据进行对比与分析，并基于可靠性要求设计接线。从理想角度分析，接线应当具有可靠性、灵活性、操作便捷性、经济性等特征。二是主变压器设计，主变压器是电气主接线系统的核心设备，在改扩建中，应当对其型号、台数进行明确。一般情况下，发电厂应当配备至少2 台主变压器，其绕组数、绝缘情况、相数等内容须根据实际情况进行判定[2]。三是电气设备确定，电气控制系统的电气设备主要包括避雷器、电缆、母线、电压互感器等，在实际工作情境中应当根据系统的工作需求、设计目标、国家技术规范等内容进行确定。在设备安装阶段，还应详细确定设备的使用要求、安装地点等内容[3]。

在对火电厂电气控制系统进行设计之前，还应预先确定系统的基本功能需求，主要包括以下几点。首先，系统应能够实时监控整个电气结构，包括但不限于电动机等电气设备的实时工作状态等。其次，系统应能够提供基础的数据支持，主要包括电能计量、信息存留等，进而为后期的数据分析工作提供必要支持。最后，系统应能够为电气设备运行提供必要保障，主要包括继电保护、防误闭锁等[4]。

2 火力发电厂电气控制系统设计

2.1 电气主接线设计

本次研究过程中，拟定机组起动/备用电源由500 kV 配电装置一级降压引接设计，在此基础上，可提出以下建设方案。

采用2/3 接线，即#1 发变组进线和#01 起动/备用变进线、#1 出线和#2 发变组进线、#2 出线和#3 发变组进线、#02 起动/备用变进线和#4 发变组进线形成2/3 接线的一个完整串，同时#2 出线形成2/3 接线的一个不完整串。

在这一设计思路背景下，主接线方案主要存在以下几点重要优势。一是可靠性强，该设计方案能够提供较高的供电可靠性，在检修、故障重合的背景下，停电回路在3 回以下，对于厂区电力供应的影响相对较小。二是灵活性强，该主接线方案在本期、远期均为多环行供电，可根据实际情况进行灵活的运行调度与调整。三是实践经验较为广泛，该接线方案在国内外均存在较多的实践经验，且效果普遍较好，是当前国内外500 kV 变电站接线设计的首选方案。四是扩建便捷，一次设备扩建方便，二次接线扩建改接较方便[5]。

此外，值得注意的是，在本次工程建设中，该方案的投资成本为4 422.233 万元，因此应当注意成本的有效控制。最后，结合安全负荷需求，需要引进一台柴油发电机组作为负荷电源，以提升故障的实时处理能力。

2.2 设备选择

在本次研究过程中，设备选择应当结合《导体和电器选择设计技术规定》进行确定，具体的导体、设备选择应当按照以下思路进行。一是导体选择，为了防止短路故障出现，本次工程导体均采用全连式离相封闭母线。二是主变压器选择，在实践中，发电机最大的连续输出功率为783.2 MVA，因此主变压器容量应当选择780 MVA，阻抗电压为14%，允许偏差应当在±5%区间范围内。三是500 kV 设备选择，断路器选择额定电流为3 150 A 的瓷柱式六氟化硫断路器，隔离开关选择额定电流为3 150 A 的三相隔离开关，户外设备外绝缘均选用防污型产品。

2.3 接线设计

厂用电按照6 kV、0.4 kV 两级电压进行设计，其中6 kV 电压标准面向的是容量在200 kW 以上的设备，0.4 kV 电压标准面向的是容量在200 kW 以下的设备。

6 kV 用电系统的设计思路如下：一是每台机组设一台变压器与两端工作母线，其中变压器选择50/25-25 MVA 无载调压分裂结构高压厂用变压器，同时每台机组设施一台高压公用变，变压器从主回路取得电源；二是2 台机组设置一台备用变压器，容量需要满足机组正常启停要求[6]；三是高压公用变-6 kV 公用段可采用共箱母线连接；四是由公用变压器提供电源，2 个公用段之间设联络开关。上述接线设计思路具有较强的可靠性，但在接线方面具有较强的复杂性，特别是在进行机组启停时，用电切换操作较为复杂，技术人员应当注意这一点。

0.4 kV 用电系统的设计思路如下：一是主厂房内接电方案，主厂房内机器设备均设置2 台，互为备用，设置容量为2 000 kVA的汽机变、1 600 kVA的锅炉变，同时设置两段汽机PC 母线、两段锅炉PC 母线；二是主厂房外接电方案，按工艺系统和就近供电相结合的原则进行设计，不同系统的设计内容、供电方案如表1 所示。

表1 主厂房外厂用电系统的设计方案

2.4 直流系统设计

直流系统按照《电力工程直流系统设计技术规程》进行设计，蓄电池按照一组220 V、二组110 V的思路进行设计，其中一组为整个系统提供动力负荷供应，二组为整个系统提供控制负荷供应。这种设计方式在实践中能够降低控制系统电压，有效提升控制系统的运行安全性。同时，动力系统、控制系统供电分离，在某一系统出现故障时能够降低故障影响。

2.5 继电保护设计

继电保护按照《继电保护和安全自动装置技术规程》进行设计，整个系统的继电保护内容包括发电机变压器组保护、起动/备用变压器保护、其他元件保护等。其中，起动/备用变压器保护的具体配置如下：一是电气量保护（双重化），包括短引线差动、差动速断、变压器差动保护、复合电压过流保护、高压侧零序方向过流、变压器零序过流、A分支零序保护、B 分支零序保护、分支复压过流等；二是非电量及公共保护，包括变压器瓦斯保护、变压器调压装置瓦斯保护、变压器压力释放保护、变压器调压装置压力释放保护、变压器温度保护、变压器油位保护等[7]。

2.6 自动装置设计

自动装置是本系统的核心内容，其具体设计策略如下。一是同期装置，发电机变压器组采用计算机监控，在实际工作情境中，发电机存在安全并网需求，因此机组需要设置自动准同期装置。同时，为了保证设备的稳定性运行，还需要设置备用的手动准同期装置，自动准同期装置信号接入DCS[8]。二是厂用电快速切换装置，为了方便在故障时系统能够安全停机，需要设置快速切换装置，该装置应当独立于DCS 工作，同时信号接入DCS。三是故障录波装置，为了实现故障信息的记录与分析，需要在机组上设置故障录波装置，即微机型发电机变压器组故障录波装置[9]。四是自动装置与计算机监控系统的接口，本次研究中，各种自动装置均应当与计算机监控系统之间建立通信接口。对于一些特别重要的自动设备，如厂用电快速切换装置等，需要确保信号的稳定传输，同时采取硬接线的方式与计算机进行连接。五是全球定位系统（Global Positioning System，GPS）时钟模块，为了保证信号传输的准确性，满足部分系统的统一对时需求，需要在全厂内部配置一套GPS 时钟系统，精度应当符合技术要求。同时，还应当包括备用时钟，在主时钟出现故障时能够自动切换，实现时间基准信号互为备用[10]。

3 结 论

本文以火力发电厂的电气控制为研究对象，结合现实工作特点，进行了电气主接线、设备选择、继电保护、直流系统设计等工作，各种具体方案的提出在实践中均存在较为丰富的应用经验，对于应用到火力发电厂实际工作中提升其工作效率具有十分重要的现实意义。总之，电气控制系统是火电厂发电系统的重要组成，随着我国电力产业发展观念的变革，国家、社会对于火电机组的管理水平与自动化水平必将提出更高的要求，对此相关企业可以适当结合本文的研究内容与自身实际情况，深入研究如何在机组运行过程中确保电气控制系统的准确性，实现可持续发展与经济效益的稳定提升。