楊宏坤

(上海電氣風(fēng)能有限公司，上海 200241)

0 引言

對(duì)于常規(guī)火電帶小網(wǎng)的“孤島運(yùn)行”安全控制研究探索發(fā)現(xiàn)，由于孤島運(yùn)行不僅影響電廠機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也危及整個(gè)孤立電網(wǎng)中正在運(yùn)行的設(shè)備［1］，無(wú)論機(jī)組是否處于孤島運(yùn)行模式，均需要保證機(jī)組轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)“孤島運(yùn)行”發(fā)生時(shí)，通過(guò)“負(fù)荷不平衡”算法或者并網(wǎng)開(kāi)關(guān)信號(hào)檢測(cè)迅速判斷機(jī)組進(jìn)入“孤島運(yùn)行”模式，從而能迅速關(guān)閉進(jìn)氣調(diào)門(mén)，不至于反復(fù)發(fā)生OPC(Overspeed Protect Control，簡(jiǎn)稱(chēng)OPC)超速，甚至超速保護(hù)停機(jī)?！肮聧u控制”要求控制系統(tǒng)的控制周期小于50 ms(不包括進(jìn)氣調(diào)門(mén)的關(guān)斷時(shí)間及中間繼電器的機(jī)械動(dòng)作時(shí)間)。因此要求汽輪機(jī)控制系統(tǒng)要有非常高的“響應(yīng)時(shí)間”。

智能電網(wǎng)基礎(chǔ)部分的分布式電源(Distributed Generation，簡(jiǎn)稱(chēng)DG)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，DG主要包括微汽輪機(jī)、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等。其一般和負(fù)載一起組成微網(wǎng)，作為一個(gè)可控單元接入主電網(wǎng)［2］，鑒于“微電網(wǎng)”之一的風(fēng)能為例，就雙饋風(fēng)電機(jī)組，機(jī)組控制系統(tǒng)的核心任務(wù)之一就是“變速恒頻”。交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)通過(guò)在雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相交流電源進(jìn)行勵(lì)磁，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位，從而實(shí)現(xiàn)定子側(cè)的能量輸出［3］。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用于“微電網(wǎng)”時(shí)，為適應(yīng)小網(wǎng)頻率變化幅度大，變化速度快，風(fēng)電機(jī)組通常需要采用下垂控制(Droop Control)以及V/f控制。是否能快速判斷風(fēng)機(jī)進(jìn)入“微電網(wǎng)”工作方式，啟動(dòng)下垂控制及V/f控制;還是進(jìn)入“低頻率保護(hù)”工作模式，啟動(dòng)故障穿越(Fault Ride Through)的關(guān)鍵之一是就地控制系統(tǒng)的系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”。

對(duì)于安全系統(tǒng)應(yīng)用于化工領(lǐng)域的緊急停車(chē)裝置(Emergency Shutdown Device，簡(jiǎn)稱(chēng) ESD)系統(tǒng)、還是電力領(lǐng)域的 ETS系統(tǒng)(Emergency Trip System，簡(jiǎn)稱(chēng)ETS)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中故障的快速識(shí)別和響應(yīng)能力，是避免生產(chǎn)中斷、設(shè)備損壞和人員傷亡的關(guān)鍵。因此控制系統(tǒng)的“響應(yīng)速度”的重要性是不言而喻。

控制系統(tǒng)廠商和系統(tǒng)用戶(hù)會(huì)將控制器的“控制周期”與控制系統(tǒng)的“響應(yīng)速度”或者“響應(yīng)時(shí)間”混為一談。事實(shí)上，系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”是一個(gè)與控制系統(tǒng)自身的“控制周期”，或者“循環(huán)時(shí)間”完全不同的概念?？刂葡到y(tǒng)的“控制周期”只是一個(gè)分時(shí)控制系統(tǒng)的時(shí)間片，是控制系統(tǒng)核心控制器完成控制運(yùn)算的最大時(shí)間。而完整的系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”，它不僅包括控制系統(tǒng)控制器的“控制周期”，還綜合了控制系統(tǒng)的I/O信號(hào)采樣輸入時(shí)間、采樣輸出時(shí)間、以及相關(guān)的總線通訊、系統(tǒng)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、邏輯運(yùn)算、報(bào)警處理的總時(shí)間。也就是從輸入端子開(kāi)始到輸出端子結(jié)束的總時(shí)間。這個(gè)完整的系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于控制系統(tǒng)的“循環(huán)時(shí)間”，或“控制周期”。

DCS集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)DCS)，又稱(chēng)為分布式控制系統(tǒng)［4］，作為核心控制器的“控制周期”可設(shè)置的非常小，但完整的系統(tǒng)“響應(yīng)速度”均高于控制器的“控制周期”。

以對(duì)美國(guó)RTP公司的RTP3000系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”進(jìn)行測(cè)試為例，驗(yàn)證控制系統(tǒng)“控制周期”與的控制系統(tǒng)“響應(yīng)速度”，或者“響應(yīng)時(shí)間”之間的差異非常大。同時(shí)，也驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的模擬量伺服回路的“響應(yīng)時(shí)間”與DI/DO保護(hù)控制回路的系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”也是不同的。為此，建議用戶(hù)在選擇控制系統(tǒng)控制器時(shí)，應(yīng)更加關(guān)注控制系統(tǒng)的“響應(yīng)速度”，而不僅僅是“控制周期”。尤其當(dāng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于要求速度非?？斓膽?yīng)用場(chǎng)合時(shí)更應(yīng)如此。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1)測(cè)試在不同“控制周期”下，RTP3000系統(tǒng)DI/DO保護(hù)控制回路的系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”。

(2)測(cè)試在不同“控制周期”下，RTP3000系統(tǒng)的PI/AO伺服控制回路的系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”。

(3)測(cè)試RTP3000系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)(磁阻、渦流)的匹配能力。

(4)測(cè)試RTP3000系統(tǒng)中伺服卡與六線制LVDT(Linear Variable Differential Transformer線性位移差動(dòng)變送器)的匹配能力，以及伺服控制的線性度。

1.2 測(cè)試硬件環(huán)境

測(cè)試使用了RTP3000的三重化冗余配置，使用了一塊AI卡件，一塊AO卡件，一塊DI卡件，一塊DO卡件，兩塊AO伺服輸出卡件，三塊高速計(jì)數(shù)PI卡件。

此外，為了保證測(cè)試不受外部因素影響，所有的DI/DO/PI/AO信號(hào)均直接轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。不使用類(lèi)似隔離繼電器等含機(jī)械動(dòng)作，會(huì)影響系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”的電氣元件。

1.3 測(cè)試原理(見(jiàn)圖1、圖2)

圖1 DI/DO保護(hù)回路測(cè)試原理

圖2 PI/AO伺服回路測(cè)試原理

1.4 測(cè)試軟件環(huán)境

本次測(cè)試目的主要為測(cè)試RTP3000系統(tǒng)的“響應(yīng)時(shí)間”以及程序邏輯大小對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)周期的影響。為體現(xiàn)測(cè)試的真實(shí)性，測(cè)試程序中加入了一個(gè)完整的300 MW火電機(jī)組，針對(duì)原機(jī)組的一次調(diào)頻控制策略，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)的一次調(diào)頻控制策略［5］，利用DEH掃描周期速度快的特點(diǎn)，在DEH中組態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”測(cè)試。

ETS是機(jī)組在緊急情況下迅速關(guān)閉汽輪機(jī)所有進(jìn)氣閥，停止汽輪機(jī)運(yùn)行的控制系統(tǒng)［6］，加入ETS控制邏輯，對(duì)控制系統(tǒng)的安全保護(hù)控制進(jìn)行“響應(yīng)時(shí)間”測(cè)試。

同時(shí)額外加入了300個(gè)在實(shí)時(shí)運(yùn)算的PID調(diào)節(jié)控制回路，PID系統(tǒng)著重于系統(tǒng)輸出量，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的誤差量(P)、誤差累計(jì)量(I)以及誤差的變化速率(D)來(lái)調(diào)整控制輸入量［7］。對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制的“響應(yīng)時(shí)間”測(cè)試。

主程序流程如圖3所示，其中的，DEH為數(shù)字式電液控制，ETS-01及ETS-02為ETS控制程序，TEST04-TEST14為PID功能測(cè)程序，每個(gè)框內(nèi)包含30個(gè)PID。

圖3 主程序流程示意圖

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 典型錄波數(shù)據(jù)分析

設(shè)定RTP3000控制系統(tǒng)“控制周期”為10 ms。

從圖4的錄波數(shù)據(jù)可以看出:DI信號(hào)在305 ms時(shí)跳變，而DO輸出信號(hào)相應(yīng)在333.8 ms發(fā)生跳變，系統(tǒng)完整響應(yīng)時(shí)間為28.8 ms。

圖4 典型DI/DO測(cè)試結(jié)果(10 ms)

從圖5的錄波數(shù)據(jù)可以看出:PI頻率輸入信號(hào)在411 ms時(shí)跳變，而相應(yīng)的AO伺服輸出在469 ms發(fā)生跳變，系統(tǒng)完整響應(yīng)時(shí)間為58 ms。

圖5 典型PI/AO測(cè)試結(jié)果

2.2 5 ms控制周期測(cè)試數(shù)據(jù)

設(shè)定RTP3000控制系統(tǒng)“控制周期”為5 ms，重復(fù)測(cè)試10次，得到的相應(yīng)時(shí)間如圖6所示。

2.3 10 ms控制周期測(cè)試數(shù)據(jù)

設(shè)定RTP3000控制系統(tǒng)“控制周期”為10 ms，重復(fù)測(cè)試10次，得到的相應(yīng)時(shí)間如圖7所示。

圖7 10 ms系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

2.4 伺服輸出測(cè)試

試驗(yàn)條件:油溫 50℃，10 ms控制周期，指令變化率0-100%，圖8所示在不同指令段系統(tǒng)的控制狀況，

圖8 伺服卡測(cè)試結(jié)果

2.5 DO輸出回路檢測(cè)功能

在RTP3000系統(tǒng)DI/DO響應(yīng)時(shí)間測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，如圖9所示，具體表現(xiàn)為:

(1)DO輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生周期性的跳變。

(2)跳變脈沖寬度為 150 μs～400 μs，小于 500 μs。

(3)當(dāng)NP控制器周期為5 ms時(shí)，跳變周期約為80 ms。跳變兩次，在DO輸出未被激勵(lì)時(shí)跳變間隔為10 ms，DO輸出被激勵(lì)后跳變間隔為5 ms。

(4)當(dāng)NP控制器周期為10 ms時(shí)，跳變周期約為160 ms。跳變兩次，在DO輸出未被激勵(lì)時(shí)跳變間隔為20 ms，DO輸出被激勵(lì)后跳變間隔為10 ms。

圖9 DO輸出跳變

經(jīng)研究RTP3000系統(tǒng)硬件手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的原因是RTP3000系統(tǒng)的DO輸出(包括負(fù)載和接線)的回路檢測(cè)功能所致。其具體方法是，定期跳變DO輸出信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)輸出負(fù)端是否相應(yīng)發(fā)生變化來(lái)判斷外部回路是否存在斷路、短路情況。并通過(guò)輸出狀態(tài)讀回寄存器進(jìn)行報(bào)警。這對(duì)于安全系統(tǒng)是非常有用，且非常重要的功能之一。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)控制“響應(yīng)時(shí)間”或“響應(yīng)速度”是完全不同于控制系統(tǒng)“控制周期”的概念。在選用控制系統(tǒng)時(shí)，不應(yīng)只關(guān)注控制系統(tǒng)的“控制周期”，更應(yīng)關(guān)注控制系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”。尤其是當(dāng)運(yùn)用于對(duì)時(shí)間要求非常嚴(yán)格的保護(hù)及控制場(chǎng)合時(shí)，選用控制器時(shí)更應(yīng)如此。

(2)在同等的“控制周期”設(shè)計(jì)下，數(shù)字量信號(hào)與模擬量信號(hào)的“響應(yīng)時(shí)間”也不一樣，模擬量信號(hào)“響應(yīng)時(shí)間”遠(yuǎn)高于數(shù)字量信號(hào)“響應(yīng)時(shí)間”。

(3)RTP3000系統(tǒng)的完整系統(tǒng)“響應(yīng)時(shí)間”非?？?，能很好滿(mǎn)足“孤島控制”和“微網(wǎng)控制”的快速保護(hù)及頻率檢測(cè)的要求。

(4)RTP3000系統(tǒng)DO輸出具有回路檢測(cè)功能，可以對(duì)輸出回路的短路、斷路情況進(jìn)行報(bào)警。

(5)RTP3000系統(tǒng)伺服卡件能與六線制LVDT很好配合，系統(tǒng)精度較高。

(6)RTP3000頻率輸入卡不能接受旋轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)速渦流傳感器300 r/m以下的毫伏級(jí)正弦波信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)需要檢測(cè)此類(lèi)信號(hào)時(shí)，需要使用前置放大器進(jìn)行整形并放大。

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