黃金軍，楊鵬程，文耀華，王 慶，咸哲龍

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106；2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京 100031；3.上海電氣電站設(shè)備有限公司上海發(fā)電機(jī)廠，上海 200240)

0 引言

隨著我國(guó)超大容量、遠(yuǎn)距離特高壓直流輸電工程的大規(guī)模建設(shè)與發(fā)展，特高壓送受端交流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功需求特性與國(guó)外及國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)場(chǎng)景有著明顯差異，如特高壓直流大規(guī)模饋入受端系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備顯著下降，電壓調(diào)節(jié)特性變差，電壓穩(wěn)定問(wèn)題突出。另一方面，隨著新能源電源的大量集中開(kāi)發(fā)以及向邊遠(yuǎn)地區(qū)擴(kuò)展，電網(wǎng)架構(gòu)薄弱的送端交流系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}日益凸顯，直流系統(tǒng)輸電能力嚴(yán)重依賴于送端火電開(kāi)機(jī)方式，制約了清潔能源的送出[1]。

綜合特高壓直流送受端系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功的新需求，目前主流的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static var compensator，SVC)及靜止無(wú)功發(fā)生器(static var generator，SVG)等優(yōu)勢(shì)不明顯。系統(tǒng)需要具備次暫態(tài)及暫態(tài)響應(yīng)快、短時(shí)過(guò)載能力強(qiáng)、對(duì)交流系統(tǒng)電壓依賴性弱等特點(diǎn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功設(shè)備[2-10]。為此，次暫態(tài)特性優(yōu)、安全可靠性高、運(yùn)行維護(hù)方便的新一代同步調(diào)相機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

潤(rùn)滑油子系統(tǒng)是調(diào)相機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵輔助系統(tǒng)之一。調(diào)相機(jī)是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，需要潤(rùn)滑油對(duì)相關(guān)軸承潤(rùn)滑并散熱，潤(rùn)滑油系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。潤(rùn)滑油系統(tǒng)的運(yùn)行依賴于潤(rùn)滑油泵及頂軸油泵的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。在對(duì)這兩類油泵進(jìn)行冗余度設(shè)計(jì)時(shí)，秉承特高壓換流站關(guān)鍵設(shè)備多重化及控制回路冗余的思路，采用“一主(交流油泵)、一備(交流油泵)、一遠(yuǎn)備(直流油泵)”三重化冗余方式，保證潤(rùn)滑油系統(tǒng)高可靠性運(yùn)行。

本文通過(guò)介紹新場(chǎng)景下直流油泵的控制要求及常規(guī)控制方案，總結(jié)出常規(guī)控制方案存在的不足[8-10]；在常規(guī)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬件及控制策略的改進(jìn)，得出適用于新一代調(diào)相機(jī)的直流油泵控制方案。該方案使得運(yùn)行維護(hù)方便且可靠性高。目前，首批17臺(tái)調(diào)相機(jī)均采用此方案，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。

1 新一代調(diào)相機(jī)直流油泵控制要求

新一代調(diào)相機(jī)設(shè)計(jì)額定容量為滯相300 MV，進(jìn)相 150 MV。分雙水內(nèi)冷和純風(fēng)冷兩種機(jī)型。潤(rùn)滑油系統(tǒng)均配備“兩交一直”的潤(rùn)滑油泵和頂軸油泵。

調(diào)相機(jī)在啟動(dòng)、運(yùn)行及停機(jī)過(guò)程中，正常情況下，交流潤(rùn)滑油泵一臺(tái)工作、一臺(tái)備用，只有在兩臺(tái)交流潤(rùn)滑油泵均工作異?；驖?rùn)滑油母管壓力下降到一定值時(shí)，才需將直流潤(rùn)滑油泵作為遠(yuǎn)備啟動(dòng)。

與直流潤(rùn)滑油泵相比，直流頂軸油泵的啟動(dòng)限制因素更多。正常情況下，頂軸油泵工作時(shí)間較短，僅在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在0轉(zhuǎn)(不包括0轉(zhuǎn))至某個(gè)轉(zhuǎn)速值(該值一般小于額定轉(zhuǎn)速，本文設(shè)為mr/min之間需運(yùn)行，調(diào)相機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，頂軸油系統(tǒng)不工作。調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速在0至m時(shí)，正常情況下，兩臺(tái)交流頂軸油泵一臺(tái)工作、一臺(tái)備用。只有在兩臺(tái)交流頂軸油泵均異?；蝽斴S油母管壓力下降到一定值時(shí)，才需要啟動(dòng)直流頂軸油泵。

首批新型調(diào)相機(jī)均部署在特高壓換流站，調(diào)相機(jī)系統(tǒng)具有獨(dú)立于換流站控制系統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)，但監(jiān)盤地點(diǎn)與換流站一致，均在換流站主控室。調(diào)相機(jī)廠房距主控室較遠(yuǎn)，本著全站統(tǒng)一管理的原則，調(diào)相機(jī)系統(tǒng)應(yīng)就地?zé)o人值班。所有附屬設(shè)備均需滿足高度自動(dòng)化的遠(yuǎn)程啟/?？刂埔?，包括獨(dú)立于DCS的直流油泵就地壓力與電氣聯(lián)鎖硬件回路的遠(yuǎn)程自動(dòng)投退。

2 常規(guī)控制方案

常規(guī)控制方案如下。

①直流油泵設(shè)有緊急啟動(dòng)按鈕。該按鈕設(shè)置在集中控制室，在緊急情況下，由運(yùn)行人員依據(jù)相關(guān)規(guī)程進(jìn)行操作。

②DCS通過(guò)干接點(diǎn)信號(hào)與就地控制箱的二次控制回路接口，實(shí)現(xiàn)直流油泵的遠(yuǎn)程控制。DCS遠(yuǎn)程控制包括啟停信號(hào)；就地電控箱的反饋主要包括直流電源狀況，直流油泵遠(yuǎn)控、運(yùn)行、停止、勵(lì)磁欠流以及電流等信號(hào)。

③潤(rùn)滑油/頂軸油母管就地壓力開(kāi)關(guān)及交流油泵電氣聯(lián)鎖信號(hào)通過(guò)硬接線直接接入就地控制箱(下稱為“直流油泵就地硬聯(lián)鎖啟動(dòng)回路”)。調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)，若DCS發(fā)生故障，也能就地聯(lián)鎖啟動(dòng)直流油泵。

常規(guī)控制方案存在以下問(wèn)題。

①直流油泵緊急啟動(dòng)按鈕觸發(fā)的啟動(dòng)回路與DCS的其他控制功能存在共用板卡及機(jī)箱的可能性。當(dāng)該板卡故障或其他功能引起該板卡或該機(jī)箱故障，緊急啟動(dòng)功能有不可用的風(fēng)險(xiǎn)。

②調(diào)相機(jī)系統(tǒng)存在較多的緊急啟動(dòng)按鈕，在緊急情況下，需要運(yùn)維人員判斷選擇操作，有誤拍緊急按鈕的可能，給運(yùn)維人員造成運(yùn)維壓力。

③DCS采用單路信號(hào)采集及控制回路，單一元件故障易引發(fā)油泵的拒啟或拒停，直流油泵的動(dòng)作可靠性降低。

④在調(diào)相機(jī)正常停機(jī)時(shí)，需人為退出直流油泵就地硬聯(lián)鎖啟動(dòng)回路，否則直流油泵會(huì)誤啟。

⑤頂軸油泵存在工作的轉(zhuǎn)速區(qū)間，因調(diào)相機(jī)并網(wǎng)后頂軸油系統(tǒng)不需啟動(dòng)，若無(wú)人為就地干預(yù)，直流頂軸油泵不能正確工作。

綜上，常規(guī)方案中控制回路獨(dú)立性及冗余度不夠，就地硬聯(lián)鎖啟動(dòng)功能自動(dòng)化水平過(guò)低。

3 控制方案改進(jìn)

①緊急停機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

單元機(jī)組僅設(shè)置一個(gè)緊急按鈕，為緊急停機(jī)按鈕，不再單獨(dú)設(shè)置各直流油泵的緊急啟動(dòng)按鈕；緊急停機(jī)系統(tǒng)電氣上獨(dú)立于DCS，電源及硬件專用；緊急停機(jī)按鈕采用雙按鈕方式，緊急停機(jī)系統(tǒng)觸發(fā)后聯(lián)啟直流頂軸油泵。

②DCS遠(yuǎn)程監(jiān)控。

為避免單一元件故障導(dǎo)致關(guān)鍵時(shí)刻油泵啟?？煽啃缘停乱淮{(diào)相機(jī)采用I/O雙重化方案，即所有監(jiān)控回路完全雙重化配置，就地控制箱相關(guān)啟?？刂乒?jié)點(diǎn)也雙重化配置。

③直流潤(rùn)滑油泵。

設(shè)置在就地控制箱的就地硬聯(lián)鎖啟動(dòng)功能增加“聯(lián)鎖投入”和“聯(lián)鎖退出”信號(hào)，均為短脈沖信號(hào)；就地控制箱對(duì)該兩信號(hào)進(jìn)行自保持(雙繼電器冗余回路)，并反饋“直流潤(rùn)滑油泵就地硬聯(lián)鎖回路已投入”冗余信號(hào)。

“聯(lián)鎖投入”信號(hào)由DCS輸出，邏輯為“TSI轉(zhuǎn)速大于零或交流潤(rùn)滑油泵運(yùn)行”；“聯(lián)鎖退出”信號(hào)也由DCS輸出，為保證聯(lián)鎖切除的正確性，邏輯建議為“TSI轉(zhuǎn)速等于零”與“人工后臺(tái)遙控確認(rèn)信號(hào)”的與邏輯，進(jìn)行人工后臺(tái)遙控操作時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)查詢“TSI轉(zhuǎn)速等于零”是否滿足，否則不允許進(jìn)行后臺(tái)確認(rèn)的操作。上述信號(hào)均冗余配置。

直流潤(rùn)滑油泵控制如圖1所示。

圖1 直流潤(rùn)滑油泵控制框圖

④直流頂軸油泵。

設(shè)置在就地控制箱的就地硬聯(lián)鎖啟動(dòng)功能增加“聯(lián)鎖投入”和“聯(lián)鎖退出”信號(hào)，均為短脈沖信號(hào)；就地控制箱對(duì)該兩信號(hào)進(jìn)行自保持(雙繼電器冗余回路)，并反饋“直流頂軸油泵就地硬聯(lián)鎖回路已投入”冗余信號(hào)。

“聯(lián)鎖投入”信號(hào)由DCS輸出，邏輯建議為“TSI轉(zhuǎn)速大于零且小于m，或交流頂軸油泵運(yùn)行”；“聯(lián)鎖退出”信號(hào)也由DCS輸出，為保證聯(lián)鎖切除的正確性，邏輯建議為“TSI轉(zhuǎn)速等于零或大于m”與“人工后臺(tái)遙控確認(rèn)信號(hào)”的與邏輯，進(jìn)行人工后臺(tái)遙控操作時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)查詢“TSI轉(zhuǎn)速等于零或大于m”是否滿足，否則不允許進(jìn)行后臺(tái)確認(rèn)的操作。另外增加一個(gè)“系統(tǒng)崩潰指示”信號(hào)(如DCS雙電源故障等)，該信號(hào)直接與“聯(lián)鎖投入”信號(hào)并聯(lián)。上述信號(hào)均冗余配置。

直流頂軸油泵控制如圖2所示。

圖2 直流頂軸油泵控制框圖

⑤就地電控箱啟停直流油泵邏輯。

在直流潤(rùn)滑油泵與直流頂軸油泵就地電控箱的就地壓力和電氣聯(lián)鎖啟動(dòng)回路中增加雙重化的“聯(lián)鎖投入”與“聯(lián)鎖退出”信號(hào)，既保證聯(lián)鎖回路的自動(dòng)投入，也可滿足在正常停機(jī)過(guò)程中直流油泵的安全停機(jī)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制全覆蓋。

就地電控箱的啟停直流油泵邏輯框圖如圖3所示。

圖3 就地電控箱啟停直流油泵邏輯框圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)歸納新需求下直流油泵的控制要求，論述了一般的常規(guī)控制方案，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)緊急停機(jī)系統(tǒng)、DCS遠(yuǎn)程監(jiān)控回路可靠性、直流油泵控制回路及就地電控箱啟停直流油泵邏輯等方面進(jìn)行研究并優(yōu)化。該方案解決了常規(guī)方案中控制回路獨(dú)立性及冗余度不夠的問(wèn)題，使控制可靠性得到提升；通過(guò)觸發(fā)并自保持等方式，實(shí)現(xiàn)了就地硬聯(lián)鎖啟動(dòng)功能的自動(dòng)化。新方案總體提升了潤(rùn)滑油控制系統(tǒng)的可靠性，適用于新一代調(diào)相機(jī)系統(tǒng)。目前，首批17臺(tái)調(diào)相機(jī)均采用此方案，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。該方案還將進(jìn)一步在其他調(diào)相機(jī)工程中推廣實(shí)施。