CN109062088A - 一种低压余热余压发电机组控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低压余热余压发电机组控制系统，其包括：测量模块，用于采集涉及发电机组的模拟量、开关状态量；保护模块，用于实现速断保护、过流保护、过负荷保护、电压异常保护、频率异常保护及超速保护；控制模块，用于向各模块发送控制指令实现对发电机组运行控制；同期并网模块，用于实现发电机组自动并网；通信模块，用于实现各模块之间通信及与系统外设备建立通信，控制模块通过通信模块分别与其他模块通信连接。本系统将测量、保护、自动控制、同期并网等多个系统功能集中到一控制单元，提高了设备集成度，减少了连接线缆降低了成本，减少了子系统连接造成的故障，降低了维护成本。

Description

一种低压余热余压发电机组控制系统

技术领域

本发明涉及电力设备智能控制领域，尤其涉及一种低压余热余压发电机组控制系统。

背景技术

利用余热余压是高耗能企业节能减排的重要举措，但目前主要是大型高耗能企业应用比较多，在很多中小型企业中仍未得到充分利用，原因除了一次投资高外，在余热余压利用过程中，使用的生产方法、生产工艺、生产设备以及原料、环境条件的不同，给余热余压利用带来很多困难，随着低碳环保的理念越来越普及，余热余压利用得到国家和企业的重视，专门针对中小企业余热余压利用的低压余热余压发电机组智能控制及并网的综合保护测控装置及方法有着现实的需求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种低压余热余压发电机组控制系统，方案如下：

一种低压余热余压发电机组控制系统，其中，包括：

测量模块，用于采集涉及发电机组的模拟量、开关状态量；

保护模块，用于对发电机组进行速断保护、过流保护、反时限过流保护、过负荷保护、过电压保护、低电压保护、过频率保护、低频保护及超速保护；

控制模块，用于向各功能模块发送控制指令实现对发电机组运行控制；

同期并网模块，用于实现发电机组所在电力系统自动并网；

通信模块，用于实现控制系统内各模块之间通信以及与系统外设备建立通信，其中，所述控制模块通过通信模块分别与测量模块、保护模块及同期并网模块通信连接。

所述的低压余热余压发电机组控制系统，其中，所述测量模块的模拟量采集为全交流输入，采用16位AD转换芯片，每个波形采集48点数据，使测量精度达到0.2级。

所述的低压余热余压发电机组控制系统，其中，所述测量模块的开关状态量采集包括断路器状态、刀闸位置运行状态的接点。

所述的低压余热余压发电机组控制系统，其中，所述控制模块的控制回路中设置有对设备运行状态的检测单元，防止对设备对象的误操作或者设备状态的不对应操作。

所述的低压余热余压发电机组控制系统，其中，所述系统还包括调试模块，用于对开入开出所使用的继电器及回路在设备投运前或设备检修时进行可靠性检查。

所述的低压余热余压发电机组控制系统，其中，所述系统还包括安全模块，用于进行密码保护操作和装置自检。

所述的低压余热余压发电机组控制系统，其中，所述系统还包括电源模块，用于将外部提供的交、直流电源转换为系统工作所需电压。

所述的低压余热余压发电机组控制系统，其中，各功能模块分别对应设置于相应功能模块电路板上，并由各功能模块电路板上的CPU执行对应功能，其中，测量模块、保护模块、通信模块、同期并网模块及电源模块以智能插件形式与控制模块连接组成系统。

所述的低压余热余压发电机组控制系统，其中，所述控制模块通过主控CPU实现控制功能，对应测量模块、保护模块、通信模块、同期并网模块及电源模块的插件CPU通过CAN总线通信协议与主控CPU通信连接。

有益效果：本发明提供低压余热余压发电机组控制系统，该系统将测量，保护，自动控制，同期并网等多个系统功能集中到一个控制单元，提高了设备集合程度，不仅减少了连接线缆降低了成本，也减少了子系统连接造成的故障，降低了维护成本。减少了对现场工作人员和后期维护人员的技术依赖，实现低压市电情况下800KW机组以下的余热余压利用工程可行化。

附图说明

图1为本发明具体实施例中低压余热余压发电机组控制系统原理框图；

图2为本发明具体实施例中低压余热余压发电机组控制系统保护模块实现的速断保护原理图；

图3为本发明具体实施例中低压余热余压发电机组控制系统保护模块实现的反时限过流保护原理图；

图4为本发明具体实施例中低压余热余压发电机组控制系统保护模块实现的过负荷保护特性曲线图；

图5为本发明具体实施例中低压余热余压发电机组控制系统保护模块实现的过负荷保护原理图；

图6为本发明具体实施例中低压余热余压发电机组控制系统保护模块实现的频率异常保护原理图；

图7为本发明具体实施例中低压余热余压发电机组控制系统保护模块实现的低电压保护原理图；

图8为本发明具体实施例中低压余热余压发电机组控制系统硬件结构图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明所提供的一种低压余热余压发电机组控制系统，其中，包括：

测量模块100，用于采集涉及发电机组的模拟量、开关状态量。

模拟量采集为全交流输入，且实现多级隔离和硬件软件滤波处理保证采集可靠性。且采用16位高速高精度AD转换芯片，实现数据的实时性和高准确性：每个波形采集高达48点数据，使测量精度达到0.2级，保护0.5级。

开关状态量采集包括：断路器状态、刀闸(手车)位置及其他反映设备运行状态的接点。常规装置的开关量采集量为9点。开关量的输入为强电220VDC输入，在硬件上采用三级隔离措施，同时在硬件和软件上实现对开关量的防抖动处理，增强抗干扰功能。

保护模块200，用于对发电机组进行速断保护、过流保护、反时限过流保护、过负荷保护、过电压保护、低电压保护、过频率保护、低频保护及超速保护。如图2所示的速断保护可作为消除差动保护死区或作为发电机机端相间短路的辅助保护，保护判断三相电流中最大值大于整定值时动作。过流保护则设有单独的定值，可通过过流Ⅱ段软压板来控制该保护的投退。如图3所示，反时限过流保护设有单独的定值和时限，可通过延时方式定值选择定/反时限延时方式；可通过过流硬压板和过流Ⅲ段软压板来控制该保护的投退，还设有可投退的复压闭锁功能，该保护动作后跳变压器各侧。定/反时限选择定值YSFS整定范围0～3，若为0，则过流Ⅲ段为定时限段，若为1～3，则过流Ⅲ段分别对应三种不同的反时限段，根据国际电工委员会(IEC255-4)和英国标准规范(BS142.1996)的规定，本装置采下列三个标准反时限特性方程，分别对应延时方式的1～3。

反时限特性方程如下：

一般反时限：

非常反时限：

极端反时限：

上式中：Ip为电流基准值，取过流Ⅲ段定值Ig3，范围为0.1In～3In；

tp为时间常数，取过流Ⅲ段时间定值Tg3，范围为0.01～10s。

如图4和图5所示，过负荷保护用于发电机作为定子绕组过流和定子绕组过负荷保护，接成三相式，取其中的最大相电流判别。主要保护发电机定子绕组的过负荷或外部故障引起的定子绕组过电流，由定时限过负荷和反时限过流两部分组成。

定时限过负荷按发电机长期允许的负荷电流能可靠返回的条件整定。反时限过流按定子绕组允许的过流能力整定。发电机定子绕组承受的短时过电流倍数与允许持续时间的关系为：

式中：K——定子绕组过负荷常数

I*——定子额定电流为基准的标幺值

α——与定子绕组温升特性和温度裕度有关，一般为0.01-0.02。

过电压保护可作为过压启动、闭锁及延时元件。保护取三相线电压，当任一线电压大于整定值，保护即动作。

过频率保护和低频保护属于频率异常保护，当电力系统有功不足时，会产生低频率。低频运行会使汽轮机叶片受到疲劳损伤，这种不可逆的疲劳损伤累计到一定限度会使叶片断裂，造成严重故障。在电力系统突然甩负荷或发生多起故障时，会产生过频率。有时汽轮机调速器故障也会导致过频率。

低频保护通过两个定值f1、f2将频率范围分为两个频率段，且f1>f2。Ⅰ段f1>f≥f2时，时间为t1，Ⅱ段f<f2时时间为t2，过频保护仅设有I段，频率异常后经一延时动作于发信号或跳闸。本保护中设有线电压低闭锁判据。逻辑框图见图6。

如图7所示的低电压保护取三相线电压，当任两相线电压小于整定值，经保护延时后保护动作。

控制模块300，用于向各功能模块发送控制指令实现对发电机组运行控制。控制模块实现的控制功能包括就地控制和远方控制。在控制回路中增加对设备运行状态的检测单元，防止对设备对象的误操作或者设备状态的不对应操作。操作回路实现强弱电完全隔离。控制模块都设置有20个控制输出接点，可以根据需要实现可编程逻辑作为其他设备对象的控制。

同期并网模块400，用于实现发电机组所在电力系统自动并网。

通信模块500，用于实现控制系统内各模块之间通信以及与系统外设备建立通信，其中，所述控制模块通过通信模块分别与测量模块、保护模块及同期并网模块通信连接。通信模块可灵活选用以太网、双485通信接口或以太网+485通讯方式，可直接与微机监控或保护管理机通信,规约采用电力行业标准DL/T667-1999(IEC-60870-5-103)。使控制系统所在的控制柜可作为一台小型计算机工作站在系统中与其他装置实现数据共享。

进一步的，所述系统还包括调试模块600，用于对开入开出所使用的继电器及回路在设备投运前或设备检修时进行可靠性检查。

其中，所述系统还包括安全模块700，用于进行密码保护操作和装置自检。安全模块主要是针对控制系统运行及系统自身的安全性要求而设计。其密码保护包括：定值密码保护、开出操作密码保护、通信密码保护。控制系统进行相应的操作或修改均必须输入正确的密码才能进行。

其中，所述系统还包括电源模块800，用于将外部提供的交、直流电源转换为系统工作所需电压。

具体的，各功能模块分别对应设置于相应功能模块电路板上，并由各功能模块电路板上的CPU执行对应功能，其中，测量模块、保护模块、通信模块、同期并网模块及电源模块以智能插件形式与控制模块连接组成系统。进一步的，所述控制模块通过主控CPU实现控制功能，对应测量模块、保护模块、通信模块、同期并网模块及电源模块的插件CPU通过CAN总线通信协议与主控CPU通信连接。如图8所示的具体实施例中，整个控制系统的控制柜结构采用全铝型材标准机箱，高4U，采用整面板形式，面板上包括液晶显示器、信号指示灯、操作键盘等。控制柜采用加强型单元机箱，按抗强振动、强干扰设计；确保控制柜安装于条件恶劣的现场时仍具备高可靠性。不论组屏或分散安装均不需加设交、直流输入抗干扰模块。

本发明控制系统的各功能模块以插件形式与主控连接，控制柜中各插件主要包括：交流插件，装置包括两交流电流及电压插件，用于将系统二次侧电流、电压转换为弱电信号，经多路选择开关切换到对应模拟量，输送给CPU插件进行AD转换，并起强弱电隔离作用。

CPU插件：CPU插件由ARM型32位微处理器、32位DSP微处理器、RAM、A/D变换、FlashMemory、以太网端口、485端口、光端机(选配)及相关电路等构成。ARM型CPU为32位定点处理器，主频60MHz；DSP型CPU为32位浮点处理器，主频60MHz；A/D数据输入精度达16位。

智能插件：智能插件1主要包括8位智能单片机，开入开出驱动电路、CANBUS相关电路、跳闸出口、遥信信号、备用开入开出继电器等。

智能插件2(电源模块)：智能插件2主要包括电源模块及扩展开入开出部分。电源模块将外部提供的交、直流电源转换为控制柜工作所需电压，输出+5V、±9V和+24V。扩展开入开出部分包括8位智能单片机，CANBUS相关电路、开入遥信、开出继电器等。

本系统的安全模块实现的装置硬件自检、软件自检。由于在设计上采用插件设计，而每块插件都设计有独立的CPU，因此装置硬件自检除插件模块的检测外，升级到元件级检测(如单个的继电器的好坏)，使GTTR(维修时间)<<0.5小时；软件自检主要通过装置内部的CANBUS进行互检和看门狗电路自检。

本发明控制系统所实现的自动控制说明如下：

发电机组开机条件(装置上电、机组无故障报警、断路器分位、断路器已储能、制动无压、闸门全开)满足后开机准备灯点亮，此时接收到手动开机指令(控制柜控制开关)、遥控开机指令(后台工作站或调度端下发)或自动开机指令(余压余热发电控制阀门程序给出)时，发电机组进入开机流程，开机令状态保持，开机保持信号在收到断路器合位信号、余压余热发电控制阀门故障信号、停机信号、紧停信号或复归信号之一后复归，同时若开机令保持180S后仍未完成开机流程同样会复归开机令，并发出开机失败信号；开机令继电器开出至余压余热发电控制阀门程序，余压余热发电控制阀门程序开机；当机组转速达到95％时，检测灭磁开关在合闸位置，且机端电压未达85％额定值，自动启励控制开出；转速达到95％，电压达到85％后，自动准同期投入；同期功能自动调节机组电压值及频率值符合条件后，捕捉同期点，相差满足合闸条件时同期合闸控制开出，断路器合闸，开机流程完成。

发电机组在正常运行状态，此时接收到手动停机指令(控制柜控制开关)、遥控停机指令(后台工作站或调度端下发)或自动停机指令(水情发电控制程序给出)时，机组进入停机流程，停机令状态保持。停机令在下列四个条件之一达到时复归：1、当有制动控制时制动已退出；2、有蝶阀控制时；关阀命令发出2S后；3、无制动和蝶阀控制时转速小于5％后延时10S；4、停机令发出300S后；停机令发出后若停机自动减载投入则进入自动减载程序，减载完成或未投入减载功能时跳发电机断路器，分灭磁开关，发停机令到余压余热发电控制阀门程序，余压余热发电控制阀门程序停机；当转速下降至35％以下时投入机组制动，转速继续下降至5％以下时延时15S，制动复归，停机程序完成。

发电机组在正常运行状态，此时接收到手动紧停指令(控制柜控制开关)、遥控紧停指令(后台工作站或调度端下发)、机组140％转速信号、保护动作跳闸、温度过高信号或其他事故信号时，机组进入紧停流程，紧停令状态保持。紧停令的复归条件与停机令复归条件一致。紧停令发出后紧停开出至余压余热发电控制阀门，余压余热发电控制阀门紧停，跳发电机断路器，分灭磁开关，当转速下降至35％以下时投入机组制动，转速继续下降至5％以下时延时15S，制动复归；蝶阀控制程序投入时若紧停并伴有机组超速关闭蝶阀，紧停程序完成。

本发明提供低压余热余压发电机组控制系统，该系统将测量，保护，自动控制，同期并网等多个系统功能集中到一个控制单元，提高了设备集合程度，不仅减少了连接线缆降低了成本，也减少了子系统连接造成的故障，降低了维护成本。减少了对现场工作人员和后期维护人员的技术依赖，实现低压市电情况下800KW机组以下的余热余压利用工程可行化。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种低压余热余压发电机组控制系统，其特征在于，包括：

测量模块，用于采集涉及发电机组的模拟量、开关状态量；

保护模块，用于对发电机组进行速断保护、过流保护、反时限过流保护、过负荷保护、过电压保护、低电压保护、过频率保护、低频保护及超速保护；

控制模块，用于向各功能模块发送控制指令实现对发电机组运行控制；

同期并网模块，用于实现发电机组所在电力系统自动并网；

通信模块，用于实现控制系统内各模块之间通信以及与系统外设备建立通信，其中，所述控制模块通过通信模块分别与测量模块、保护模块及同期并网模块通信连接。

2.根据权利要求1所述的低压余热余压发电机组控制系统，其特征在于，所述测量模块的模拟量采集为全交流输入，采用16位AD转换芯片，每个波形采集48点数据，使测量精度达到0.2级。

3.根据权利要求1所述的低压余热余压发电机组控制系统，其特征在于，所述测量模块的开关状态量采集包括断路器状态、刀闸位置运行状态的接点。

4.根据权利要求1所述的低压余热余压发电机组控制系统，其特征在于，所述控制模块的控制回路中设置有对设备运行状态的检测单元，防止对设备对象的误操作或者设备状态的不对应操作。

5.根据权利要求1所述的低压余热余压发电机组控制系统，其特征在于，所述系统还包括调试模块，用于对开入开出所使用的继电器及回路在设备投运前或设备检修时进行可靠性检查。

6.根据权利要求5所述的低压余热余压发电机组控制系统，其特征在于，所述系统还包括安全模块，用于进行密码保护操作和装置自检。

7.根据权利要求6所述的低压余热余压发电机组控制系统，其特征在于，所述系统还包括电源模块，用于将外部提供的交、直流电源转换为系统工作所需电压。

8.根据权利要求7所述的低压余热余压发电机组控制系统，其特征在于，

各功能模块分别对应设置于相应功能模块电路板上，并由各功能模块电路板上的CPU执行对应功能，其中，测量模块、保护模块、通信模块、同期并网模块及电源模块以智能插件形式与控制模块连接组成系统。

9.根据权利要求8所述的低压余热余压发电机组控制系统，其特征在于，所述控制模块通过主控CPU实现控制功能，对应测量模块、保护模块、通信模块、同期并网模块及电源模块的插件CPU通过CAN总线通信协议与主控CPU通信连接。