（江苏华电戚墅堰发电有限公司 江苏省常州市 213011）
摘要：介绍了大型燃气机组在拖动过程中燃机启动控制、LCI接口和励磁接口回路的几种实现方式和工作逻辑，结合现场工程实践，对燃机拖动过程中燃机启动控制和励磁系统接口回路工作逻辑进行了一定分析和探讨，研究了几种启动控制和励磁接口回路工程实践应用方案的特点，对大型燃机启动设备国产化设计思路和燃机调试检修维护及设备改造、提高燃气发电机组启动可靠性，有一定借鉴意义。
关键词：启动过程；启动控制；LCI接口；励磁接口；工作逻辑；分析探讨；设计思路；可靠性
0.引言
现代燃气机组启动系统是一个高度自动化的系统，涉及燃机控制系统、静态启动装置LCI或SFC系统、励磁系统和同步发电机系统，其中就该启动系统的控制调节方面而言，要求燃机控制系统、静态启动装置和励磁系统这三方面既独立又协同地工作，才能完成燃气机组快速高效稳定的启动并网全过程。近年来随着大型燃气机组设备国产化进程，燃气机组启动系统涉及的燃机控制系统、静态启动装置和励磁系统的配置情况是进口和国产设备并存，这直接带来各子系统间接口回路的较大区别，因此对一个要求高度自动化的燃机启动系统而言，寻求合理可靠的能使燃机控制、静态启动装置和励磁系统三者协同高效工作的子系统间接口逻辑回路的配置设计就成为关键的措施和手段。结合工程应用实践，研究分析了几类不同机型燃机启动系统在不同配置下的燃机控制系统、静态启动装置和励磁系统三者接口逻辑回路的工程应用特点，对大型燃机启动设备国产化设计思路和燃机调试检修维护及设备改造、提高燃气机组启动系统工作的快速高效和稳定可靠性有一定借鉴意义。
1 基于网络连接实现的燃机启动控制和励磁接口信号的应用分析
1.1 概述：以GE公司应用为例，该公司F级燃机励磁装置和静态启动LCI装置均通过同一数据高速（UDH）网与燃机控制MarkⅥ系统相连接。启动过程中，燃机控制系统按启动程序提供各顺控指令和转速给定量和燃料量给LCI和励磁装置，LCI装置提供给励磁装置给定励磁电压以使后者供出转子电流以激起电机转子磁场，LCI装置同时供出定子电流以激起电机定子磁场，三者协调使电机转子按预定的速率升速完成清吹、暖机及升速到设定转速（如2200转/min）时即退出LCI和励磁装置，再由MarkⅥ系统继续控制燃料量将机组升速至3000转/min即完成启动全过程。因启动控制逻缉比较复杂，下面就三方在启动过程中的各系统接口逻辑信号流程和协调作初步应用分析和描述。
1.2 燃机MarkⅥ控制、静态启动LCI和EX2100励磁装置三者间接口逻辑信号分析
为简化，以下分析以#1燃机控制（G1）启动#1LCI（L1）装置和#1燃机励磁（E1）为例
图1
1.2.1接口逻辑信号：
(1)#1燃机控制G1＝＞#1LCI（L1）间界面接口信号：启动母线选择信号L43ENABLE， L1的启动连接信号G1\lss_pwr，选择被拖动机组号G1\LSS_SELECT，激活L1运行指令信号G1\L4SSRUN，扭距指令信号G1\L4SSTORQ，清吹参考转速信号G1\SS_REF_OUT；
(2)#1LCI（L1）＝＞#1燃机控制G1信号：L1拖G1被选中信号L1\G1\L2SS_SEL，L1起动就绪信号L1\LSS_RS，L1拖动G1的机组号L1\LSS_SERV，L1电源已连接好信号L1\LSS_CONNECT；
(3)#1燃机控制G1＝＞#1燃机励磁（E1）信号：设置E1为静态起动模式信号G1\L4EXSS，启动E1指令信号G1\L4EX_STR_CMD， 选择LCI号码G1\LSS_SELECT，停止E1命令G1\L4_EX_STP_CMD；
(4)#1燃机励磁（E1）＝＞#1燃机控制G1信号：励磁E1已准备好信号E1\G1\EX_RS，E1静态起动模式反馈信号E1\G1\SS_MODE_ FB，E1已运行反馈信号E1\G1\START_FB；
(5)#1LCI（L1）与#1燃机励磁（E1）间界面接口信号有：L1＝＞E1的励磁给定量信号L1\EX_REF_OUT，（E1＝＞L1的励磁电流Fr_Fbk信号）。注： LS2100静态启动器控制产生的0-10V 直流参考电压LX\EX_REF_OUT信号给EX2100 励磁调节器，并接受励磁反馈Fr_Fbk信号。励磁EX2100一般静态起动输入给定可以是0-10V输入，4-20mA输入，或者是EGD page输入。
（6）燃机MarkⅥ控制与89ND地刀及89SS闸刀间界面接口信号：
89ND分闸指令信号G1\L89NDXO， 89ND闸刀状态分闸反馈信号为L89NDO。
89SS合闸指令信号G1\L89SSXC，89SS闸刀状态合闸反馈信号为L89SSC。
89SS分闸指令信号G1\L89SSXO，89SS闸刀状态分闸反馈信号为L89SSO。
89ND合闸指令信号G1\L89NDXC， 89ND闸刀状态的合闸反馈信号为L89NDC。
1.2.2燃机启动时接口逻辑回路信号流程简析
1.2.2.1启动的条件
机组起动条件已满足，励磁变已充电，包括隔离变6KV侧开关52SS等涉及启动范围设备已处于热备用和无报警及就绪状态，G1、L1、E1系统之间通讯正常。
1.2.2.2燃机启动时接口逻辑回路信号流程
（1）运行选择L1起动G1，按下L1 SERVE BUS A服务母线A按钮，信号L43ENABLE通过网络送至L1，L1收此信号后发送L1\G1\L2SS_SEL给G1，说明G1选择L1作为启动设备，G1则通过网络读取L1起动就绪信号L1\LSS_RS、运行参数信号值及报警信号。
（2）励磁装置切换到静态启动模式：励磁无跳闸和告警信号、41DC已断开就发励磁已准备好启动信号E1\G1\EX_RS信号给G1，然后G1即触发励磁启动允许信号G1\L3EX_RS=1，同时，G1收到L1\G1\L2SS_SEL=1和L1\LSS_RS=1后即触发L1启动允许信号G1\l3ss_rs=1；
当燃机其它启动条件满足且G1\L3EX_RS、G1\l3ss_rs都为”1”后，G1发设置E1为静态起动模式信号G1\L4EXSS至E1，E1发静态起动模式反馈信号E1\G1\SS_MODE_FB至G1，该信号在G1中被转换为G1\LSS_ACTV信号，说明E1已处于静态起动模式。
（3）启动电源回路连接：集控室HMI启动画面中的模式选项内点击AUTO或CRANK，在主控选项内点击START，G1主保护信号L4会置“1”，通过图1的逻辑使G1\L1EX_SS置“1”， 最终将G1\L4EX_STR_CMD信号置1并从网络发给E1并通过E1合上直流接触器41DC。E1将信号E1\G1\START_FB由网络反馈至G1，G1收信后置G1\EX2K_RUNNING信号值为“1”，表明EX2100已运行，同时还将G1中的静态起动控制器的起动允许指令G1\L4SS置“1”，该信号将激活G1\L83SS_CON信号，进而激活G1中的起动连接顺序，逻辑见图2。
图2
连接顺序首先合上52SS，当G1\L83SS_CON为“1”后，按图3逻辑使G1\lss_pwr置“1”并由网路送至L1，不仅作为52SS的合闸指令，且在L1中产生两个信号：L1\LSS_SERV和XOVR\TCP_LSS_PWR。L1\LSS_SERV（L1拖动机组号，小于8的整数）由网络送至G1，此信号在G1中转换为G1\LSS_SELECT信号，有 0、1、2三个值，再由网络送至L1并在L1中转换为XOVR\LSS_L1G1_OK信号，让L1确认了起动G1；在L1中XOVR\LSS_L1G1_OK信号加上已有的XOVR\TCP_LSS_PWR信号用来激活L1\SBCLS信号并作为L1 VERSAMAX PLC的输出去合52SS开关。52SS开关状态信号作为DDTB板输入量返回LS。反馈信号L1\DSPC\MODACT\L52SSC从DSPC卡送至UCVE，并产生L1\MODBUS\INOUT\L1MDCC信号，作为LS2100 VERSAMAX PLC的输出去合闸刀89MD-1。，如果是L1拖动G2，还将合上89TS联络开关，89MD-1闸刀状态反馈信号VM1I\L33MDCF返回LS2，激活L1\LSS_CONNECT连接信号并由网路送至G1转换为G1\lss_connect,表示L1电源已合上。G1\lss_connect信号按图4逻辑在G1中激活G1\L69SS_CON信号，此信号作为起动连接顺序的下一步操作允许指令并在G1中激活G1\L89NDXO信号，发出89ND分闸指令， 89ND闸刀状态反馈信号为L89NDO；一旦89ND闸刀拉开，即激活G1\L89SSXC信号，发出89SS闸刀的合闸指令，89SS闸刀状态反馈信号为L89SSC。当52SS开关合上、89ND闸刀拉开且89SS闸刀合上中，就激活G1中G1\LSS_CONNECT信号，说明G1中的静态启动器起动连接顺序已完成。
图3
图4
（4）机组启动清吹和升速：G1中发出静态启动器清吹参考转速信号G1\L83SS_PURGE，此信号激活并发送L1运行指令信号G1\L4SSRUN，扭距指令信号G1\L4SSTORQ和清吹参考转速信号G1\SS_REF_OUT至L1，L1由网路收信后作为VERSAMAX PLC的输入；一旦L1收到G1发出的运行指令信号，则即由网路发信号L1\EX_REF_OUT至E1，E1将此信号值作为静态起动模式下的励磁参考值，在起动过程中此值为励磁电压初始值输出，在L1中此值约设置在6～6.5V，对应E1产生85～90V发电机励磁电压；按图5 之E1内部逻辑，因E1之前已收到G1发出的G1\LSS_SELECT信号，此信号在E1内部就选择性地允许L1发出的励磁参考值信号L1\EX_REF_OUT送至E1内部的手动调节器环节，励磁电压将在此参考值上立即增加，且励磁电流在电磁感应作用下随时间升高。L1等待励磁电流升高数秒后，即发L1\DSPC\TDSPSQ\RUNX运行指令和L1\DSPC\TDSPSQ\RUN1扭距指令信号，并从L1的UCVE卡传输至DSPC卡。为满足机组起动要求，L1将尽量增大电压和频率输出。当机组升速至清吹转速，即前面收到从G1发出的G1\SS_REF_OUT信号，在L1中转换为L1\DSPC\SRREF信号送至DSPC卡。
图5
清吹11分钟后结束，扭距指令信号G1\L4SSTORQ回零，L1停止输出，机组转速开始下降至400转时，扭距指令信号G1\L4SSTORQ恢复，G1发点火转速参考值G1\SS_REF_OUT=14.5%至L1，机组转速到14.5%点火，点着后暖机1分钟；暖机时间到后G1发转速参考值G1\SS_REF_OUT=100%至L1，机组开始升速；G1转速设定值100.3%，机组转速到85.5%时，G1执行L1退出逻辑，L1停止，52SS分闸，89SS分闸，89ND合闸。G1\L4EXSS回零，E1退出静态起动模式，G1由网络发停止E1指令G1\L4EX_STP_CMD到E1，E1停止，41DC分闸；机组升速到98%时，G1由网络发G1\L4EX_STR_CMD指令到E1，励磁再次启动，机组将继续升速到全速空载，至此完成启动全过程。
1.3 基于网络连接实现的燃机启动控制和励磁接口信号应用特点和要求
首先，利用网络控制的特点是信息传输量很大，这直接决定了燃机启动控制和励磁接口信号数量可以配置更多；同时又基于各分系统各自强大的软件运算，使得每个接口逻辑信号可以被相关分系统按控制逻辑多次运算和分析，以形成确定可靠的控制信号，提高执行的正确性和可靠性。这种启动控制和励磁接口信号的实现方式要求网络通讯的高可靠性和软件计算的功能要十分强大和完善，GE公司做到了这些要求。这种实现方式唯一的缺点是一旦各分系统卡件有故障，即使已通过强大的报警信息系统能确定故障卡件的情况下，因为涉及软件通讯和接口逻辑信号的定义等原因，维护人员也必须整块更换这些故障卡件为原厂的同型卡件，因此维护成本很高。同时，在这种启动接口逻辑配置基于网络控制方式的情况下，要寻求实现励磁系统的国产化改造更换时，由于MarkⅥ系统目前还不能实现国产化，所以MarkⅥ系统对励磁系统的通讯方式就决定了励磁国产化改造所能实现的接口逻辑交互控制的通讯方式。当前，Modbus/TCP协议应用前景较好，如要实现励磁系统国产化改造，可以考虑对MarkⅥ系统和励磁系统接口信号逻辑用Modbus/TCP通讯系统和硬接线控制相结合的方案来实现。这种方案要求减少MarkⅥ系统接口逻辑信号数量，只对关键接口信号逻辑实现硬接线控制方式，以提高改造后整套设备启动和运行的可靠性。
2.基于分系统间硬接线实现的燃机启动控制和励磁接口信号的应用分析
2.1 概述：目前国内有西门子公司和东方电机公司等产品应用这种硬接线方式实现燃机控制系统、励磁系统和静态启动SFC系统之间的启动接口信号的传输工作。燃机启动主要过程和上面应用类似，这里不作赘述。下面以东方电机公司应用为例就这种硬接线实现方式下各系统接口逻辑信号流程特点作探讨和分析。
2.2 启动流程就地关键设备切换逻辑盘的启动逻辑接口信号配置要求和作用：
切换逻辑盘配置在启动小室内的恰当位置，要求与其硬接线操控的对象间保持合适距离。作为启动流程就地关键设备，切换逻辑盘要求与燃机控制TCS系统、励磁系统和静态启动SFC系统之间均配置有硬接线启动逻辑接口，该盘PLC装置内已预先设定有启动逻辑程序，一旦收到机组TCS启动指令后，即按照内部启动逻辑程序对相应的断路器或隔离开关进行操作和控制各装置的投入或切除，使SFC达到起动燃气机组的目的。
2.3 燃机启动时接口逻辑回路信号流程简析
2.3.1 选择启动机组与SFC的接口信号（以SFC1启动燃机GT1为例）
TCS系统向切换逻辑盘发出“SELECTED SFC1 FOR GT1” 接口信号指令，切换逻辑盘收此接口信号后，即检测TCS系统所选SFC1和GT1 当前的状态，以判断所选机组和启动设备能否满足起动要求，并将结果“SFC1 FOR GT1”反馈至TCS系统。
2.3.2 启动电源设备连接操作的接口信号流程
当TCS系统所选SFC1和GT1满足起动要求后，切换逻辑盘按照被选启动设备及机组的启动要求进行启动电源回路和设备的转换操作并检测其状态，以满足启动电源设备连接形式应完全满足所选SFC1和GT1起动要求；如果指令发出一定时间后设备状态与要求反馈状态不一致，切换逻辑盘即向TCS系统发出 “SFC1 CIRCUIT FAULT” 故障信号。
以SFC1―GT1启动电源设备连接的启动切换操作流程为例见图6所示：
(1) 向发电机中性点DS-NGT1接地刀发分闸指令，向ESC-1（励磁起动盘）的MDS5-1（自并励电源隔离开关）发分闸指令，向GSS-1（起动开关盘）的DS-1（起动隔离开关）发合闸指令。
(2) 向ESC-1的MDS4-1（励磁起动用电源隔离开关）发合闸指令，当MDS5-1处于断开位置时，MDS4-1开始合闸操作； 当DS-1处于合闸位置时，向GMCB（发电机出口断路器）的DS-IPB-1（主回路隔离开关）发合闸指令，DS-IPB-1开始合闸操作。
（3) 当DS-1、DS-IPB-1处于闭合位置时，向MVSG的CB-SFC-1发合闸指令，CB-SFC-1开始合闸操作；当MDS4-1处于合闸位置、MDS5-1处断开位置时，向MVSG的CB-L1发合闸指令，CB-L1开始合闸操作。当上述开关均处于满足所选启动模式下的正确的启动位置时，向谐波滤波器柜的隔离开关DS-HAM-1发合闸指令，谐波滤波器处投入状态。
（4) 所有开关状态正确且SFC1无异常，则切换逻辑盘向TCS1系统发出SFC已准备启动的接口信号“SFC READY TO START”。
（5) 切换逻辑盘收到TCS1“GT START RQ.”接口信号指令后，向励磁设备EXC-1发灭磁开关FCB-1合闸指令。FCB-1合闸后，切换逻辑盘向SFC1发出启动请求 “SFC START RQ.”信号。
图6
（6）SFC1收到“SFC START RQ.”接口逻辑信号后的运行期间，切换逻辑盘的任务是将来自TCS的接口逻辑指令传送给对应的SFC1，并将对应SFC1的要求信息反馈给相应的设备，且始终监测相应断路器和隔离开关的状态，一旦出现异常，则向对应的SFC发出事故停机指令。
以SFC1―GT1启动电源设备为例的停用SFC1的切换操作流程见图7所示：
一般SFC存在三种停机模式：机组达到SFC退出运行的转速； 盘车过程完成；SFC跳闸 。
起动结束，相应设备都应回到初始状态。
（1) 切换逻辑盘收到TCS1的“SFC STOP RQ.”指令，即向SFC1转发“SFC STOP RQ.”接口信号。SFC1起动过程结束后，切换逻辑盘向EXC-1的灭磁开关FCB-1发分闸指令。
（2) FCB-1断开，切换逻辑盘即向MVSG的CB-SFC-1发出分闸指令，CB-SFC-1开始分闸操作。向MVSG的CB-L1发出分闸指令，CB-L1开始分闸操作。
（3) 当FCB-1、CB-SFC-1处分闸位置，向GMCB的DS-IPB-1发出分闸指令，DS-IPB-1开始分闸操作。向NGT的DS-NGT1发出合闸指令，DS-NGT1开始合闸操作。
（4) 当FCB-1、CB-SFC-1 、DS-IPB-1均处断开位置时，向GSS-1的DS-1发出分闸指令，DS-1开始分闸操作。
（5) 当FCB-1、CB-L1处于断开位置时，向ESC-1的MDS4-1发分闸指令， MDS4-1开始分闸操作。当MDS4-1处于断开位置时，向ESC-1的MDS5-1发合闸指令， MDS5-1开始合闸操作。
图7
2.4 基于硬接线连接实现的燃机启动控制和励磁接口信号应用特点和配置要求分析
2.4.1 2+2配置交叉启动方案SFC供给励磁的给定值接口模拟量信号的切换方案
国内大型燃机大多是两台机组配置两套静态启动设备，且能以交叉启动方式来实现燃机启动，这显然能充分发挥启动设备可利用性并提高机组启动可靠性，但为此带来硬接线实现交叉启动方式下的SFC供给励磁模拟量给定值接口信号的切换问题，利用配置逻辑切换盘的配置优势，构成机组2+2配置交叉启动方案SFC供给励磁的励磁给定值接口信号的切换方案见图8所示。
图8
2.4.2 硬接线方式实现燃机启动控制和励磁接口逻辑信号方案一应用分析
按上述GE公司燃机启动系统的接口应用分析，利用网络连接方式实现的接口逻辑信号的数量众多，这是因为网络传输可以做到信息量很大的优势，但利用硬接线方式实现时不可能配置如此众多数量的信号接口，否则不仅不经济，更重要的是降低了硬接线实现方式的可靠性和维护的复杂性，要解决这些问题，按目前国内的应用的一种解决方案是考虑增加一套切换逻辑柜，考虑到该切换逻辑柜的信息输入输出量较多，可以用PLC装置实现信号的运算和传输。例如按两台机组配置两套静态启动装置实现2+2交叉启动模式的方案为例，该切换逻辑盘可以设计成为2台静止变频器（SFC）实现交叉起动2台燃气机组的逻辑切换控制盘。基于该方案将PLC装置作为核心控制设备，故要求该切换盘必须采用高可靠性的可编程序控制器（PLC）和高质量的输入输出接口继电器，才能可靠地完成燃机按顺控起动时对外部设备的正确信息采集、逻辑运算和设备操作，真正实现智能化程序控制取代传统继电器逻辑控制，而且减少了大量的维护保养工作。目前这种方案在东方电机公司提供的成套产品上得到了较好的体现，但切换逻辑盘的采用还是相对增加了燃机成套启动系统设备的回路复杂性和切换逻辑盘稳定运行的风险性，这为进一步优化燃机启动控制和励磁接口逻辑信号方案提供了可能。
2.4.2 硬接线方式实现燃机启动控制和励磁接口逻辑信号方案二应用分析
这种方案是利用燃机控制系统、励磁系统和静态启动SFC各分系统自身的集成化优势，按照一定的分工原则，首先将三者之间的接口逻辑信号尽可能地集成在各自分系统内，然后将必要和关键的接口信号再进行硬接线信号传输。这种配置方式对设备有两点要求：一是各分系统设备质量要十分过硬；二是各分系统硬件I/O接口按分工原则要提供足够的信号采样点，以满足各分系统对接口信号逻辑进行内部运算的前提条件。这种“集成&简化”设计原则在国内应用的西门子公司和阿尔斯通公司提供的成套产品上得到了较好的体现。考虑到GE公司燃机启动系统采用全网络通讯接口逻辑条件下要进行励磁设备国产化改造的可能性要求，这种接口逻辑信号的“集成&简化”设计原则也为对MarkⅥ系统和励磁系统接口信号逻辑采用Modbus/TCP通信系统和硬接线控制相结合的励磁国产化改造工作提供了一个现实可行的解决思路和指导方法。
4.结语
现代调峰机组快速启动并网的性能要求决定了燃气机组启动系统的稳定性和快速性对调峰机组调峰能力评估的重要性，而这就要求现代燃气机组启动系统所涉及的燃机控制系统、静态启动系统、励磁系统三方应是能实现交互式控制模式的高度自动化系统，对交互式控制接口逻辑信号的实现方式、配置和流程设计以及各分系统设备硬件性能，决定了该系统运行的稳定可靠性和系统维护成本的经济性。利用燃机控制、励磁和静态启动三方分系统自身的集成化优势，按照一定的分工原则，将三者之间的接口逻辑信号尽可能地集成在各自分系统内，然后将必要和关键的接口信号再进行硬接线信号传输，这种既基于“集成&简化”的原则，又结合通信加硬接线传输关键接口逻辑信号的设计或改造方法工作，对目前国内大型燃机机组启动系统和励磁接口逻辑信号的设计和设备改造具有一定借鉴意义。
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作者简介
潘益民（1970-），男，江苏常州，本科，工程师,大型燃机电厂电气二次设备维护，近年主要从事燃气机组电气设备检修、改造调试、技术管理工作。
论文作者:潘益民
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/31
标签：信号论文; 逻辑论文; 励磁论文; 接口论文; 指令论文; 系统论文; 机组论文; 《电力设备》2017年第24期论文;