基于趨勢(shì)分析的水輪機(jī)調(diào)速器電氣故障分析

盧舟鑫，涂 勇，常中原，雷 龍

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓 644612)

某水電站水輪機(jī)為立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為800 MW。該水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)控制核心為能事達(dá)電氣有限公司生產(chǎn)的MGC5000系列型微機(jī)調(diào)速器，并采用高性能雙微機(jī)冗余控制，比例閥+步進(jìn)電機(jī)雙調(diào)節(jié)型調(diào)速器進(jìn)行機(jī)組控制。

基于在線監(jiān)測(cè)功能的軟件有海泰HOMIS機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、SMA2000水電廠狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)、H9000狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)等[1]。該水電站的機(jī)組趨勢(shì)分析系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司開發(fā)的SMA2000水電廠狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，SMA2000系統(tǒng)采用B/S與C/S混合結(jié)構(gòu)，融合了B/S與C/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了單獨(dú)采用B/S或C/S結(jié)構(gòu)時(shí)的固有缺陷[2]。該系統(tǒng)可以完全滿足不同用戶的需求，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能存在的隱患，為檢修決策與故障分析提供技術(shù)依據(jù)，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的大量設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和追憶，可為設(shè)備檢修提供豐富的狀態(tài)信息，能夠很好地滿足水電站運(yùn)行監(jiān)視與事故分析的實(shí)際需要。

1 故障現(xiàn)象

某日，某水電廠1號(hào)機(jī)組正在進(jìn)行調(diào)速器孤網(wǎng)邏輯功能動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，在機(jī)組并網(wǎng)帶孤網(wǎng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)束后，解除強(qiáng)制輸入調(diào)速器并網(wǎng)信號(hào)時(shí)，調(diào)速器進(jìn)入空載運(yùn)行態(tài)，此時(shí)機(jī)組導(dǎo)葉出現(xiàn)異常快速關(guān)閉，機(jī)組轉(zhuǎn)速快速下降，機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁，10 kV 1 M廠用電失壓，左岸10 kV 1 M備自投未動(dòng)作等一系列異常現(xiàn)象。

2 故障分析

2.1 故障過程描述

孤網(wǎng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)前，某水電廠1號(hào)機(jī)組帶200 MW左右負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)葉開度y為26.6%，調(diào)速器手動(dòng)投入孤網(wǎng)運(yùn)行模式，此時(shí)已強(qiáng)制輸入調(diào)速器并網(wǎng)信號(hào)。

1)如圖1所示，開始進(jìn)行孤網(wǎng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)，全部斷開GIS串內(nèi)開關(guān)，1號(hào)機(jī)組甩200 MW負(fù)荷，只帶廠用電10 kV 1 M運(yùn)行，機(jī)組出力幾乎變?yōu)? MW。由于已強(qiáng)制輸入1號(hào)機(jī)組調(diào)速器并網(wǎng)信號(hào)，1號(hào)機(jī)組調(diào)速器處于負(fù)載運(yùn)行態(tài)，由圖1可以看到，負(fù)荷的突然減小導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速開始快速上升，轉(zhuǎn)速上升最大值為106.8%的額定轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速導(dǎo)致頻差值越來越大，PID模塊輸出的導(dǎo)葉給定值yPID快速減小，導(dǎo)葉開度y隨之迅速減小，輸入PID模塊的開度給定值yc保持不變，為26.449%。

調(diào)速器程序中，當(dāng)調(diào)速器處于負(fù)載孤網(wǎng)模式時(shí)，輸入PID模塊的開度給定值大于PID模塊輸出的導(dǎo)葉給定值5%的開度時(shí)，輸入PID模塊的開度給定值會(huì)以每秒1%的開度衰減速度自減。

圖1 故障前各參數(shù)概覽趨勢(shì)圖(1)

2)由圖2可知，機(jī)組甩負(fù)荷后，機(jī)組頻率和導(dǎo)葉開度值逐漸恢復(fù)穩(wěn)定，此時(shí)輸入PID模塊的開度給定值yc為22.699%，PID模塊輸出的導(dǎo)葉開度給定值yPID保持10.469%不變。

圖2 故障前各參數(shù)概覽趨勢(shì)圖(2)

根據(jù)調(diào)速器傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖3所示，穩(wěn)態(tài)時(shí)PID模塊此時(shí)的綜合輸入量為0，PID模塊輸出的微分量和比例分量為0，從而可以計(jì)算得出PID模塊輸出的積分殘量為：yI=10.469-22.699=-12.23

3)隨后，試驗(yàn)人員斷開了調(diào)速器的強(qiáng)制輸入并網(wǎng)信號(hào)，調(diào)速器隨即進(jìn)入空載狀態(tài)。此時(shí)如圖4所示。

圖3 調(diào)速器傳遞函數(shù)簡(jiǎn)圖

圖4 故障后各參數(shù)概覽趨勢(shì)圖

機(jī)組導(dǎo)葉開度迅速關(guān)閉，導(dǎo)葉開度幾乎全關(guān)。

2.2 故障原因分析

調(diào)速器完成孤網(wǎng)動(dòng)態(tài)甩負(fù)荷試驗(yàn)后，其PID模塊輸出存在積分殘量值-12.23，當(dāng)調(diào)速器進(jìn)入空載狀態(tài)時(shí)，輸入PID的開度給定值yc被重新賦值為根據(jù)當(dāng)前水頭查表計(jì)算得的空載開度值10.67%，且保持不變。由于PID模塊輸出的比例、積分、微分分量不會(huì)突變，因此進(jìn)入空載狀態(tài)的瞬時(shí)時(shí)刻，PID模塊輸出的導(dǎo)葉開度給定值為yPID=10.67-12.23<0，由于yPID值不能小于0，所以yPID值置為0，并作用于液壓隨動(dòng)系統(tǒng)，導(dǎo)致機(jī)組導(dǎo)葉開度迅速關(guān)閉，導(dǎo)葉開度幾乎全關(guān)[3-4]。

3 故障處理

目前該水電站調(diào)速器進(jìn)行開度模式、功率模式和孤網(wǎng)模式相互切換時(shí)，以及空載態(tài)和負(fù)載態(tài)相互切換時(shí)，PID模塊的積分環(huán)節(jié)均未清零。一般情況下，進(jìn)行模式切換時(shí)，PID模塊輸出的積分分量都不是很大，但在某些特殊情況下，調(diào)節(jié)目標(biāo)的靜差會(huì)長(zhǎng)期存在時(shí)，PID模塊輸出的積分分量就會(huì)很大，這個(gè)時(shí)候進(jìn)行模式切換時(shí)，PID模塊輸出的導(dǎo)葉開度給定值就會(huì)有較大擾動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致負(fù)荷劇烈波動(dòng)。

基于上述情況，對(duì)調(diào)速器程序邏輯進(jìn)行優(yōu)化，即進(jìn)行模式切換時(shí)，將輸入PID的開度給定值賦值為當(dāng)前導(dǎo)葉開度值，同時(shí)清除PID積分殘量，減小模式切換的擾動(dòng)。

4 結(jié) 語

在上述故障分析過程中，主要用到的監(jiān)測(cè)信號(hào)包括：導(dǎo)葉開度值、導(dǎo)葉開度給定值、PID模塊輸出導(dǎo)葉開度值、機(jī)組功率等。通過趨勢(shì)分析軟件，對(duì)各環(huán)節(jié)參數(shù)值進(jìn)行分析比較，對(duì)故障原因進(jìn)行快速定位，并在故障發(fā)生數(shù)天后，設(shè)備維護(hù)人員仍能夠通過趨勢(shì)分析系統(tǒng)對(duì)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的大量設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和追憶，確保故障處理的有效性和準(zhǔn)確性對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)重要作用與實(shí)際意義。