淺談冗余控制在水輪機調速系統中的應用

盧舟鑫，常中原，鄧 勇，池成虎，劉 歡

（中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓644612）

0 引言

在電力系統中，必須根據負荷的變化不斷地調節水輪發電機組的有功功率輸出，以維持機組轉速（頻率）在規定范圍內，這就是水輪機調速器的基本任務。其中，水輪機調速器調節品質的優劣關系到水輪機調節系統的靜態和動態性能，隨著水電廠無人值班、少人值守的趨向性，水輪機調速系統的性能可靠度已經成為水輪機調速器調節品質的關鍵指標之一。

控制系統的冗余分為硬件冗余和軟件冗余。其中，硬件冗余主要由兩部分組成，其一是控制器本身的冗余，其二是傳感器和執行器的冗余。軟件冗余也由兩部分組成，其一是執行次數冗余，其二是軟邏輯冗余[1]。

本文基于冗余控制的可靠性分析，針對目前大型水輪機調速系統中的實際控制方式，通過調速系統控制器冗余、電源冗余、傳感器冗余以及執行器冗余等，討論分析了冗余控制的必要性，對于調速器可靠性研究有著十分重要的意義。

1 冗余控制可靠性研究

可靠性是安全性的一個方面，它與系統處于危險方式下的隨機故障有關。假設為單元件系統，當系統內某一元件發生故障時，是不能進行現場在線更換的，因此有必要對系統進行冗余控制。冗余系統由元件并聯構成，并聯的元件應具有完全一致的功能，只有這樣，才能確保冗余控制的有效性。

可靠性常用的指標可用單元系統可靠度R（t）、平均無故障時間MTBF來表示[2]。

單元系統可靠度R（t）和平均無故障時間MTBF表示公式為：

其中：λ為單元件失效率。

n次冗余系統的可靠性計算公式為：

表1 冗余系統可靠性指標

由表1可知，隨著冗余次數的增加，MTBF值相應增大。從單冗余系統到雙冗余系統，其平均無故障時間MTBF增幅為：

（3（/2λ）-1/λ）（/1/λ）×100%=50%

從雙冗余系統到三冗余系統，其平均無故障時間MTBF增幅為：

（11/（6λ）-3/（2λ））/3/（2λ）×100%=22%

由圖1可知，隨著冗余次數的增加，平均無故障時間MTBF增幅值明顯變小，因此我們在設計系統冗余度的同時，不能無限的增加冗余次數。假設λt=0.1，并定義工作可靠度要求不小于99.9%，由公式（3）可得n≥2.937[3]。故選擇三冗余系統就能很好的滿足系統工作可靠度的要求。

圖1 平均無故障時間增幅曲線圖

2 冗余設計在水輪機調速系統中的應用

2.1 微機冗余控制設計

目前大型水輪機調速系統均設計為冗余雙微機調節器，其中CPU、電源模塊、輸入模塊、輸出模塊、測頻單元均為雙冗余結構。微機調節器采用兩套獨立的微機控制器（A+B）實現自主調節，通過現場總線或以太網通信實現雙機數據交換和雙機無擾切換，切換前后調速器狀態及工況保持不變，且切換前后導葉位置反饋無明顯波動。

目前，冗余雙微機調節系統控制策略大體相同，均采用主、備運行方式。當主機工作故障時，自動無擾切換至備用機工作，當兩套控制系統均故障時，調速器自動切換至機手動運行模式，此時可以通過步進電機手輪純手動操作導葉位置。

雙微機調節器（A+B）分別與其相對應的液壓系統相配合，其方式基本分為2類：步進電機式無油自復中伺服系統+比例閥伺服系統組成的電液隨動系統和雙比例閥伺服系統組成的電液隨動系統。

2.2 電源冗余控制設計

為確保機組運行安全可靠，降低機組運行時非計劃停運的風險，對調速器電源冗余的設計要求較高。針對調速器電源可靠性的問題，分別對調速器電氣柜和控制柜設置了級別較高的電源冗余控制系統。

某大型水電站，調速器電氣柜提出采用1交2直交叉冗余的電源配置方式，即輸入電源為一路交流供電AC 220 V，兩路直流供電DC 220 V，輸入交直流電源220 V互為備用，開關電源交叉冗余合成控制和公共DC 24 V電源，其DC 24 V電源與外部供電電源為完全隔離，保證調速系統內部電源可靠性。雙機控制實現完全獨立供電，任何1套微機控制器出現電源故障，不影響另外1套微機控制器正常運行。調速器電氣柜1交2直交叉冗余的電源配置如圖2所示。

圖2 一交兩直交叉冗余電源配置結構圖

調速器控制柜采用1交1直交叉冗余的電源配置方式，其交直流電源220 V互為備用，開關電源交叉冗余合成雙套控制器電源和公共供電電源，其中，RIO遠程子站配置2塊可累加電源模塊，配置在機架的左右兩側，進行左右冗余配置。

2.3 傳感器冗余控制設計

導葉位置傳感器是調速器電液隨動系統執行情況的重要判據，也是調速器開度調節結果的最終反映。機組頻率測量的準確性是維持機組轉速（頻率）在規定范圍內的重要保障。故通過冗余控制實現測量環節的準確性和可靠性顯得尤為重要。

某大型水電站，目前導葉位置傳感器結構布置為“一對一”結構，即A套導葉位置傳感器采樣值上送A套控制器，B套導葉位置傳感器采樣值上送B套控制器，監控系統導葉位置傳感器單獨上送監控系統。此配置方法可以保證單套傳感器故障不影響另1套傳感器的數據采樣，2套控制系統實現完全的相互獨立。其結構圖如圖3所示。

圖3 導葉位置傳感器配置結構圖

某大型水電站，整個測頻部分有4路輸入：1路機端PT信號、1路電網PT信號、齒盤雙探頭測頻信號，輸出為兩路測值量：機頻和網率。其中機端PT信號與雙探頭測頻信號為測量機組頻率而設，它們之間相互冗余配置。機組開機時優先使用齒盤測頻，另外兩路測頻信號作為后備，同樣，機組并網時優先使用機端PT信號測頻，另外兩路測頻信號作為后備。

2.4 執行器冗余控制設計

由于國內水電站現場液壓油清潔度難以保證，因此，解決隨動系統的可靠性是關鍵問題。因液壓油清潔度的問題，可能造成調速器液壓系統電液轉換器件，如比例閥發卡、堵塞的現象發生，即有可能出現偶然性故障。為了使液壓系統運行可靠，故采用冗余的容錯控制系統，加入對液壓油清潔度要求不高的步進電機控制方式，并綜合比例閥形成雙執行器冗余控制系統，對于大型水輪機調速系統的控制是一種適宜的選擇。

對于電液轉換部件的冗余 ，以比例伺服閥+步進電機為例說明具體配置：某大型水電廠，采用德國BOSCH高性能比例閥+日本三洋五相步進電機作為電液轉換單元，冗余電－液轉換，控制調速器的自動、電手動運行方式。

在比例伺服閥自動運行工況時，比例伺服閥是輸出信號壓力油的主要元件，控制主配壓閥活塞運動輸出壓力能，來操縱接力器。在步進電機自動運行工況時，步進電機的旋轉運動轉換為機械的直線位移輸出，驅動引導閥上下運動，通過主配壓閥液壓放大輸出壓力能，來操縱接力器。

當調速器交、直流電源發生故障時，電機直線位移轉換器能保證主配壓閥自復中，維持水輪機導葉在故障前的位置，并可使用純機械手動安全停機。

3 冗余控制的建議及改進措施

3.1 微機冗余控制改進建議

目前大多數調速器控制系統均為雙冗余結構，其反饋信號與控制器為“一對一”結構。調速器正常工作時，2套控制器中1套主用，另1套備用，由于二者內部程序、參數及從外部采集的數字量、模擬量信號以及頻率信號完全一致，如果雙機采集信息不一致，則會嚴重影響機組運行的可靠性。基于上述情況，通過引入觸摸屏作為協處理器，對調速器電調部分主備雙機采集的數字量和模擬量信號進行一致性判斷，以提高數據采集和機組控制的可靠性和準確性[4]。

為了更近一步提高調速器控制系統的可靠性，可以采用交叉冗余的控制結構。通過不同控制器模塊之間狀態標志位進行邏輯異或判斷，狀態位為“1”表示該模塊工作正常，狀態位為“0”表示該模塊故障，如若出現雙機模塊狀態位不一致，則異或結果為“真”，表明該模塊故障，通過觸摸屏向操作人員報警，并進行雙套控制器隸屬模塊的重新匹配。交叉冗余控制結構可以容忍雙機隸屬的不同名模塊故障，通過交叉構成1套正常的控制器，使控制器能正常工作。交叉冗余控制結構如圖4所示。

圖4 交叉冗余控制結構示意圖

3.2 傳感器冗余控制改進的建議及實現

3.2.1 導葉位置傳感器的冗余改造

針對目前“一對一”導葉位置傳感器的結構布置，當發生傳感器連接底座滑塊脫落或者松動時，則可能造成雙機模擬量采集信息全失效的情況，此時無法判斷采集信息的真偽，進而造成機組運行可靠性大幅降低。

“三選二”控制邏輯是比較合理的選擇方式，它能克服二重系統不辯真偽的缺陷，其安全性和可靠性均保持在較高的水平。

改造后的導葉位置傳感器結構布置如下：將監控系統導葉位置傳感器信號C通過二分器引一路至調速器控制器，再經二分器送至A、B套控制器，A、B套控制器各自均設有獨立的導葉位置傳感器A和B進行信號采集。“三選二”導葉位置傳感器結構圖如圖5所示。

圖5 “三選二”導葉位置傳感器結構圖

3.2.2 測頻信號選擇的冗余改造

某大型水電站，轉速裝置原程序中，當采集到某一探頭信號超過1.9 Hz后，即進入轉速裝置開機態，此時即有轉速信號輸出。此種配置方法會造成機組停機，轉速降為零轉速后，由于傳感器本體或齒帶加工精度的原因，其產生的不穩定信號造成強制開機的異常結果。

通過對轉速裝置開/停機狀態轉換條件做“三選二”冗余選擇處理，即在機頻、齒盤1、齒盤2三路頻率信號中有兩路滿足開/停機條件，轉速裝置才會進入開/停機狀態，并且在停機狀態執行后，屏蔽頻率輸出通道，以此規避因某一路測頻出現異常導致轉速裝置異常輸出的情況。通過頻率“三選二”冗余選擇處理后，機組運行至今均未發生過因轉速跳變而造成轉速裝置異常開機的現象。傳感器冗余選擇控制邏輯流程圖如圖6所示。

圖6 傳感器冗余選擇控制邏輯流程圖

3.3 中間元件冗余控制的改造實現

中間元件，如中間繼電器、熱繼電器、定時器等在調速器控制回路中有著十分重要的功能。

基于某水電站實際改造為例，某水電站機組調速器電氣柜停機報警輸出信號和控制柜直流公用24 V電源監視為單一跳閘出口信號，該跳閘信號來源于單一繼電器接點輸出（繼電器常勵磁，常閉接點輸出），存在控制電源失電或繼電器故障導致設備誤動的風險。

此前，該水電站調速器停機報警信號跳閘出口條件為：調速器停機報警（非并網態延時5 s或并網態非機手動控制方式延時5 s）。通過改造后，增加A、B套兩路繼電器接點輸出，動作出口邏輯優化方法為：2套調速器停機報警信號均為1時，非并網態延時5 s或并網態非機手動控制方式延時5 s觸發二類機械事故停機。通過增加中間繼電器個數，采用雙元件冗余控制方法，進而避免因單一元件本體故障而導致的異常事故發生。

4 結語

隨著水電機組單機容量的逐步增大，相應的自動控制系統設計需求更加嚴格，目前絕大多數大型水電站在調速器的硬件配置上均設有冗余控制邏輯，但在控制策略上還存在著不足和急需改進的地方。本文分別對控制器冗余、電源冗余、傳感器冗余以及執行器冗余配置方法進行了詳細介紹，并通過改造建議和實例應用，對冗余控制的邏輯完善做了更進一步的闡述，希望對水電站調速器相關專業的維護人員有一定的借鑒意義。