冗余測量技術在巨型水輪機調速器中的應用

嚴玉明，郝 輝，鄧友漢

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌443133）

水輪機調速器的調節性能直接影響到電能品質與水電站的安全可靠運行。導葉開度信號作為調速器閉環調節的一部分，若在機組正常運行情況下，出現開度采樣問題，可能會觸發嚴重故障報警，導致開度閉環退出，調速器控制方式發生改變，在極端情況下，存在導葉開度調節失控的風險，威脅機組安全。因此，必須設計科學合理的測量結構與故障容錯機制，保證導葉開度測量的可靠、穩定。通過研究行業內普遍采取的開度測量方式發現，合理地選擇一定數量的傳感器組成并聯冗余系統，可以提高測量環節的可靠程度，也可以通過故障決策邏輯，實現故障的判斷和定位，從而獲得正確的采集信號。在充分研究設備運行狀態的前提下，結合電站生產實際，某巨型水輪發電機組調速器進行了國產化改造。設備改造之后，調速器控制結構發生了變化，冗余測量技術在導葉開度信號測量系統中也得到了實際應用。

1 冗余測量系統

水電站發電量受上游來水以及電網需求影響。夏季雨水較多，河流水位上漲，水量增大，在滿足防洪調度的前提下，水電站需要最大程度地利用水資源進行發電，所有的發電機組在汛期基本處于滿負荷運行狀態。

在水力發電過程中，水輪機調速器通過調節活動導葉開度，控制過水流量，從而起到調節出力的作用。電站滿發期間，正常運行的機組如果出現調速器導葉開度測量環節故障，可能會導致機組非正常停運，造成巨大的經濟損失。因此，必須選取質量可靠的傳感器，作為導葉開度信號采集設備，以合理的數量，組成并聯冗余測量系統，通過邏輯優化，使采集到的開度信號可以滿足機組穩定運行需求。

調速器作為水輪發電機組的核心設備，出現故障時，出于安全考慮，一般不允許帶負荷處理，需要將機組停機后選擇合理方式對故障進行排查。尤其在汛期機組滿發時，調速器使用的傳感器無故障率必須滿足安全生產要求。根據數理統計原理，設定在一定的時間段內，不考慮設備老化因素，單個傳感器壽命服從平均無故障時間為T的負指數分布[1]。傳感器失效率λ=1/T，其可靠度為：

在由k個等效傳感器組成的冗余系統中，系統可靠度為：

通過式（2），可以繪制出冗余測量系統的可靠度、并聯對象個數、時間三者之間的關系曲線圖（圖 1）。

圖1 冗余測量系統可靠度特性曲線

由圖1可知，在t/T＜0.5的條件下，短期內通過增加傳感器的安裝數量，可以達到增加系統可靠性的目的。傳感器數量越少，系統可靠性越低，傳感器越多，系統可靠性越高。在傳感器增加至一定數量后，隨著傳感器增多，系統可靠性增加比較緩慢。因此，在確保系統穩定性達到預期要求的前提下，合理地選取傳感器的安裝數量，既可以減少程序中邏輯運算的復雜度，又可以降低設備生產成本。

設定某巨型水輪發電機組現場使用的調速器單個導葉開度傳感器工作可靠度不低于99.9%，傳感器更換時間除以平均無故障時間等于0.1，則由式（2）可得。

由式（3）計算得出k≥2.94，即在設定的條件下，當安裝數量為3時，開度信號冗余測量系統可靠度即可滿足現場要求。

2 某巨型水輪發電機組調速器電氣設備改造

2.1 設備改造前

某巨型水輪發電機組調速器運行年限已超10年，在改造前，采用的是國外進口設備，單臺機組安裝有3套控制器用于控制，同時配備有3個導葉開度傳感器用于開度信號測量（圖2）。

圖2 某巨型水輪機調速器電氣設備改造前結構圖

正常情況下控制器A主用運行，當A大故障時，切換至B運行，若A、B兩套控制器均大故障情況下，切換至控制器C運行，同時比例閥1切換至比例閥2工作。導葉開度信號反饋采用一對一的測量方式，結構相對比較單一，粗放，當單個導葉開度信號產生故障時，控制器會做出反應，主用控制器退出閉環調節，切換至備用控制器運行，機組穩定運行會受到一定影響。因此，對調速器整體而言，開度測量環節的可靠性需要得到進一步提升。

2.2 現場情況介紹

通過對冗余測量系統可靠性研究以及調速器改造之前設備的實際情況進行分析，計劃在調速器改造期間，增加一定數量的導葉開度傳感器，形成冗余測量系統。但由于安裝環境的影響，現場不具備增加傳感器數量的條件，因此需要在不增加傳感器數量的情況下，通過對原有的開度傳感器采集信號進行優化，從而組成冗余測量系統。

2.3 冗余測量技術的應用

根據電站現場實際情況與冗余系統可靠性研究結果，通過分析控制器的配置結構，優化導葉開度測量方式，可以解決在無法增加傳感器數量的情況下，如何實現單套控制器可采集到三路開度信號，并組成冗余測量系統的問題。為此，提出如圖3所示的結構。

圖3 某巨型水輪機調速器電氣設備改造后結構圖

調速器改造后，3套控制器變為2套控制器，導葉傳感器的安裝方式與數量未發生變化。對于新的調速器而言，在未增加傳感器安裝數量的情況下，合理分配三路開度信號，可以實現開度信號的冗余測量。以控制器A為例：第一路開度信號為其原有測量信號，測量模塊采集的開度信號一分為二，選取其中一路作為控制器A的第二路開度信號，第三路開度信號由控制器B將其開度信號通信至A控制器。依據冗余并聯系統可靠性的研究結果，在保持現有3個開度傳感器數量不變的情況下，可以滿足目前生產現場的實際需求。

3 冗余邏輯選擇

在完成傳感器安裝與調試后，確保單套控制器三路導葉開度信號輸入正常，通過編寫程序功能塊，可以完成三路導葉開度測量信號的邏輯運算。對于單套控制器而言，設定第一路開度信號測量值為a，第二路開度信號測量值為b，第三路開度信號測量值為c，得出兩路傳感器之間差值為：

為了防止傳感器跳變對采樣產生影響，在控制器程序中設置了一個重要的參數：傳感器偏差閾值n。通過分析現場實際情況，開度信號冗余測量系統邏輯判斷主要有以下幾類：

（1）三路開度信號均正常（圖4）

圖4 三路開度信號均正常

三路傳感器均正常的情況下，控制器選取其中偏差值最小的兩路信號，經過平均計算之后，將結果作為控制所用的開度信號。

（2）一路開度信號故障（圖5）

圖5 單路信號故障

當出現一路導葉開度傳感器采樣故障的情況下，以第一路信號故障為例，程序檢測到開度信號通道故障后，觸發小故障報警，主用控制器將故障信號屏蔽，選取無故障的兩路信號判斷其差值在是否正常范圍，若差值小于閾值，則取其二者平均值作為開度信號，若差值大于閾值，則控制器報開度信號大故障，本機切至純手動，調速器控制器切至備用機自動運行。

（3）主用控制器三路開度信號中兩路偏差同時超過閾值（圖6）

圖6 兩路信號偏差均超過閾值

在主用控制器三路開度信號中，出現兩個偏差同時超過閾值時，控制器輸出大故障，主用控制器切為純手動方式，權限切至備用控制器自動運行。

（4）主用控制器三路開度信號中有兩路或者大于兩路的采集信號通道故障（圖7）

圖7 兩路或兩路以上信號故障

假設主用控制器采集的三路開度信號中有兩路或者大于兩路的采集信號通道故障，則將大故障輸出，主用控制器切為純手動方式，控制權限切至備用控制器自動運行。

4 改進建議

冗余測量技術已在某巨型水輪機調速器投入使用，但受限于現場環境的影響，無法實現單套控制器接收3個獨立的開度采集信號。目前使用的三路信號的可靠度實際上并不一致，因此針對現有的問題提出以下幾點改進建議：

1）增強控制器之間的通信能力，提高通信信號的可靠性；

2）采用高可靠性的信號采集模塊，設計可靠的供電與信號回路，確保輸入與輸出信號穩定；

3）完善開度冗余測量系統故障保護功能，加強對各類故障的分析與判斷，避免出現故障誤判的情況。

5 冗余測量技術投運后情況

某巨型水輪發電機組調速器冗余測量技術在改造后得到了實際應用?，F場調試期間，試驗人員分別進行了調速器空載、負載狀態下的開度反饋信號故障模擬試驗。在負載情況下，斷開單路導葉開度信號，控制器報小故障，不觸發切換操作，導葉開度無變化，機組出力未產生波動（圖8），試驗結果表明，在采用了冗余測量技術后，調速器的運行穩定性得到了有效提高。

圖8 冗余測量技術實際運行情況

6 結語

水輪機調速器的穩定運行對電站以及電網安全具有十分重要的意義。就調速器來講，導葉開度信號既是其控制對象，又是其反饋對象，在一定程度上增加開度反饋信號數量，可以保證閉環調節的準確，可靠。通過技術改造，某巨型水輪機調速器導葉開度反饋信號從一對一的單一結構變成多對一冗余結構。通過冗余測量技術的應用，有效地提高了機組安全穩定運行能力。