燈泡貫流式水電機組過負荷原因分析與處理

王哲亮，萬 元，張 培，曹鳳香

（1.凌津灘水電廠，湖南常德415720；2.五凌電力有限公司，湖南長沙410004；3.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院，江西南昌330096）

0 引言

凌津灘水電站位于湖南省沅水干流桃源縣境內(nèi)，裝有9臺30 MW的燈泡貫流式機組，水輪機額定出力30.95 MW，設計水頭8.5 m，最小水頭2.2 m，最大水頭13.2 m。發(fā)電機額定容量31.58 MW。調(diào)速器系統(tǒng)采用美國WOODWARD公司生產(chǎn)的三機（三CPU）冗余、單工I/O、并聯(lián)PID微機調(diào)速器[1]，由于設備老化及不滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻性能要求，2013年至2017年，電廠對調(diào)速器電氣控制部分進行了國產(chǎn)化改造，采用某知名廠家的雙機交叉冗余熱備技術(shù)微機調(diào)速器，控制設備為施耐德Quantum系列PLC。

1 過負荷故障過程

2017年10月20日1號機組、2018年8月8日5號機組相繼在運行過程中發(fā)生過負荷故障。

1.1 1號機組過負荷故障過程

2017年10月20日，1號機組帶28.1 MW運行，導葉開度75.2%，調(diào)速器控制模式為功率模式。09:41:54運行人員切調(diào)速器控制模式至開度模式，并通過監(jiān)控發(fā)脈沖調(diào)整有功至29.4 MW，導葉開度76.5%。09:42:20負荷調(diào)節(jié)完成后，運行人員又將調(diào)速器控制模式切回功率模式，此時導葉開度自動增加至88.8%，機組過負荷保護動作停機。詳細動作過程記錄如圖1所示。

圖1 1號機組過負荷故障過程曲線

1.2 5號機組過負荷故障過程

2018年8月8日12:33監(jiān)控下令5號機組功率模式下自動開機并網(wǎng)，并依次調(diào)整負荷至6 MW、10 MW、15 MW、20 MW、25 MW，機組運行穩(wěn)定。12:39:59調(diào)速器控制模式切換至“開度模式”，并通過監(jiān)控發(fā)脈沖調(diào)整有功至27.3 MW，導葉開度由69%增至72%。12:40:20運行人員調(diào)速器調(diào)節(jié)模式切回至功率模式，此時導葉開度自動上升至89%，導致機組過負荷。詳細動作過程記錄如圖2所示。

圖2 5號機組過負荷故障過程曲線

2 過負荷故障原因分析

針對1號機組過負荷事件發(fā)生后，現(xiàn)場對此臺機組進行了多次負荷調(diào)整試驗及負荷調(diào)整后調(diào)速器控制模式切換，均未出現(xiàn)類似故障。判斷為是偶發(fā)性的回路或系統(tǒng)干擾造成此次過負荷事故。采取了以下防范措施[1-3]：1）修改監(jiān)控系統(tǒng)過負荷壓開限程序：修改前機組過負荷報警后延時3 s觸發(fā)減導葉開限脈沖至調(diào)速器，脈沖寬度0.5 s，脈沖間隔7 s，周期循環(huán)直至導葉開限減至66%，修改后取消監(jiān)控過負荷壓開限功能，調(diào)速器接收到過負荷信號后以每秒2%的速度壓開限，直至66%；2）對調(diào)速器開度模式切至功率模式的程序進行了完善：增加非功率模式下切除功率PID計算功能；3）修改監(jiān)控系統(tǒng)高負荷下調(diào)功脈寬：機組負荷達到28 MW后減小監(jiān)控單步調(diào)有功的脈寬，脈寬由全過程0.4 s修改為負荷28 MW及以上脈寬為0.2 s。

2018年8月，5號機組再次發(fā)生類似過負荷故障，判斷不是干擾造成的偶發(fā)現(xiàn)。考慮到兩次過負荷都是在負荷調(diào)整完畢調(diào)速器控制模式切換時發(fā)生，懷疑在切換時存在擾動信號[4]。電廠對5號機組進行機組無水試驗，在開度模式下施加功率擾動信號，記錄模式切換時導葉的動作情況。

2.1 過負荷故障重現(xiàn)模擬試驗

1）試驗前準備：

將導葉開度、導葉開度PID輸出、槳葉開度、機組功率反饋、功率給定信號接入調(diào)節(jié)系統(tǒng)綜合測試儀，并對上述信號進行監(jiān)視；

由調(diào)節(jié)系統(tǒng)綜合測試儀給調(diào)速器提供機組頻率信號，斷路器位置信號短接，模擬機組負載工況；

用毫安量發(fā)生器對功率反饋模入點施加4～20mA，模擬機組功率反饋信號；

2）試驗步驟

首先將調(diào)速器控制模式切至功率模式，使功率給定設定值與功率反饋值設置成一致；其次再將調(diào)速器控制模式切至開度模式，并用毫安量發(fā)生器對功率反饋施加擾動；最后，再將調(diào)速器控制模式切回功率模式，同時記錄導葉PID計算輸出、導葉開度動作情況[2-3]；

3）試驗結(jié)果

試驗數(shù)據(jù)記錄如表1：

表1 故障模擬試驗結(jié)果

試驗動作波形如圖3、圖4所示。

圖3 故障模擬試驗（施加+1MW功率反饋擾動）

圖4 故障模擬試驗（施加-1 MW功率反饋擾動）

試驗結(jié)果表明：當調(diào)速器控制模式為“開度模式”時，且機組功率反饋與功率給定超過功率調(diào)節(jié)死區(qū)，此時將運行方式切至“功率模式”瞬間，導葉PID計算就會出現(xiàn)異常，從而導致導葉大幅波動。因此，需從調(diào)速器控制程序出發(fā)，分析導葉PID計算異常原因。

2.2 導葉PID計算異常原因分析

初步懷疑調(diào)速器程序中導葉PID計算模塊存在一個掃描周期（20 ms）數(shù)據(jù)丟失，導致計算錯誤。在程序中對功率偏差大于調(diào)節(jié)死區(qū)時，分別增加20 ms、30 ms和50 ms延時[2-3]，重復上述試驗，試驗結(jié)果如表2所示.

表2 調(diào)速器程序中PID計算模塊掃描周期更換試驗數(shù)據(jù)表

試驗結(jié)果表明，當導葉PI模塊延時20 ms計算時，可能出現(xiàn)導葉PID輸出波動，延時30 ms、50 ms計算時，導葉PID輸出沒有波動。

2.3 故障原因分析結(jié)果

當調(diào)速器工作在開度模式下，且調(diào)速器功率反饋與功率給定計算值的偏差未超過功率調(diào)節(jié)計算死區(qū)，此時將控制模式切至功率模式，導葉PID輸出正常，導葉不出現(xiàn)大幅波動。

當調(diào)速器工作在開度模式下，且調(diào)速器功率反饋與功率給定計算值的偏差超過功率調(diào)節(jié)計算死區(qū)，此時將控制模式切至功率調(diào)節(jié)模式瞬間，導葉PID計算出現(xiàn)錯誤，導葉PID輸出異常，導葉大幅波動。而引起導葉大幅波動的主要原因是調(diào)速器程序中導葉PID計算模塊掃描周期過短引起。

3 過負荷故障處理

3.1 調(diào)速器控制程序修改

為使功率給定不能突變，無論在開度模式還是功率模式下，監(jiān)控系統(tǒng)送至調(diào)速器的功率給定模擬量信號，在調(diào)速器程序內(nèi)部進行了斜坡處理以一定速率逐漸達到設定值。調(diào)速器程序內(nèi)部用作功率閉環(huán)的功率給定計算值，在開度模式時實時跟蹤機組功率，在功率模式時為斜坡處理后的功率給定值。故當上位機在開度模式調(diào)節(jié)功率沒到位的情況下切至功率模式，由于功率給定值不能突變至當前機組功率[3-4]，就會與功率反饋存在偏差，如果偏差值超過功率調(diào)節(jié)死區(qū)，會引起導葉波動。因此，對調(diào)速器控制程序進行如下修改：

1）修改調(diào)速器PLC程序中導葉PID計算程序，增加導葉PID開始計算的判斷條件：當功率偏差大于調(diào)節(jié)死區(qū)，運行模式切至功率模式后延時50 ms，再進行PID計算。使模式切換與導葉PID計算不在PLC同一個掃描周期進行，防止導葉PID模塊出現(xiàn)數(shù)據(jù)紊亂、計算錯誤。

2）在功率給定增加、減小速率的程序段內(nèi)新增選擇模塊，功率模式下功率給定模擬量速率仍設置為最大200 kW。開度模式下，改變功率給定模擬量增加/減小速率為1500 kW。即增加開度模式下功率給定爬坡速率，使調(diào)速器在開度模式下，上位機的功率給定模擬量能夠快速跟隨機組實時功率，減小模式切換瞬間的功率偏差。

3.2 程序修改后試驗驗證

程序修改后，機組在無水工況下仍按照2.1節(jié)所設計實驗方案進行試驗，實驗結(jié)果正常，調(diào)試器控制模式切換過程中均未出現(xiàn)導葉大幅度波動現(xiàn)象（見圖5）。

圖5 控制模式切換試驗

修改程序后開機并網(wǎng)，功率模式加減負荷，開度模式加減負荷后反復切換功率模式，調(diào)速器均工作正常（見圖6）。

圖6 程序修改后機組并網(wǎng)帶負荷控制模式切換試驗

4 結(jié)語

發(fā)電機組長時間過負荷運行會引起發(fā)電機過熱，絕緣損壞，從而影響發(fā)電機的使用壽命。因此水電機組正常運行過程中均需投入過負荷水機保護。結(jié)合凌津灘電廠兩臺機組均出現(xiàn)過負荷事故停機過程，通過無水試驗結(jié)果分析，得到模式切換過程中導葉PID計算異常導致導葉開度過大引起機組過負荷。通過進一步分析調(diào)速器控制程序找出導致導葉PID計算異常的原因是調(diào)速器控制程序中PID計算模塊掃描周期和開度模式下功率反饋輸入爬坡斜率兩個參數(shù)設置不當。通過對程序的優(yōu)化修改，該電廠機組未再出現(xiàn)過類似偶然事故，可以為其他燈泡貫流式機組類似故障的原因分析提供參考。