基于冗余方式的水輪發電機調速系統的可靠性提升

凌勝軍

(國投甘肅小三峽發電有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

水輪發電機調速系統主要功能包括：自動調節水輪發電機組的轉速，使其保持在額定轉速允許偏差內運轉，滿足電網對頻率質量的要求；使水輪發電機組自動或手動快速啟動，適應電網負荷的增減、正常停機、緊急停機的需要；水輪發電機組在電力系統中并列運行時，調速系統能自動承擔預定的負荷分配，使各機組能實現經濟運行；滿足轉槳式、沖擊式水輪發電機雙重協聯關系調節的需要；滿足電網對水電站自動增益控制(automatic gain control,AGC)、一次調頻等調節控制要求。調速系統與水輪發電機調節品質息息相關，關系到電網的供電質量及電網安全，很多水電站采用“無人值班(少人值守)”的運行方式，提高了對水輪發電機調速系統的可靠性要求。冗余配置是進行相同的重復配置或在功能上實現相同的目的而增加的配置，依靠冗余配置是提高調速系統可靠性的重要方式。冗余方式下，當一套設備故障時可切至另一套設備，不影響系統整體的運行。對調速系統的重要設備、裝置、元件等各類部件設備進行兩套或兩套以上的配置，一套部件故障后切換至另一套運行，包括調速系統電源、電液轉換、控制器、頻率信號、開度反饋信號、壓力油源。采用冗余方式提高水輪發電機調速系統的可靠性，部分冗余方式已廣泛應用在水電站已[1-7]，調速系統主配壓閥這種大功率元件的冗余也有少量的應用與研究。

1 電源冗余的可靠性

調速系統的電源消失將造成非常大的影響和損失。根據現行標準要求，當調速系統電源消失時，應能夠實現“失電關閉”、“失電動作”、“失電停機”等功能，即當調速系統控制電源消失時，能夠實現自動動作關閉導水機構。當機組處于發電運行狀態時，水輪發電機調速系統因電源消失關閉導水機構，會對電網帶來影響；同時，水輪發電機導水機構關閉而機組的出口斷路器處于合閘狀態，會造成機組調相運行。調相運行可能造成發電機損壞或電力系統不穩定，調速系統電源消失時向機組監控系統或保護設備發出信號作用于分開機組出口斷路器，也易造成發電機過速的情況。因此，一定容量的水輪發電機調速系統的電源采用冗余方式。電源由一路交流、一路直流或兩路直流電源組成。水電站的直流電源一般由整流設備或蓄電池組輸出。整流設備或蓄電池組同時由多路提供，交流電源通常也取自不同回路，電站提供給調速系統的交直流電源較為可靠，較少發生電源同時消失的情況。調速系統電源消失一般是由系統內部短路、接地等故障引起的，應對調速系統內部電源設備的設計、安裝、接線等引起重視。在電源設計中，采用接地、濾波、屏蔽、電路、分布式隔離等技術，以提高調速系統供電電源的可靠性。

正常情況下，由一路交流和一路直流組成的兩套電源整流器中的高頻整流模塊并列運行。當其中任一路發生事故，或某一路電源故障、檢修退出運行時。另一組整流器可單獨運行。通過冗余方式配置調速系統的電源，互為熱備用、無擾切換，任一路電源消失均不會對調速系統調節產生影響，提高電源的可靠性。

調速系統交直流冗余電源供電原理如圖1所示。

圖1 調速系統交直流冗余電源供電原理圖Fig.1 Schematic diagram of AC/DC redundant power supply for governing system

2 電液轉換冗余的可靠性

電液轉換是將輸出的綜合電氣信號轉換成具有一定操作力和位移量的機械位移信號或一定壓力的流量信號。機械位移信號或流量信號最終作用于接力器、導葉、槳葉，應用較多的電液轉換有伺服比例閥、步進電機、數字閥等，各有其優缺點。以伺服比例閥的電液轉換冗余方式為例。伺服比例閥是將輸入的電信號轉換為流量輸出信號的電磁閥，其結合了伺服閥和比例閥的優點，既有伺服閥的高精度和高響應性，又有比例閥的電磁操作力大、抗油污能力較強等優點。伺服比例閥也存在控制器模擬電路產生的溫飄和零飄，使得控制系統易受溫度變化的影響；本身的非線性因素如死區、滯環等難以實現徹底補償；但其整體性能仍然較為優良，在各種類型的水輪發電機調速系統中應用廣泛。

伺服比例閥1和伺服比例閥2并列運行，壓力油同時輸入這兩個伺服比例閥，兩個伺服比例閥的輸出至冗余伺服比例閥切換閥。冗余方式中，一套伺服比例閥為主用，另一套伺服比例閥為備用。主用具備實際輸出功能，備用不進行實際輸出。通過檢測主用一套的伺服比例閥電液轉換控制輸入與導葉接力器位移、主配壓閥位移的變化、大小及方向，來判斷這套伺服比例電液轉換是否正常。當檢測到當前主用的伺服比例電液轉換故障時，將另一套備用伺服比例電液轉換器切為主用，切換時接力器的位移≤1%；同時冗余伺服比例閥切換閥動作，油路也切換至備用的伺服比例閥電液轉換。電液轉換是調速系統的重要部件，也是故障率較高的部件。通過伺服比例閥或其他電液轉換元件的冗余方式，可提高調速系統電液轉換的可靠性。

伺服比例閥電液轉換冗余結構如圖2所示。

圖2 伺服比例閥電液轉換冗余結構圖Fig.2 Redundancy structure diagram of electro-hydraulic converter for proportional servo valve

3 控制器冗余的可靠性

水輪發電機調速系統控制器是調速系統的核心部件，完成調速系統的信號采集、數據運算、控制值輸出及其他附加功能?？删幊踢壿嬁刂破?programmable logic controller,PLC)、可編程計算機控制器(programmable computer controller,PCC)因性能優秀、可靠性高等特點得到廣泛的應用，尤其是PCC具有較強的測頻精度、多任務功能。

控制器的冗余配置為熱備方式，正常時一臺控制器為主用控制器，另一臺為備用控制器。只有主用控制器具有控制權。主用控制器進行實際控制輸出，每臺控制器對自己的模塊和元件進行檢測，兩臺控制器通過通信或電路進行主用、備用的切換并實時檢測對方的狀態。當備用控制器檢測到主用控制器或元件故障時，備用控制器切為主用，即擁有控制權，冗余控制器切換引起接力器的變化應≤1%。這樣，通過控制器的冗余配置，可大幅提高調速系統的可靠性。

4 信號冗余的可靠性

水輪發電機調速系統接入信號眾多，包括水頭、機組斷路器、導葉與槳葉的開度信號、頻率信號等，其中頻率和開度信號更為重要。調速系統主要以頻率和開度信號實現和判斷開機、停機、調節等功能，對頻率和開度信號的可靠性提出了更高的要求。

4.1 頻率信號冗余可靠性

新機組首次啟動、大修后的首次開機或長時間停機的機組開機這幾種情況，TV測頻可能不可靠，就需要使用齒盤測頻。當機組與電網失步，齒盤測頻也比較可靠；齒盤測頻不受檢修、停機的影響，但要求有較好的制造、安裝精度及傳感器的準確性?；谡{速系統測頻的重要性[8-17]，為提高測頻的可靠性，通常采用冗余測頻的方式，即一路TV測頻、一路齒盤測頻或者二路TV測頻、二路齒盤測頻。TV測頻方式簡單、技術成熟，正常情況下可作為主用測頻方式。齒盤測頻不受殘壓的限制，也具有較高的可靠性，具備零轉速檢測功能，可作為備用測頻方式。實際應用中，在新機組啟動、大修開機、長時間停機這幾種情況下，采用齒盤測頻方式，其他的使用情況采用TV測頻。機組正常開機時，在勵磁投入前采用齒盤測頻方式，勵磁投入后殘壓較高，測頻較準確時采用TV測頻方式，通過冗余測頻的方式提高調速系統測頻的可靠性。

4.2 開度信號冗余可靠性

開度信號即水輪發電機導葉[18-22]、槳葉接力器的位移量，是調速系統動作執行情況的依據，也是調速系統控制調節的體現和反饋，在調速系統的故障中占有較高的比例。為提高開度信號的可靠性，在大中型水電站較多采用冗余方式的開度信號，調速系統開度信號冗余中導葉、槳葉分別配置兩個或兩個以上性能參數完全相同的傳感器，安裝位置、安裝方式也應一致，保證傳感器輸出的一致性。實際應用中，將一個開度傳感器作為主用，另一個作為備用，并以主用作為導葉、槳葉位移的判斷依據。當檢測到主用傳感器故障時，將備用傳感器作為主用，或者將兩個及兩個以上的傳感器綜合計算作為導葉、槳葉位移的判斷依據。當檢測到某一個傳感器故障，則不再將此故障傳感器作為開度綜合計算的判斷依據。這樣，通過冗余配置傳感器的方式，可提高開度信號的可靠性。

5 壓力油源冗余的可靠性

壓力油源向調速系統提供穩定的操作介質?？紤]到調速系統在水輪發電機中的重要性，也會對壓力油源作冗余方式設計。當系統的壓力油源消失，水輪發電機即處于失控的情況，尤其是壓力油源快速消失時，對機組是極為危險的。因此，應保證調速系統正常一路油源消失時能夠有穩定、可靠的冗余備用油源或事故油源接入調速系統，保證機組的正常停機或短時間的調節運行。壓力油源的冗余一般只是功能上實現的冗余，冗余油源的容量、配置與正常的壓力油源不同。冗余油源根據水輪發電機容量、所在電網的重要性等不同而配置，大容量的一臺機組調速系統配置一套冗余油源； 部分機組由兩臺機組配置一套冗余油源，即兩臺機組合用的冗余油源；也有全廠所有機組配置一套冗余油源。壓力油源正常時作為調速系統的操作介質，冗余油源在正常壓力油源消失時作為操作介質，當檢測到正常一路的油源壓力較低時立即投入冗余的壓力油源，并將原正常的壓力油源從調速系統切除，通過冗余油源提供調速系統操作介質的可靠性。

6 主配壓閥冗余的可靠性

主配壓閥作為最后一級流量放大，由液壓或行程來控制。閥芯上下二腔為主控制腔，分別與主接力器開啟腔和關閉腔相連接，直接作用于接力器，帶動水輪發電機導葉和槳葉的開啟或關閉。閥芯中間腔為主配壓閥操作油輸入腔，與壓油裝置出口管路相連接。作為大功率元件，主配壓閥可靠性較高，一般不太容易卡阻，冗余也較為困難，為保證機組安全，可通過事故配壓閥或機組快速閘門實現可靠停機。一般使用中經過較長時間主配壓閥有磨損的情況，可考慮整體更換。

7 結論

冗余即重復配置系統的一些部件、設備。當這些部件或設備發生故障時，冗余方式配置的設備能夠介入并承擔工作，減少故障時間。根據水輪發電機調速系統的重要性和調速系統各環節的故障情況，在供電電源、控制器、電液轉換、測頻信號、開度信號方面有必要采用冗余配置的方式。壓力油源可根據機組容量、重要性作冗余配置，在巨型水電站還應采用更多的冗余方式，如電源、電液轉換、開度信號等使用兩個及兩個以上的冗余方式，或對其他調速系統的設備采用冗余方式，以提高調速系統的可靠性，以及水輪發電機組的可靠性。