某大型水電站調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)改造淺析

趙森林

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川省成都市 610000）

0 引言

某水電站位于四川省涼山鹽源縣和木里縣境內(nèi)，安裝有6臺(tái)單機(jī)容量為600MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，調(diào)速器采用了南瑞SAFR-2000H型微機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，電氣部分（電調(diào)）主要由貝加萊公司PCC2005系列控制器、歐姆龍公司ZEN系列智能切換繼電器、輸入輸出回路以及相應(yīng)的電源系統(tǒng)組成，機(jī)械液壓部分（機(jī)調(diào)）主要選用了BOSCH公司比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，GE公司FC5000閥作為主配壓閥，機(jī)械控制柜同時(shí)具備了電手動(dòng)閉環(huán)操作功能、純機(jī)械手動(dòng)操作功能。整個(gè)控制系統(tǒng)電源回路、PCC控制模塊、導(dǎo)葉傳感器、電液轉(zhuǎn)換單元等全部采用了雙套冗余配置，屬于并列冗余結(jié)構(gòu)[1]，雙套冗余切換是由智能切換繼電器根據(jù)外部把手選擇信號(hào)、故障信號(hào)按照設(shè)備健康程度自動(dòng)進(jìn)行整套切換。

1 問(wèn)題的提出

調(diào)速器是水輪發(fā)電機(jī)組的核心設(shè)備之一，是重要的涉網(wǎng)設(shè)備，關(guān)系到水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行與優(yōu)質(zhì)電能的輸出。電站水輪機(jī)額定水頭為200m，最大水頭為240m，具有單機(jī)容量大、水頭高、穩(wěn)定性要求高的特點(diǎn)，需要配套操作力矩大，克服較大的水體慣性的調(diào)速系統(tǒng)。由于水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是典型的非最小相位、非線性、時(shí)變特性的復(fù)雜控制系統(tǒng)[2]，調(diào)節(jié)過(guò)程易受多種因素影響，因此對(duì)調(diào)速系統(tǒng)事故的有效預(yù)防顯得特別重要。目前“無(wú)人值班，遠(yuǎn)程集控”模式是水電站發(fā)展的重要方向[3]，可靠的自動(dòng)化控制是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班、少人值守模式的重要基礎(chǔ)。鑒于以上原因，根據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》（以下簡(jiǎn)稱《二十五項(xiàng)反措》）文件的相關(guān)要求，為進(jìn)一步提高調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，電站對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造。

2 雙套嚴(yán)重故障啟動(dòng)事故停機(jī)流程改造

調(diào)速器故障按照影響程度可分為一般故障和嚴(yán)重故障，調(diào)速器嚴(yán)重故障將可能造成機(jī)組異常調(diào)節(jié)或者不可控，對(duì)機(jī)組本身以及電網(wǎng)可能造成破壞性的影響。如雙套導(dǎo)葉開(kāi)度采樣故障時(shí)，調(diào)速器導(dǎo)葉閉環(huán)反饋?zhàn)優(yōu)殚_(kāi)環(huán)控制[4]，將導(dǎo)致機(jī)組異常調(diào)節(jié)；雙套的電液轉(zhuǎn)換單元出現(xiàn)故障，導(dǎo)致調(diào)速器機(jī)械隨動(dòng)無(wú)法執(zhí)行控制命令；雙套頻率采樣模塊故障，所有的頻率反饋消失，調(diào)速器無(wú)法根據(jù)頻差進(jìn)行頻率閉環(huán)調(diào)節(jié)；雙套PCC控制器失電或者死機(jī)時(shí)，調(diào)速器失去自動(dòng)控制能力，無(wú)法進(jìn)行故障判斷與保護(hù)動(dòng)作。而目前調(diào)速器上送監(jiān)控LCU系統(tǒng)的DO信號(hào)中沒(méi)有統(tǒng)一定義的嚴(yán)重故障信號(hào)，監(jiān)控LCU系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行有效判斷與流程控制。

根據(jù)《二十五項(xiàng)反措》規(guī)定，完善調(diào)速器雙套嚴(yán)重故障啟動(dòng)機(jī)組事故停機(jī)流程，在雙套PCC控制模件的DO輸出模塊分別增加調(diào)速器嚴(yán)重故障輸出點(diǎn)位，直接輸出至LCU系統(tǒng)，并完善嚴(yán)重故障邏輯，當(dāng)調(diào)速器空載態(tài)或者并網(wǎng)態(tài)時(shí)，LCU分別接收調(diào)速器雙套嚴(yán)重故障信號(hào)后立即啟動(dòng)事故停機(jī)流程，進(jìn)行緊急停機(jī)。雙套嚴(yán)重故障啟動(dòng)機(jī)組事故停機(jī)流程見(jiàn)圖1。

3 導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)冗余邏輯改造

導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)是水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要反饋信號(hào)[5]。正常情況下，調(diào)速器根據(jù)頻率偏差通過(guò)PID參數(shù)計(jì)算出導(dǎo)葉開(kāi)度給定并驅(qū)動(dòng)比例伺服閥，控制主配壓閥動(dòng)作，調(diào)整導(dǎo)葉開(kāi)度，使導(dǎo)葉開(kāi)度時(shí)刻跟隨導(dǎo)葉給定，形成有效的開(kāi)度閉環(huán)控制。在其他電站曾發(fā)生過(guò)因?qū)~開(kāi)度傳感器滑塊連接螺栓松動(dòng)脫落而導(dǎo)致導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)反饋失真（開(kāi)度反饋值在正常范圍內(nèi)，未故障報(bào)警），引起調(diào)速器調(diào)節(jié)異常，致使電網(wǎng)功率異常波動(dòng)的事件[6]。為了防止因單個(gè)元器件故障而引起調(diào)速器異常調(diào)節(jié)的事件，進(jìn)行了導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)容錯(cuò)邏輯改造。

3.1 改造思路

電站調(diào)速器導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器采用了兩套完全相同的德國(guó)ASM公司MPM2B4 系列外置式磁致伸縮位移傳感器，實(shí)際配置結(jié)構(gòu)為單套導(dǎo)葉位置傳感器對(duì)應(yīng)單套PCC控制器（見(jiàn)圖2），導(dǎo)葉開(kāi)度反饋故障的判斷邏輯僅僅針對(duì)數(shù)據(jù)越限和斷線故障，雙套導(dǎo)葉信號(hào)之間沒(méi)有可靠的數(shù)據(jù)比較與容錯(cuò)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障傳感器的判斷和定位[7]。

圖2 改造前調(diào)速器導(dǎo)葉測(cè)量信號(hào)配置圖Figure 2 Configuration diagram of the guide vane sensor before transformation

為此，調(diào)速器雙套PCC控制器通過(guò)調(diào)用PCC專門用于通信的AsIMA 庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)數(shù)據(jù)通信，將本套PCC的導(dǎo)葉信號(hào)通信至備套控制器，并在硬件上增加一路同型號(hào)導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器，通過(guò)模擬量二分器分別上送至雙套PCC控制器，由此，每套PCC控制器將接收三套導(dǎo)葉信號(hào)，形成單套控制器與開(kāi)度信號(hào)“一對(duì)三”的硬件結(jié)構(gòu)，改造后調(diào)速器導(dǎo)葉測(cè)量信號(hào)配置圖見(jiàn)圖3。

圖3 改造后調(diào)速器導(dǎo)葉測(cè)量信號(hào)配置圖Figure 3 Configuration diagram of the guide vane sensor after transformation

3.2 邏輯完善

相比直接獲取的導(dǎo)葉信號(hào)來(lái)說(shuō)，雙套PCC控制器互相通信的導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)由于程序運(yùn)行周期的影響，具有一兩個(gè)掃描周期的滯后，不建議采用通信量作為控制量。整個(gè)導(dǎo)葉選擇邏輯采用了原主用傳感器信號(hào)為主、新增傳感器信號(hào)為輔，通信的導(dǎo)葉信號(hào)作為容錯(cuò)判斷量的原則，并采用多單元并聯(lián)冗余系統(tǒng)“多數(shù)表決”[8]的方式，定位故障單元，剔除故障數(shù)據(jù)。以A套PCC控制器控制邏輯為例，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)容錯(cuò)邏輯（見(jiàn)圖4）如下：

（1）正常情況下，當(dāng)1號(hào)導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器與2、3號(hào)導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器開(kāi)度偏差大于3%，且2、3號(hào)導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器開(kāi)度偏差小于3%，則認(rèn)為1號(hào)導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器偏差故障，以2號(hào)導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器開(kāi)度為主用控制量。

（2）當(dāng)1號(hào)導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器超限報(bào)警時(shí)，將以2號(hào)導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器開(kāi)度為主用控制量。

（3）當(dāng)其中一套導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器故障，其他兩套導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器開(kāi)度偏差超過(guò)3%或者三套傳感器任意兩套開(kāi)度偏差均超過(guò)3%時(shí)，進(jìn)行調(diào)速器切機(jī)械手動(dòng)操作，主配壓閥自復(fù)中動(dòng)作，保持當(dāng)前開(kāi)度，由維護(hù)人員進(jìn)行進(jìn)一步檢查處理。

（4）當(dāng)任意兩套導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器故障時(shí)，調(diào)速器報(bào)出導(dǎo)葉采樣故障信號(hào)、雙套嚴(yán)重故障信號(hào)，LCU將啟動(dòng)機(jī)組事故流程，有效保證了機(jī)組的安穩(wěn)運(yùn)行。

4 掉電停機(jī)改造

電站調(diào)速系統(tǒng)主配壓閥原設(shè)計(jì)為掉電自復(fù)中邏輯，當(dāng)調(diào)速控制柜電源回路全部斷電，比例伺服閥處于保護(hù)位，自復(fù)中閥EV2 動(dòng)作，壓力油接通主配壓閥復(fù)中腔，主配壓閥閥芯處于機(jī)械中位，保持當(dāng)前導(dǎo)葉開(kāi)度。由于掉電自復(fù)中邏輯的存在，通過(guò)切機(jī)械手動(dòng)把手切換，電磁閥EV2、EV3動(dòng)作，主配壓閥復(fù)中腔通壓力油，自動(dòng)控制液壓回路被切除，電磁閥EV4、EV5可對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行純機(jī)械操作。根據(jù)《二十五項(xiàng)反措》中“大中型水電站應(yīng)采用‘失電動(dòng)作’規(guī)則，在水輪發(fā)電機(jī)組的保護(hù)和控制回路電壓消失時(shí)，使相關(guān)保護(hù)和控制裝置能夠自動(dòng)動(dòng)作關(guān)閉機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)”這一要求，對(duì)液壓控制回路進(jìn)行了改造。

圖4 導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)冗余邏輯圖Figure 4 The guide vane sensor signal redundancy logic diagram

4.1 改造過(guò)程

調(diào)速系統(tǒng)液壓回路的改造應(yīng)保留了原有主配自復(fù)中液壓回路，保持了純機(jī)械手動(dòng)操作功能。主配液壓回路采用兩位六通多路液控?fù)Q向閥HV作為緊急停機(jī)閥，通過(guò)緊急停機(jī)電磁閥EV6得電動(dòng)作進(jìn)行緊急停機(jī)，為了完成掉電停機(jī)功能，決定在緊急停機(jī)液壓回路進(jìn)行改造。在緊急停機(jī)液壓回路中將原來(lái)的緊急停機(jī)電磁閥EV6，更替為緊急停機(jī)液控閥EV6，并增加液控單向閥HV1、緊急停機(jī)電磁閥EV9、掉電停機(jī)電磁閥EV7、掉電停機(jī)電磁閥EV8對(duì)液控閥EV6進(jìn)行控制。當(dāng)液控閥EV6失壓動(dòng)作將使緊急停機(jī)液控閥HV動(dòng)作，主配壓閥自復(fù)中腔、關(guān)機(jī)腔均通回油，實(shí)現(xiàn)主配控制接力器關(guān)閉導(dǎo)葉的功能，改造前后主配液壓控制回路圖見(jiàn)圖5和圖6。

4.2 掉電停機(jī)條件

液控閥EV6的失壓動(dòng)作的條件有兩個(gè)：①EV9得電動(dòng)作，該電磁閥將替代原電磁閥EV6的功能，由調(diào)速器電氣控制柜、機(jī)械控制柜或者LCU直接控制，進(jìn)行緊急停機(jī)；②電磁閥EV7、EV8同時(shí)失電動(dòng)作，由于液控單向閥HV1的存在，任意一個(gè)電磁閥失電，將不會(huì)影響緊急停機(jī)回路，增加了系統(tǒng)的可靠性。

EV7、EV8電磁閥電源分別取至控制柜雙套電源供電模塊，當(dāng)調(diào)速器機(jī)械控制柜全部失電，電磁閥EV7、EV8同時(shí)失電動(dòng)作，主配閥芯處于關(guān)機(jī)位置，導(dǎo)葉關(guān)閉，并向LCU反饋停機(jī)閥動(dòng)作信號(hào)，由LCU啟動(dòng)事故停機(jī)流程，雙套掉電停機(jī)電磁閥的配置增加了調(diào)速系統(tǒng)的安全性。

5 注意事項(xiàng)

5.1 導(dǎo)葉率定問(wèn)題

由于導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)偏差的要求較高，導(dǎo)葉率定時(shí)，應(yīng)保證三套導(dǎo)葉傳感器同時(shí)率定，操作導(dǎo)葉，在0～100%過(guò)程中取整點(diǎn)對(duì)三套導(dǎo)葉傳感器開(kāi)度信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，若導(dǎo)葉傳感器本體線性度較差，應(yīng)進(jìn)行更換重新進(jìn)行率定。率定完成后，應(yīng)進(jìn)行大的導(dǎo)葉擾動(dòng)試驗(yàn)，檢查檢驗(yàn)三套導(dǎo)葉傳感器之間的數(shù)據(jù)偏差情況，若偏差超過(guò)2%，應(yīng)對(duì)偏差大的導(dǎo)葉傳感器進(jìn)行更換。

5.2 緊急停機(jī)后的恢復(fù)措施問(wèn)題

系統(tǒng)掉電停機(jī)、雙套嚴(yán)重故障停機(jī)試驗(yàn)時(shí)，由于調(diào)速器或者監(jiān)控LCU直接作用于緊急停機(jī)液壓控制閥HV，控制導(dǎo)葉快速關(guān)閉，直接切斷調(diào)速器自動(dòng)控制液壓回路，恢復(fù)試驗(yàn)措施時(shí)，應(yīng)確認(rèn)調(diào)速器電氣控制柜PCC模塊接收到LCU系統(tǒng)的關(guān)機(jī)令（LCU執(zhí)行事故停機(jī)流程時(shí)，調(diào)速器關(guān)機(jī)令稍微滯后），當(dāng)機(jī)組調(diào)速器處于關(guān)機(jī)態(tài)，方可恢復(fù)措施，防止調(diào)速器未停機(jī)狀態(tài)下再次開(kāi)啟導(dǎo)葉。

圖5 改造前的主配液壓控制回路Figure 5 The hydraulic control circuit of main distributing valve before transformation

圖6 改造后的主配液壓控制回路Figure 6 The hydraulic control circuit of main distributing valve after transformation

6 結(jié)束語(yǔ)

調(diào)速系統(tǒng)的幾項(xiàng)技術(shù)改造在2015～2016年機(jī)組檢修期間均已實(shí)施，并通過(guò)了中國(guó)電科院動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，到達(dá)了預(yù)期效果。這次改造能夠進(jìn)一步防止調(diào)速事故的發(fā)生及擴(kuò)大化，提高水電站運(yùn)行的安全性和可靠性，為無(wú)人值班（少人值守）運(yùn)行模式打下技術(shù)基礎(chǔ)。隨著國(guó)家水電事業(yè)的發(fā)展，水電機(jī)組裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大，水電站自動(dòng)化水平不斷提高，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、勵(lì)磁機(jī)的穩(wěn)定性要求越來(lái)越高。本文針對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的改造，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)單位同行們有所幫助。