淺談馬跡塘水電廠水輪機調速器控制系統改造

摘 ?要：針對馬跡塘水電廠原水輪機調速器控制系統存在的國外產品單微機控制，不能直接控制機械調速器的控制閥體，沒有配備殘壓測頻、失電停機電磁閥等不符合二十五項反措要求的諸多問題，對三臺機組調速器依次進行了技術改造及性能試驗，改造后調速器運行情況良好。

關鍵詞：水輪機調速器;國產化：PSWST.2G2S150;雙機雙反饋冗余

一、概況

五凌電力有限公司馬跡塘水電廠位于湖南省桃江縣馬跡塘鎮大塘坪村資水干流上，于1976年動工興建，1983年三臺機相繼投產發電，是我國第一座低水頭貫流式機組水電廠。電廠安裝有三臺奧地利ELIN公司制造的燈泡貫流式水輪發電機組，單機容量為18.5MW，轉輪直徑6.3m，三臺機組滿負荷水頭6.55m，設計年發電量1.89億kWh。改造前調速器電氣部分為Voith中國公司上海希科生產的VGC512-3P1數字調速器，調速器機械部分采用武漢三聯水電控制公司型號為PSW（S）T-100-6.3比例數字冗余式機械液壓系統。

二、原系統存在問題

1、VGC512-3P1數字調速器為單微機控制運行方式，調速器以及相關模件均為進口設備，運行周期長久，大多數元件模塊已停產，且運行期間調速器多個元件模塊塊出現過故障，設備冗余性和可靠性下降。

2、機械調速器因原Voith電液隨動系統設備老化效率降低、執行元件間隔漏油量較大等原因導致壓油槽保壓時間大幅度減短，從而調速器油泵啟動頻繁，已將其改造為武漢三聯型號為PSW（S）T-100-6.3比例數字冗余式機械液壓系統，單獨配套一套電氣中間控制轉換系統，用于實現機調與VGC512-3P1數字調速器的控制對接。數字調速器不能直接驅動機調的控制閥體，在轉換環節上存在轉換與測量的偏差，并且存在中間控制環節損壞導致調速器失控的安全隱患。

3、VGC512-3P1數字調速器投運較早，單微機單反饋控制方式冗余性不足，存在沒有配套殘壓測頻、I級過速保護功能，機調部分的緊急事故停機電磁閥為單電源供電單線圈動作方式，沒有裝設失電動作的電磁閥等問題，不滿足國家二十五項反措中對機組調速器的有關要求。

三、改造主要內容

1、將VGC512-3P1調速器改造為武漢三聯的PSWST.2G2S150雙機冗余控制系統，新系統由兩套完全相同的微機控制器組成，核心控制元件選用西門子S7-300系列可編程邏輯控制器，采用雙機互為備用的冗余結構，控制器通過開出模塊、模出模塊和功率放大模塊等驅動在相應信號的作用下驅動機械液壓系統電液轉換機構，實現對機械液壓系統的直接控制;兩套微機控制器都能獨立完成對水輪發電機組的開機、停機、緊急停機、增減負荷、頻率調節和功率調節等操作，可實現自動故障切換和人為操作切換，在控制器切換過程中機組無擾動，當主用機故障時，備用機能自動承擔控制任務，如果雙機都檢測到“致命故障”，那么雙機都放棄控制權，能自動切換到機械手動運行。調節器可以實現電液隨動系統的比例閥和數字閥工作狀態的自動故障判斷，系統能根據狀態判斷能在比例閥和數字閥工作模式自動勿擾切換。

2、調速器電氣部分和機械液壓部分控制沿用原機電分柜的方式，調速器機械液壓系統集成部署在機械柜，為比例數字冗余式機械液壓系統，主要由主配壓閥、先導控制級及活塞、主配位移傳感器、比例伺服閥、帶手動操作的開關機電磁球閥、功能分選閥等組成。主配壓閥由閥體、襯套及活塞組成，活塞上行為開導葉接力器，活塞下行為關導葉接力器，主配壓閥活塞采用液壓反饋定位復中，不需要調整機械零位;先導控制級由缸體及活塞組成，其活塞位移的控制由比例伺服閥或電磁球閥來完成。

3、在機械柜的原DC220V緊停事故停機電磁閥處安裝油流分配集成塊，在集成塊上新增一個DC24V緊急事故停機電磁閥，電磁閥的DC24V工作電源由調速器的直流DC220V和廠用AC220V雙供電電源逆變后冗余輸出至機械柜，由機械柜的DDTJ300掉電停機模塊整流和儲備DC24V電源。當掉電停機模塊監視到DC24V輸入電源中斷時，利用模塊儲備的DC24V電源動作DC24V緊急事故停機電磁閥自動快速關閉導水機構，增強了機組安全運行可靠性。

4、將機組轉速測頻信號源改進為兩路SSG齒盤測頻加機組出口PT的殘壓測頻兩套冗余信號源，增設調速器PLC本體測頻和可編程轉速測控裝置兩套測頻設備，兩套測頻設備的信號輸入源均為一組獨立的SSG齒盤測頻信號和殘壓測頻信號，其中可編程轉速測控裝置可按電廠開停機流程要求設定若干轉速定值點，裝置可輸出轉速定值報警干節點和轉速模擬量值至監控系統和其它系統。機組出口PT送來的正弦波殘壓信號經調速器CPZX300測頻整形模塊進行隔離、限幅、整形后，送到PLC的頻率測量輸入端;安裝在水輪機大軸上的齒盤與電磁式接近開關組成頻率信號發生器，當機組大軸轉動時帶著齒盤一起旋轉，固定在支架上的電磁式接近開關產生了與機組頻率成正比的頻率信號，經調速器內部測頻回路隔離、限幅、整形后的方波信號送到PLC頻率測量輸入端，PLC根據內部頻率測量功能指令對兩路頻率信號進行頻率綜合測量，每路測頻范圍0.2Hz～120.000Hz，測頻采用的時基125ns，測頻精度達到0.0003125Hz。電廠機組正常運行時調速器頻率測量以殘壓測頻為主，在出現故障時將自動切換至齒盤測頻通道，在機組帶負荷運行時頻率故障，調速器報系統故障，導葉接力器行程保持不變，當機組頻率信號恢復后，報警信息自動復歸。

5、在機組導葉主接力器上新增設一套拉桿式位移傳感器，與之前已有的導葉拉桿式位移傳感器分別送入調速器控制系統的兩套微機控制器，形成調速器雙機雙反饋冗余系統，微機控制器根據機組當前的開度、功率、轉速對兩個導葉傳感器進行狀態甄別與故障判斷，根據傳感器的位移反饋模擬量，實時自動診斷導葉行程輸入，確認當前導葉的實際位置，自動提示故障類別。當主用導葉行程信號故障或消失后，調速器自動切換至備用微機控制器使用另一套導葉位移傳感器來繼續機組控制，導葉開度保持不變，確保水輪發電機組穩定在當前狀態下運行，調速器發出故障信號至監控系統。當主用機、備用機導葉反饋信號均消失，調速器報“調速器事故”至監控系統，由監控系統判斷機組出口斷路器工作位置，如判斷斷路器在分閘位置，則作用于機組緊急停機，雙導葉反饋工作模式極力提高調速器工作容錯能力，筑固機組運行穩定性。

6、調速器電氣協聯關系曲線實現水輪機組的導葉與槳葉的協聯，調速器內部的協聯函數發生器按照在調速器觸摸屏上整定的協聯曲線，按實際水頭自動選擇相應協聯曲線來控制槳葉開度。電廠目前有3m、5m、7m、9m水頭下的4條協聯曲線，每條協聯曲線上設置10個點，在調速器改造前VGC512-3P1調速器導葉和槳葉協聯關系采用的角度開度值對應表，改造后PSWST.2G2S150調速器按照協聯插值計算公式，轉換為百分比開度值對應表，線與線之間以及點與點之間采用線性插值及逐次逼近方式，通過調速器的性能試驗觀察，改造前后的調速器協聯關系曲線基本吻合無誤，槳葉隨動系統不準確度偏差范圍為-0.993%～0.124%，符合標準規程要求，確保協聯關系曲線的真實性及控制的平穩性。協聯插值計算公式如下：

φH=φi + （Hi+1-H） （φi+1-φi）/（ Hi+1-H i）

A為導葉開度值，φH：槳葉開度值，H：水頭值，Hi，Hi+1為設定的水頭下的協聯關系曲線。

四、試驗

調速器改造后依照標準規程要求進行了調速器性能試驗、水輪機調節系統參數實測與建模試驗和機組一次調頻功能試驗。其中調速器性能試驗包含調速器整機靜特性試驗、導葉接力器靜態漂移試驗、緊急停機時間測定試驗、空載擾動試驗、空載擺動試驗、接力器不動時間測定試驗和甩負荷試驗等項目，性能試驗的試驗結果為除空載擺動試驗結果轉速擺動相對值為：-0.207%～0.180%略超過標準要求，但不影響機組的安全穩定運行，其它試驗結果均符合標準要求。

水輪機調節系統參數實測與建模試驗開展對發電機組調速系統的參數實測工作，并通過對調速器數學模型的研究和仿真計算，建立更為準確的調速系統的仿真模型，試驗分為靜態試驗和動態試驗兩個部分，通過試驗得知，在不同的工況下系統各參數測試結果相差很小，結果可信。水輪機及其調節系統所確定的水輪機及其調節系統模型可以作為電力系統的中長期穩定性仿真計算中數學模型。

機組一次調頻試驗測定機組一次調頻功能的靜態和動態參數，檢驗機組的一次調頻能力，確定機組投入一次調頻功能的調速器PID參數，通過試驗得知，在機組開度控制模式下，PID參數設置為bp=4%、bt=15%、Td=2 Tn=0，出力響應的調節時間為13.5113s，出力響應的穩定時間為39.4538s，滿足一次調頻管理規定的要求。

五、結束語

馬跡塘電廠水輪機調速器控制系統改造為國產知名品牌雙機雙反饋冗余控制系統后，運行穩定可靠，各項性能指標良好，是一次成功的改造工程。在后期運行過程中觀察發現，調速器機械液壓系統因先于電氣控制系統改造，長期運行以來導葉、槳葉主配壓閥的先導級磨損，間隙增大導致壓油槽保壓時間減短，說明在水輪機調速器改造時，宜將電氣控制系統和機械液壓系統一同改造，方能綜合發揮設備改造經濟最大化效益。

參考文獻

[1] 吳名鋼 《PSWST-PLC型調速器在水電站的應用》

[2] 鄒杰《調速器改造過程中存在的問題分析與處理》

作者簡介

劉靚（1977.7-），男，漢族，本科，湖南桃江人，工程師，研究方向：電廠計算機監控，自動化，調速器的檢修維護。