水輪機(jī)調(diào)速器改造新技術(shù)的應(yīng)用探討及實(shí)踐

潘軍偉，蔡衛(wèi)江

（1.河南新華五岳抽水蓄能發(fā)電有限公司，河南 信陽 465450；2.南瑞集團(tuán)有限公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211106）

0 引言

水電站調(diào)速器是控制水輪發(fā)電機(jī)組頻率和功率的核心設(shè)備，是機(jī)組穩(wěn)定和電網(wǎng)安全的重要保障。隨著水電廠智能化的發(fā)展及安全防措方面的要求，對大中型水電站調(diào)速器的技術(shù)要求越來越高。在某大型水電站調(diào)速器改造過程中，電站采用了多項(xiàng)新技術(shù)。根據(jù)能源局2014版《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》大中型水電站應(yīng)具備“ 失電保護(hù)關(guān)機(jī)” 功能[1]，以及控制設(shè)備重要的反饋系統(tǒng)應(yīng)采用三冗余配置[2]。本次改造在調(diào)速器主配壓閥保留的基礎(chǔ)上，對先導(dǎo)閥進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了“失電保護(hù)關(guān)機(jī)”功能的實(shí)現(xiàn)。其次，在可靠性方面，增加了導(dǎo)葉及頻率反饋系統(tǒng)“三選一”冗余設(shè)計(jì)；針對機(jī)械式蠕動(dòng)監(jiān)測裝置不可靠，改為電氣式雙齒盤探頭測量方案；在雙機(jī)切換方面，增加了第三方智能切換單元，保證切換的可靠性。同時(shí)，根據(jù)智能水電廠技術(shù)的發(fā)展，水輪機(jī)調(diào)速器作為單元層設(shè)備，必須具備與水電廠站控層的智能網(wǎng)絡(luò)通信功能[3]，設(shè)計(jì)了IEC 61850網(wǎng)絡(luò)通信接口以及數(shù)據(jù)建模方法，改造后設(shè)備依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)和測試，以驗(yàn)證調(diào)速器功能滿足設(shè)計(jì)要求。

1 掉電保護(hù)關(guān)機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)《二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》規(guī)定：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)，即“ 失電動(dòng)作” 規(guī)則。該水電站調(diào)速器原先設(shè)計(jì)為掉電自復(fù)中，即維持導(dǎo)葉不動(dòng)的規(guī)則，后來通過方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證液壓系統(tǒng)原有功能不變的基礎(chǔ)上，只更換了一只切換閥，就實(shí)現(xiàn)了“ 失電動(dòng)作”規(guī)則，具體如下：

該水電站調(diào)速器失電動(dòng)作優(yōu)化設(shè)計(jì)液壓原理如圖1所示，方案是只更換現(xiàn)有切換閥，閥位機(jī)能如圖1所示，當(dāng)切換閥線圈不得電時(shí)，選用比例伺服閥控制，切換閥線圈得電時(shí)，選用步進(jìn)電機(jī)控制。當(dāng)系統(tǒng)失電時(shí)，切換閥選通比例伺服閥，比例伺服閥則切換到掉電保護(hù)位，A、B控制腔均通回油，則主配壓閥上控制腔通回油，由于主配壓閥下控制腔通恒壓力油，實(shí)現(xiàn)主配壓閥掉電關(guān)閉。

圖1 水電站調(diào)速器失電動(dòng)作優(yōu)化設(shè)計(jì)液壓原理圖

本方案簡單方便，不需要對液壓系統(tǒng)做較大改動(dòng)，也不需要加工外部集成塊，且不存在電磁閥長期通電的情況，可靠性更高。

2 反饋三選一冗余設(shè)計(jì)

調(diào)速器反饋系統(tǒng)主要包括導(dǎo)葉接力器反饋和頻率反饋，反饋系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性和可靠性對調(diào)速器的控制和調(diào)節(jié)至關(guān)重要，在《二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》里也明確提出了反饋系統(tǒng)應(yīng)該考慮“三選二”或“三選中”冗余模式[4]。電站調(diào)速器反饋系統(tǒng)原先只是按照雙冗余模式，本次改造按照新的要求反饋系統(tǒng)采用三冗余方式，具體如圖2、圖3所示。

圖2 測頻三選一原理圖

圖3 導(dǎo)葉變送器三選一輸入結(jié)構(gòu)

圖2為測頻系統(tǒng)三冗余方式，主要采用機(jī)組PT、電網(wǎng)PT測頻、齒盤測頻三路信號，由于現(xiàn)場這些信號均可以獲取，只需要在程序上進(jìn)行優(yōu)化，比較方便。目前主要考慮如下：開機(jī)、停機(jī)時(shí)，齒盤測頻和機(jī)組PT測頻互相冗余，90%以上高頻時(shí)采用PT，90%以下低頻采用齒盤；并網(wǎng)時(shí)，齒盤探頭、機(jī)組PT、電網(wǎng)PT測頻形成三冗余，且采用“三選優(yōu)”方式，如圖4所示，即正常情況下，優(yōu)先選擇機(jī)組PT，僅當(dāng)機(jī)組PT故障時(shí)（越限、中斷等），才切換到電網(wǎng)PT測頻，同理，當(dāng)電網(wǎng)PT也出現(xiàn)故障時(shí)，才切換到齒盤測頻。與“三選二”、“三選中”方式不同，這兩種方式正常情況下會(huì)存在信號頻繁切換，“三選優(yōu)”采用優(yōu)先級順序，正常時(shí)不切換，僅在主用信號故障時(shí)才進(jìn)行切換。現(xiàn)場由于齒盤加工精度和振動(dòng)影響，探頭測值有微小跳動(dòng)，不如PT信號穩(wěn)定，會(huì)影響測頻效果，故優(yōu)先級最低。

圖4 測頻信號三選一流程圖

圖3為導(dǎo)葉反饋三冗余方式，主要安裝3只導(dǎo)葉變送器A、B、C形成三冗余方式，其中控制器A和控制器B具有雙機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，可以互相交換導(dǎo)葉變送器A和B的數(shù)據(jù)，這樣控制器A和B均可以采集到變送器A、B、C的數(shù)值，軟件處理上同樣采用“三選優(yōu)”方式，其中直接采樣的導(dǎo)葉變送器做主用，優(yōu)先級最高，如A機(jī)優(yōu)先選擇變送器A，其次優(yōu)先級為公用變送器C，最后為雙機(jī)通信的變送器B數(shù)據(jù)（對A機(jī)來講）。考慮導(dǎo)葉變送器信號非常重要，若A機(jī)做主機(jī)運(yùn)行時(shí)，變送器A和C均發(fā)生故障時(shí)，調(diào)速器將切換到手動(dòng)運(yùn)行。

3 機(jī)組蠕動(dòng)監(jiān)測設(shè)計(jì)

水輪發(fā)電機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)下，導(dǎo)葉不可能完全密封，會(huì)存在少量漏水，使機(jī)組發(fā)生蠕動(dòng)。如果不能及時(shí)捕捉到機(jī)組的這種潛動(dòng)，并采取制動(dòng)措施，就可能使機(jī)組長時(shí)間低速轉(zhuǎn)動(dòng)而軸瓦燒壞，因此在靜止?fàn)顟B(tài)下及時(shí)檢測機(jī)組的蠕動(dòng)非常重要。原來的機(jī)組蠕動(dòng)監(jiān)測裝置由1個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的探測桿和1個(gè)觸點(diǎn)組成，停機(jī)時(shí)一旦機(jī)組發(fā)生蠕動(dòng)，大軸靠摩擦力帶動(dòng)探測桿旋轉(zhuǎn)，探測桿則通過相關(guān)機(jī)構(gòu)使觸點(diǎn)閉合，從而發(fā)出蠕動(dòng)信號。其缺點(diǎn)是存在機(jī)械摩擦，時(shí)間長了會(huì)有磨損產(chǎn)生，且蠕動(dòng)檢測精度不高[5]。

本次改造專門設(shè)計(jì)了一種無接觸式的蠕動(dòng)檢測方法，見圖5所示，利用機(jī)組已有的測速齒盤，增加兩只蠕動(dòng)檢測探頭，兩個(gè)探頭的安裝距離s小于1個(gè)齒間距，大于1個(gè)齒寬。信號分別輸入調(diào)速器電氣控制器A和控制器B的兩個(gè)開關(guān)量輸入口DI1、DI2，當(dāng)機(jī)組靜止后，啟動(dòng)蠕動(dòng)監(jiān)測程序，監(jiān)測DI1和DI2輸入口的電平（高或低），并進(jìn)行記錄；當(dāng)檢測到DI1和DI2口的電平發(fā)送變化（高變低、低變高），則發(fā)出機(jī)組蠕動(dòng)報(bào)警信號。

圖5 機(jī)組蠕動(dòng)檢測示意圖

蠕動(dòng)檢測的角度θ可以通過調(diào)整兩個(gè)探頭的距離s來確定：

可見，根據(jù)兩個(gè)探頭信號變化對機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)下的蠕動(dòng)進(jìn)行無接觸式檢測，可以解決機(jī)械式蠕動(dòng)監(jiān)測方法精度不高、運(yùn)行磨損等問題，具有可靠性高、精度好、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在現(xiàn)場進(jìn)行了測試和試驗(yàn)。

4 第三方智能切換及邏輯設(shè)計(jì)

水電調(diào)速器控制一般都采用雙機(jī)冗余模式，雙機(jī)之間的切換和選擇非常重要，部分廠家采用簡單的繼電器邏輯來實(shí)現(xiàn)，存在切換邏輯簡單，難以適應(yīng)復(fù)雜工況的情況。該水電站調(diào)速器電調(diào)柜選用兩套B&R公司X20系列的PCC模塊作為調(diào)速器的控制核心，選用歐姆龍的ZEN可編程智能繼電器作為仲裁單元，組成的A、B雙機(jī)冗余切換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。所有的PCC模塊均為冗余配置，兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行通信，保證兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間的信息冗余和相互切換時(shí)穩(wěn)定工作。控制器A和B同時(shí)各自處理采集的信號，一套處于主控模式，一套處于熱備用模式，當(dāng)其中一套發(fā)生故障或需要檢修時(shí)，通過智能切換繼電器ZEN使另一套立即自動(dòng)投入，實(shí)現(xiàn)無擾切換。

圖6 智能切換單元原理圖

智能切換單元切換邏輯設(shè)計(jì)如下：

（1）兩套系統(tǒng)狀態(tài)相同，可以手動(dòng)選擇切換，例：A、B套均無故障，或A、B套均有較輕故障，或A、B套均處于調(diào)試態(tài)；

（2）一套系統(tǒng)故障、一套正常，裝置自動(dòng)選擇正常一套（手動(dòng)選擇無效），例：A套正常，B套有較輕故障，選擇A做主機(jī)；

（3）兩套系統(tǒng)均故障，裝置自動(dòng)（按一般、嚴(yán)重故障）選擇故障較輕的一套（手選無效），例：A套有較輕故障，B套有較重故障，選擇A做主機(jī)；

（4）一套系統(tǒng)運(yùn)行，一套在調(diào)試態(tài)，裝置自動(dòng)選擇運(yùn)行的一套輸出，例：A套處于運(yùn)行，B套處于調(diào)試錄波狀態(tài)，選擇A做主機(jī)；

（5）一套系統(tǒng)運(yùn)行正常，一套系統(tǒng)運(yùn)行異常，裝置自動(dòng)選擇運(yùn)行正常的一套輸出。

5 智能化接口研究及設(shè)計(jì)

按照DL/T 1547-2016《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》要求，智能調(diào)速裝置應(yīng)具備獨(dú)立的IED地址，并能夠通過智能水電廠通信總線與過程層設(shè)備進(jìn)行信息交互[6]。采用通信的方式進(jìn)行全廠的控制、調(diào)節(jié)和運(yùn)行，通過IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)MMS協(xié)議的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)與其它智能電子裝置及一體化管控平臺的通信，要求調(diào)速控制設(shè)備必須具備支持IEC 61850 MMS網(wǎng)的接口[7]。

該水電站調(diào)速器改造網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)方案參見圖7，系統(tǒng)采用兩套X20PCC控制器和1套中間切換單元，1套人機(jī)界面為控制核心，配置IEC 61850通信網(wǎng)關(guān)（PC910工控機(jī)）,輔助網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備組成。兩套控制器和監(jiān)控上位機(jī)的通信采用IEC 61850協(xié)議接入MMS網(wǎng)，其方式為： PC910工控機(jī)作為通信網(wǎng)關(guān)設(shè)備，安裝IEC 61850服務(wù)端軟件實(shí)現(xiàn)與MMS網(wǎng)的通信，MMS以太網(wǎng)通過通信網(wǎng)關(guān)，分別連接到控制器1和2。監(jiān)控系統(tǒng)下傳調(diào)速器的信息主要包括水頭、功率設(shè)定值等，調(diào)速器上傳的信息主要包括開度、功率、頻率、故障報(bào)警信息等，均采用IEC 61950標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)據(jù)模型進(jìn)行通信，通信效率大大提高。

圖7 調(diào)速器網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)方案

6 現(xiàn)場試驗(yàn)

調(diào)速器改造后依據(jù)國家和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由大唐水電研究院開展了全面的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)現(xiàn)場試驗(yàn)，包括靜特性、開停機(jī)、空載擾動(dòng)、甩負(fù)荷等，這里介紹比較典型的靜特性試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)甩負(fù)荷試驗(yàn)。

6.1 靜特性試驗(yàn)

調(diào)速器靜態(tài)特性試驗(yàn)主要用于檢測調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)情況下的綜合性能，通過輸入穩(wěn)定的頻率偏差信號，逐次增大或減小輸入控制信號，測量相應(yīng)的導(dǎo)葉接力器輸出位移，繪制其靜態(tài)特性曲線，求取調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)，校核轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp等指標(biāo)。現(xiàn)場調(diào)速器靜特性試驗(yàn)情況見圖8、圖9，參數(shù)整定如下：Kp=10(中間值)，Ki=10(最大值)，Kd=0，bp(調(diào)差系數(shù))=4%，F(xiàn)g(頻給)=50.00 Hz，L（開限）=100%，E（死區(qū)）=0，導(dǎo)葉開度初始值為50%，

圖8 靜特性曲線（A機(jī)伺服比例閥）

圖9 靜特性曲線（B機(jī)步進(jìn)電機(jī)）

圖8為A機(jī)主用采用比例伺服閥控制的情況，圖9為B機(jī)主用采用步進(jìn)電機(jī)控制的情況。測試結(jié)果如下：關(guān)方向非線性度0.20%，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp=6.01%；開方向非線性度0.20%，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp=5.99%，轉(zhuǎn)速死區(qū)ix=0.004 8%。GB/T 9652.1-2019規(guī)定，對于大中型水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp等于6%條件下，轉(zhuǎn)速死區(qū)應(yīng)小于0.02%。A、B機(jī)測試結(jié)果均符合最新國家標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求。

6.2 機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)

甩負(fù)荷試驗(yàn)主要考察機(jī)組在遇到電網(wǎng)事故、或機(jī)組本身事故突然與系統(tǒng)解列時(shí)，調(diào)速器在大波動(dòng)過程中的調(diào)節(jié)性能。一般方法為：將調(diào)速器空載及負(fù)載調(diào)節(jié)參數(shù)置于選定值，在額定負(fù)荷的25%、50%、75%、100%下分別進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，記錄機(jī)組轉(zhuǎn)速、接力器行程、蝸殼進(jìn)口水壓、尾水管進(jìn)口水壓及發(fā)電機(jī)定子電流等信號的過渡過程。現(xiàn)場調(diào)速器甩負(fù)荷試驗(yàn)共進(jìn)行了3次，進(jìn)行了甩25%、75%、100%負(fù)荷試驗(yàn)，詳細(xì)記錄見表1及圖10、圖11。

表1 甩負(fù)荷試驗(yàn)記錄結(jié)果

圖10為機(jī)組甩25%負(fù)荷過程，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9652.1-2019要求，甩負(fù)荷不動(dòng)時(shí)間應(yīng)不超過0.2 s，本次試驗(yàn)，從機(jī)組定子電流消失到導(dǎo)葉接力器動(dòng)作的時(shí)間為0.2 s，沒有超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。圖11為機(jī)組甩100%負(fù)荷情況，記錄了機(jī)組轉(zhuǎn)速、開度、蝸殼水壓等變化信息，從錄波圖可以看出，調(diào)節(jié)次數(shù)為0.5次，調(diào)節(jié)時(shí)間為31 s，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于國標(biāo)GB/T 9652.1-2019相關(guān)規(guī)定（調(diào)節(jié)次數(shù)小于2次，調(diào)節(jié)時(shí)間小于40 s）。

圖10 甩25%負(fù)荷試驗(yàn)錄波

圖11 甩100%負(fù)荷試驗(yàn)錄波

7 結(jié)語

本次改造實(shí)現(xiàn)了掉電自動(dòng)保護(hù)關(guān)機(jī)、反饋系統(tǒng)三選一冗余、機(jī)組蠕動(dòng)監(jiān)測、第三方智能切換、調(diào)速器智能化通信及建模等多項(xiàng)技術(shù)革新，大大提高了調(diào)速器的可靠性和技術(shù)先進(jìn)性，通過現(xiàn)場靜特和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了改造后調(diào)速器的性能和功能，優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)要求，并具備智能水電廠相關(guān)接口和功能，為水輪機(jī)調(diào)速器新技術(shù)在大型水電站的示范應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)，并取得了較好的突破。