重慶江口水電站調速器模擬量優化及功能改造

歐 適，伍盛金，高金林

（國家電投集團重慶江口水電有限責任公司，重慶 408506）

1 引言

《防止電力生產事故的二十五項重點要求》和《國網公司“十八項反措”》要求：水輪機調速器的轉速、功率、開度等重要控制信號應冗余配置，冗余I/O測點應分配在不同模件上，上述信號參與設備或機組保護時應采用獨立測量的三取二的邏輯判斷方式，作用于模擬量控制時應采用三取中值的方式進行優選。大中型水電站應采用“失電動作”規則。

2 工程概況

重慶江口水電站位于重慶市武隆區江口鎮烏江支流芙蓉江河口以上約2 km處，是以發電為主的綜合利用工程，距離重慶市區約140 km，距離武隆城區約20 km，是芙蓉江干流梯級開發的最末一級。電站大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高140 m。江口水庫總庫容5.05億m3，正常蓄水位300 m，正常蓄水位時庫容4.53億m3，死水位為260 m，調節庫容3.02億m3，為季調節水庫。電站總裝機容量4×100 MW，左岸地下廠房安裝3臺水輪發電機組，于2003年建成投產；右岸廠房安裝1臺水輪發電機組，于2017年建成投產。

重慶江口水電站1號機為混流式機組，額定轉速214.3 r/min，額定水頭106 m，額定容量100 MW，原調速器采用“單PLC-比例閥-引導閥-主配壓閥”，模擬量未采用“三取中”設計，無失電關機功能，不能滿足《防止電力生產事故的二十五項重點要求》和《國網公司“十八項反措”》要求。

3 調速器改造方案

2021年4月初，重慶江口水電站將1號機調速器改造為北京中水科水電科技開發有限公司生產的CVT-80-4.0型調速器。該調速器基于數字插裝技術，插裝閥主要由閥芯、閥套、控制彈簧和密封件組成，利用集成在插裝塊體上的先導控制閥經由控制插裝閥蓋板來控制油路的通斷。插裝閥的基本組件均為標準化、通用化、模塊化的元件，具有很高的通用性和互換性。插裝閥動作速度快，應用到水電站調速系統中，其動作非常靈敏，具有很高的調節精度。插裝閥具有很強的抗油污能力，工作可靠性非常高，可有效解決水電站調速系統因油污而導致的發卡問題。

3.1 模擬量“三取中”邏輯

改造后的調速器，其每套PLC的開度、頻率和功率信號均采用3路信號接入。目前常規模擬量三取中邏輯通常采用單純三取中及冗余處理三取中。單純三取中是單純的將三路冗余信號取中間值，當信號偏差較大時，顯然不是我們想要的結果。冗余處理三取中是剔除其中1個偏離大的信號，剩余2個信號取均值，存在無法獲取信號真實值的隱患。本次改造三取中邏輯實現如下：

3.1.1 3路接力器位移

（1）Ch1、Ch2、Ch3自身均正常，且之間偏差未超限（＜5%），則取中間值；

（2）Ch1、Ch2、Ch3之間出現偏差超限(≥5%)時：

各路本身正常（未越限或斷線），按信號故障處理；

其中1路故障（越限或斷線），其余2路正常通道之間偏差超限(≥5%)，按信號故障處理；

（3）Ch1、Ch2、Ch3自身都故障（越限或斷線），按信號故障處理；

（4）Chi（i=1,2,3）正常，但其他2路自身故障（越限或斷線），則Chi作為有效信號：

Ch1自身正常，但其余2個通道自身故障（越限或斷線），則Ch1作為有效信號；

Ch2自身正常，但其余2個通道自身故障（越限或斷線），則Ch2作為有效信號；

Ch3自身正常，但其余2個通道自身故障，則Ch3作為有效信號；

（5）Chi（i=1,2,3）故障，其他2路正常通道之間偏差未超限（＜5%），則按編號次序，取其中1路正常通道作為有效信號；否則，按信號故障處理。

3.1.2 3路PT機頻信號

（1）Ch1、Ch2、Ch3自身均正常，且之間偏差未超限（＜0.25 Hz），則取中間值；

（2）Ch1、Ch2、Ch3之間出現偏差超限(≥0.25 Hz)時，按PT機頻故障處理；此時若齒盤正常，則以齒盤作為有效轉速；

（3）Ch1、Ch2、Ch3自身都故障（信號消失），按PT機頻故障處理；

（4）Ch1自身正常，但其余1個或2個通道自身故障（信號消失），則Ch1作為有效信號；

（5）Ch2自身正常，但Ch1故障（信號消失），則Ch2作為有效信號；

（6）Ch3自身正常，但其余2個通道自身故障，則Ch3作為有效信號。

3.1.3 3路功率信號

（1）Ch1、Ch2、Ch3自身均正常，且之間偏差未超限（＜3%），則取中間值；

（2）Ch1、Ch2、Ch3之間出現偏差超限(≥3%)時，按信號故障處理；

（3）Ch1、Ch2、Ch3自身都故障（越限或斷線），按信號故障處理；

（4）Ch1自身正常，但其余1個或2個通道自身故障（越限或斷線），則Ch1作為有效信號；

（5）Ch2自身正常，但Ch1故障（越限或斷線），則Ch2作為有效信號；

（6）Ch3自身正常，但其余2個通道自身故障，則Ch3作為有效信號。

3.1.4 優缺點分析

優點：提升了信號真實性與質量；缺點：由于信號之間出現偏差超限時，按信號故障處理，因此降低了信號可用率。

3.2 “失電關機”功能實現

改造后的調速器本身設計有壓緊電磁閥，此電磁閥動作后，通過調速器液壓系統，會直接給接力器關閉腔供油，開腔排油，使接力器一直保持關閉狀態。通過在電氣控制柜加裝一組可充電的備用電源組，當調速器供電正常時，由驅動電源為閥組供電，并且給電源組充電，當驅動電源失效時，通過繼電器回路切換，備用電源組為壓緊電磁閥供電，使壓緊電磁閥換向動作，關閉接力器。備用電源組由10枚50 F 2.7 V超級電容組成，相比較鋰電池，超級電容的安全性更好，充放電電氣控制回路簡單，不會出現爆炸和著火等問題。超級電容的充放電循環次數可達數十萬次以上，而且充電時間短，又可以大電流放電，因此完全可以滿足調速器失電關機的工況。

圖1 重慶江口水電站1號機調速器失電關機控制原理圖

圖1中，KA19為電源監視繼電器，SA5為失電關機功能投退開關，TJL為壓緊電磁閥。電源正常情況下，24 V+電源為超級電容組充電，當失電關機功能投入時，如果KA19繼電器斷電，超級電容組會通過6A10二極管，為TJL電磁閥放電，從而關閉導葉接力器。

經過試驗測試，30 s內超級電容可由0 V充至20 V以上，為電磁閥放電時，電壓由24 V降至15 V時間大于30 s，壓緊電磁閥TJL是可自保持的雙穩態電磁閥，30 s時間完全可以保證此電磁閥正常換向。

4 應用運行情況

重慶江口水電站1號機調速器改造于2021年4月初完工，進行了相關涉網試驗無異常后正式交付電網調度管理。經過近一年的實際運行，到2021年末，現場測試各性能指標優良，運行狀態良好。

5 結束語

改造后的重慶江口水電站1號機調速器具備模擬量“三取中”及“失電關機”功能，極大地提升了調速器運行可靠性，現場測試各性能指標優良，運行狀態良好，達到了預定改造目標，改造項目整體取得成功，為下一步的2號、3號、4號機調速器改造提供了參考。