新型故障存儲技術在巨型水輪發電機組調速器中的應用

嚴玉明，張 鵬，郝 輝

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

1 引言

調速器是水輪發電機組的核心控制設備，主要功能包括實現機組開停機、出力與頻率調節，在電力系統中起著十分重要的作用。為了確保機組安全穩定，某巨型水力發電廠將調速器大故障引入電廠監控系統停機流程，當調速器發生嚴重故障時，機組可以安全、快速停機[1]。同時，維護人員也可通過監控系統查詢相關數據。通過參照航空工業配備的“黑匣子”設備，研究在水輪機調速器控制PCC平臺基礎上，開發故障自動存儲功能，在出現故障時自動記錄設定時間段內的設備原始特征數據，為分析故障原因提供準確、真實的一手數據。

2 水輪機調速器故障

水輪機調速器對系統存在的故障有比較細致的分類，根據類型不同分為電氣故障、機械故障，根據故障對系統的影響程度又分為大故障和小故障。依據某巨型水力發電廠調速器設備故障類型統計情況，繪制如圖1所示故障分布圖。該機組調速器設備電氣類故障占比為70%，機械類故障占比30%，常見故障以電氣故障居多。大故障占比2%，小故障占比98%，小故障數量遠遠超過大故障數量。對調速器不同類型故障進行分類，實現快速查明故障所發生的條件以及影響后果。

圖1 調速器故障分布圖

水輪機調速器電氣類故障主要是由信號傳感器采樣異常觸發相關硬件故障或者流程類故障，機械故障主要為機械液壓閥組動作不到位或者相關元器件損壞，機械類故障產生的后果也可以由電氣類故障間接報出[2]。

調速器大故障常見于頻率信號消失，調節跟隨不到位等情況，大故障對于系統影響較大，在配備有冗余控制策略的機組中，大故障會引起主備控制器切換，嚴重的情況可能會導致機組緊急停機，負荷丟失，對電力系統與機組會產生較大的負面作用。

3 調速器故障存儲方式

對于不同類型、不同影響范圍的故障，需要進行詳細數據記錄，在出現相應故障時，在不同的存儲介質中要及時、有效地將故障數據第一時間保存，以便于維護人員可以獲得準確的數據，某巨型水輪發電機組調速器原故障存儲方式見圖2。

圖2 調速器原有故障存儲方式圖

通過圖2可以看出，調速器故障存儲方式主要有兩種，第一種為調速器將故障信號上送至電站計算機監控系統，第二種為調速器故障存儲于電柜觸摸屏。上述兩種方式基本可以滿足常用的故障存儲需求，兩種方式可以相互補充。

方式1通過硬回路與光纖通信協議將故障信號上送至監控系統，數據采集量大，對于數字量信號可以滿足故障分析要求，對于模擬信號，因為在各系統之間存在延時，加上監控系統的數據采集精度為秒級數據，從而導致一些模擬信號：接力器位置信號、主配位移信號，PID控制量等重要數據出現失真的問題。

方式2中，調速器故障信號傳輸以電柜觸摸屏為平臺，數字量與模擬量均通過通信方式送至觸摸屏進行顯示與存儲，由于電柜中的調速器控制器與觸摸屏通信距離短，具有高度一致的時間統一性，重要的模擬量信號精度也可以滿足要求。此方式不足之處在于觸摸屏的存儲區域一般較小，對于數據量比較大的情況，常常會出現屏幕死機、卡頓。同時，由于市場上工業領域觸摸屏質量品控不一，質量參差不齊，觸摸屏如果損壞，可能導致存儲的數據丟失。

4 新型調速器故障存儲方式

通過分析對比某巨型水輪機組調速器現有的故障存儲方式優缺點，在保留原有結構的基礎上，研究一種多層次新型故障存儲方式（圖3），該方式具有更高的采樣精度，具備響應快、數據多、可復制等優點，可以滿足維護人員進行故障數據分析需求[3]。

新型故障存儲方式是基于調速器現場控制器PCC內部的PVI通信機制，通過調用控制器中的保持型故障存儲區域寫入所需數據，在設備掉電時，沒有丟失數據風險（圖4）。

在調速器PCC存儲區域中，維護人員可以編寫相應程序，記錄故障發生前后一定時間內調速器內部的重要數據，數據的存儲速率完全與PCC運行速率一致，數據的采樣精度可以得到有力保證。

系統故障記錄數據量的大小可以人工設定，經過測試后確認PCC內存使用率在新功能投入期間變化量較小，PCC運行未受影響（圖5）。

圖3 調速器新型故障存儲方式圖

圖4 調速器新型故障數據導向圖

圖5 新故障技術使用前后PCC內存使用率

根據設定，故障記錄條目數超過一定限值時，系統可以自動刪除第一次故障發生時的數據，數據保存至配置的外部存儲卡。維護人員可以使用調試電腦將數據拷貝至本地，便于及時分析故障原因。

在故障發生后，調速器PCC可以自動繪制出相應的波形文件（圖6）。

維護人員也可使用專門的數據導出軟件，將故障數據導出至調試電腦生成Excel文件，用于數據展示或繪制故障前后的波形。

圖6 新故障技術繪制波形

5 結語

新型水輪機調速器故障數據存儲方式具有多層次、響應快、精度高、可復制、可保存等優點，已經廣泛應用于某巨型水輪發電機組，維護人員通過新方法的使用，可以快速準確定位故障源頭，提高設備缺陷消除效率，節省了時間與人力成本，為機組的安全穩定運行提供了重要保障。