交叉冗余技术在珊溪水力发电厂调速器上的运用

2011-04-03陈兵阳

浙江水利科技 2011年2期

赵馨,陈兵阳

(浙江珊溪经济发展有限责任公司,浙江温州 325000)

珊溪水力发电厂位于浙江省文成县境内的飞云江上。电厂以发电为主,兼有灌溉、供水、防洪、航运、旅游等综合社会效益。电厂装有4台50 MW的混流式发电机组,电厂年平均发电量3.55亿kW◦h,由220 kV系统接入华东电网。

机组所采用调速器为长江三峡能事达电气股份有限公司生产的DFWT-100-4.0伺服电机微机调速器,电气部分以法国Schneider Modicon M340控制器,机械部分以伺服电机式无油电液转换器为主体,采用并联PID适应式变参数变结构调节方式,能够自动适应空载、大网、小网运行方式。

1 问题的提出

水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备,它与电站二次回路或计算机监控系统相配合,完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务,担负着调节电网频率稳定的任务。因此,调速器的稳定、可靠控制显得尤为重要,现代水电站和电力系统对水轮机调速器的性能及功能提出了新的和更严格的要求。

随着计算机技术的迅速发展,水轮机微机调速器得到了广泛的应用,可编程控制器调速器是我国当前水轮机微机调速器的主导产品。可编程控制器是数字式电液调速器的控制中枢,它在很大程度上决定了调速器的性能,也是调速器发展中最活跃的部件。运行实践表明,调速系统的可靠性不仅取决于系统设计的可靠性,更多的取决于PLC等元器件的可靠性,调速器在长期实际运行过程中存在一些电气元件本身的老化。采用技术先进、高可靠性的双PLC冗余控制成为满足连续生产要求、提高系统可靠性的一种手段[1]。

2 双PLC调速器原理

调速器控制系统设计如图1所示。

图1 调速器系统框图

电气控制部分采用了2套进口的高可靠性的PLC,自动运行时,实现双PLC交叉冗余控制,每1套PLC包括CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、高速计数模块。自动运行时,1套PLC主用,另1套PLC为备用,当主用PLC出现故障时,自动无扰动地切换到另1套PLC,维持系统工况不变。

实际上,除了PLC冗余外,双微机系统的主要硬件也是2套备用或冗余的系统,主要包括电源冗余、测频冗余以及传感器冗余。冗余设计使系统关键部件的可靠性大大得到提高,从而也就提高了调速系统的可靠性。

3 双PLC交叉冗余原理

3.1 控制权的裁决和转移

无故障情况下,CPU控制权的转移通过柜上按钮的切换实现,“A机主用”按钮对应A控制器,“B机主用”按钮对应B控制器。

在自动工况下,每套PLC都向另一套PLC发送2个开关量信号:本机主用信号和本机事故信号。每个PLC在备用时都不断检测对方PLC送来的这2个信号,当满足以下2个条件之一时自身切为主用:①没有收到对方发来的主用信号;②收到对方发来的事故信号且本机没有事故。

每个PLC在主用时,满足下列条件之一切为备用:①收到对方主用信号;②自身有事故且没有收到对方事故信号。

当A、B机均有事故时,调速器切为手动。

3.2 2套PLC的无扰动切换[2]

备用PLC的开度给定跟踪机组实际导叶开度,功率给定跟踪机组的实际功率,并且能识别调速器所处工况(空载、并网、停机等待等),以便在A/B套切换时,能实现平稳无扰动的切换。

拥有主控制权的PLC具有输出控制权,而热备控制器输出到继电器被禁止,但热备控制机仍然采集信号和保持输出,保持数据同步,实现无扰切换。切换输出控制回路采用继电器切换,2套 PLC输出汇成 1路,提高输出可靠性。

4 频率测量冗余原理

4.1 频率测量原理[3]

测频方式为:①测网频,信号取自电网PT;②机组机频测量方式分2种,一路机组PT残压测频,另一路为齿盘测频SSG,2路测频互为备用。正常运行时,残压测频经与齿盘测频进行比较验证无误后,供调速器测频使用。当残压测频故障或比较结果超出范围时,用齿盘测频信号供调速器测频使用。调速器在并网后,网频仍可作调速器机频单元的后备。

PLC可编程直接测频是此调速器另外一特点。利用PLC高速计数模块内部的60 kHz高速脉冲直接测频,使测频精度达到0.001 Hz以上,避免了一般PLC因计数频率低而用测频模块向可编程传递数据,同时避免了数据传递过程中的延时,使测频可靠性、实时性大大提高。用PLC直接测频,器件少、接线少、速度快、可靠性高、测频回路简洁,维护方便。这种冗余方式优点在于可靠性较高,但成本也较高。测频原理如图2。

图2 测频原理图

被测频率信号经过放大、整形、硬件分频后得到1个方波,方波的周期是原始信号频率的整数倍。方波信号与高速计数模块内部的高频脉冲相与得到1个有间歇的高频脉冲信号,高速计数模块对这个信号进行计数,计数值Nt与原始信号的频率F成反比。通过下式计算得到测频值:

F=C/Nt 式中:C是一个常数。

4.2 3选2表决系统的实现方式

频率测量的一大特点就是采用了3选2表决系统,其构成原理如下:

PT:机端PT频率测量 SSG:齿盘频率测量

令SSG1探头的测量值为:Fssg 1(Hz)

令SSG2探头的测量值为:Fssg 2(Hz)

令PT的测量值为:Fpt 1(Hz)

则SSG1与SSG2运行时的测量偏差为:△F1=|Fssg 1-Fssg 2|

则SSG1与PT运行时的测量偏差为:△F2=|Fssg 1-Fpt 1|

则SSG2与PT运行时的测量偏差为:△F3=|Fssg 2-Fpt 1|

当机组处于正常稳定运行的时候,不同测量值的偏差不会超过1个整定值,设该值为:σ(Hz)

正常情况下:

△F1≤σ;记为条件满足M1为真

△F2≤σ;记为条件满足M2为真

△F3≤σ;记为条件满足M3为真

则此时的输出:RO=M1‖M2‖M3,即3信号源均可作为正常的输出,判断结果正常。

非正常状态:

在此假设SSG2探头输出信号明显异常,则:

根据上式可得:△F1和△F3的数据会明显大于σ,则条件中的M1和M3为假。

式RO=M1‖M2‖M3=M2

即:当探头SSG2出现采集数据异常时,输出就根据SSG1和PT输出的信号作为输出的依据,极大的能够保证装置工作的可靠性。

当信号输入源出现物理故障而没有输出是可以通过软件进行判断的,例如:SSG出现物理损坏,导致无脉冲信号输出、PT信号因为保险爆裂或断线都是可以通过软件判断出来的,而对于非正常输入信号通过表决系统是可以使设备正常工作的。故使用了表决系统的装置可以极大的提高装置的可靠性,可以极大地减少因转速装置造成的非正常停机。