龙滩水电站调速器水头信号处理程序优化

2011-07-14蒋亮蓝义玮何良超

水电站机电技术 2011年5期

蒋亮,蓝义玮,何良超

(1、龙滩水电开发有限公司，广西天峨5473002、广西电网公司电力科学研究院，广西南宁530023)

0 前言

龙滩电站自2007年第一台机组投入商业运行，至今距一期工程7台机组全部发电已两年多，机组调速器系统运行情况总体稳定，满足设计和运行要求。该调速器具备根据水头信号自动识别参数功能，可以根据水头大小自动选择开机过程中导叶第一开度限制值、第二开度限制值和机组并网过程中逆功率导叶开度限制值。由于投产初期上、下游水位计工作不稳定，且调速器本身的水头信号品质判断和逻辑处理功能不完善，在水头信号故障情况下会影响机组的正常开、停机操作。龙滩电站投产初期，调速器在开机过程中防止机组过速的两条开机开限曲线和逆功率保护曲线只适用于某特定水头段(额定水头)，对于水头变幅不大时不会产生影响。而龙滩水电站水轮机最小、最大水头分别为97 m、179m，水头变幅达到82m，即使在龙滩一期375m正常蓄水水位下，近年来的水头变化也在100m～155m之间，水头变幅特别大。另外，龙滩电站在南方电网中承担调峰、调频和事故备用任务，日负荷峰谷相差巨大，最大时达到4500MW，尾水水位日变化明显，高峰时段与低谷时段比较尾水水位变幅达到6～8m，造成机组水头随全站负荷变化明显。

而不同水头下调速器的开限值和逆功率值相差甚大，维护人员须及时根据机组水头的变化更改额定水头参数下对应的开限值和逆功率值以保证机组安全、稳定运行，否则会影响机组正常同期并网和停机解列停机。特别是在上游水位变化快、全站负荷峰谷差大时，不得不安排维护人员利用夜间低谷停机时进行此项工作，大大增加了维护人员的工作量和维护难度。

鉴于调速器在运行中存在的上述问题，向调速器设备制造厂家提出优化调速器电气柜PLC程序，完善水头信号采集功能，使调速器能够自动根据水头变化调整其导叶开限及逆功率参数，使问题得到了解决。

1 龙滩水电站调速器系统

龙滩水电站调速器系统由调速器电气柜、调速器机械控制柜、接力器及其管道系统以及压力油及泵站系统组成。其中调速器电气调节装置由两套T.SLG型双冗余微机数字调节器、一套控制工控机和HMI触摸屏显示器组成。每套T.SLG型调节器由一个UPC(转速控制单元)和一个SPC(位置控制单元)组成，其中一套主用，另一套热备用。当调节器发生故障时，对应故障通道UPC故障灯被点亮，同时通过继电器将该通道故障信号送给监控系统，运行人员可在触摸屏上看到其对应的故障代码。调节器故障分为大故障和小故障，小故障出现后，调速器故障通道能继续运行，待小故障(水头故障除外)在故障消除后小故障灯自动熄灭，故障报警消除；大故障出现后，调速器故障通道退出运行，进行切换，且大故障在故障消除后故障灯仍然保持，需要通过UPC模块上的故障复归按钮来将故障复归。由于水头信号其容错功能主要靠软件来实现，且只要在软件上保证不会因为水头信号发生故障而影响导叶开度变化较大，则水头信号不会对调速器的运行产生恶劣影响，故将水头故障列为小故障，由于此信号较为重要，故故障时需要人员确认后手动复归。

2 龙滩机组水头参数的作用

龙滩机组转动惯量巨大，为了避免机组在低转速下运行时间偏长，可能破坏推力瓦与推力镜板间的油膜导而致推力瓦受损，导叶必须能迅速开启到较大开度，使机组能快速通过低转速区，导叶启动开度应较大；同时为了能使机组在开启后能较快稳定在50Hz，缩短开机并网时间，导叶开启时开度也不能过大，否则会导致机组在前期开机速度过快，出现大的超调，导致调节时间偏长而影响开机过程，甚至会出现开机过程中机组过速等情况。为此，龙滩调速器在开机过程中也对导叶开度进行了限制，即导叶实际开度不能超过其相应阶段的开限参数值。其他电站机组一般采用开机后保持启动开限，直到机组频率达到45Hz，再转入调速器PID控制计算调节。龙滩调速器开机控制有所不同，它采用两段式开机模式，即在调速器获得开机令后，迅速将导叶打开至第一开度(也称启动开度，相应的开度限制叫启动开限)，待机组频率到达35Hz时，转入第二开限(也称空载开限)，参数设置上第二开限较第一开限小，故机组在进入第二开限后频率上升速度较前一段慢，但第二开限又比空载开度大，使机组频率仍然能较快上升，在机组频率达到48.5Hz后，转入调速器PID控制计算调节，这样能够使机组很快稳定在额定频率50Hz，为机组迅速并网发电做好准备。

由于机组在不同水头下的启动开限和空载开限不同，为了使机组在各个水头下均能迅速开机、并网，调速器内部设置各水头下对应的第一开限和第二开限两条曲线参数，通过统计机组在各个水头下开机过程，将各水头下对应的第一开限和第二开限输入数据表中，软件根据输入数据表的数据自动拟合两条开限曲线。

为了防止机组在并网运行和减负荷时导叶开度低于空载开度导致机组逆功率运行，调速器增加了逆功率保护功能，即在调速器内部设置各水头下对应的逆功率曲线，此曲线中某一水头下对应的逆功率保护开度值略大于机组在该水头下的导叶空载开度值，这样在机组并网使调速器获得并网令时机组实际的导叶开度不能低于对应水头下的逆功率曲线开度值，这样在机组并网和调整负荷时都能使机组在发出有功模式运行，不会出现逆功率运行，保障机组安全、稳定运行。

3 水头参数的优化改进

针对机组调速器存在的问题，提出修改电气柜PLC程序要求，以增加水头自动识别功能。增加此功能后对机组正常运行主要存在以下风险:机组并网时，由于水头信号不稳定使机组导叶开度变化从而导致机组负荷不稳定。针对此风险采取的主要措施是通过以下控制逻辑图(如图1)进行优化完善水头信号的容错逻辑功能，保障水头信号真实、可靠，且在发生故障时，水头突变量较小。

图1 调速器水头功能控制逻辑图

水头信号首先由机组公用监控部分分别采集上、下游水位信号，并通过滤波、延时后在变化速度、突变量等方面对采集到的水位信号正确性进行判断，若信号均正确则做差值计算机组当前水头，并将该水头值输出至AGC，AGC根据当前水头值对机组进行负荷优化和调节，当运行人员发现AGC水头值异常时，可将其切为由运行人员手动输入水头值至AGC，机组LCU正确读取AGC中的水头值，并将机组当前水头信号以4～20mA模拟量方式输出至调速器。

为了防止信号回路断线后无水头信号可用，在接收监控水头信号后，调速器水头参数CH_RAW开始对4～20mA模拟量水头信号开始实时采集，并将采集电流量与3mA进行比较，若低于3mA表示信号错误，调速器报“HEADFAULT”水头小故障，同时调速器水头值切换为CH_REPLI(显示为默认水头值135m)。若采集量大于3mA时认为水头信号正确，并将采集的电流信号转换为水头值，通过逻辑图中参数IN_AM_LV(4mA时对应水头为90m)和IN_AM_HV(20mA时对应水头为180 m)确定，同时为了便于进行数据比较和计算，调节器内部将水头值转换成一小数参与程序运算，通过逻辑图中参数IN_AM_LC(90m水头时对应数值为0)和IN_AM_HC(180m水头时对应数值为1)确定。为了防止水头信号因受干扰等因素导致信号不稳、突变量大等情况出现，须经过滤波(滤波时间参数IN_CH_TF)和延时(延时时间参数CH_TDY)处理后将水头值储存(Valuestored)，待下次采集水头值到达时与先前存储水头值进行差值运算并取绝对值(Abs)，将绝对值与参数CH_DB(水头变化速率)进行比较，若绝对值大，则认为水头偏差大，调速器报“HEADFAULT”水头小故障，同时将前一时刻储存水头值输出(即保持之前水头值不变，不响应当前水头变化)。图中“ACK”为UPC面板上的故障复归按钮，当调速器报水头小故障后水头信号恢复正常时，按此按钮即可将故障复归，并将调速器水头显示切换为调速器当前实时采集水头。

4 水头参数优化改进后的效果

通过修改水头参数控制逻辑后的模拟试验及随后的实际运行表明，完善后的根据水头信号自动识别参数的功能完全能满足调速器自动根据水头变化调整其导叶开限使机组能安全、稳定地开、停机的要求，保障机组正常运行。

但通过试验发现该逻辑图仍然存在一个小的缺陷:即在机组带负荷运行时若水头变化偏差过大，调速器报“HEADFAULT”水头小故障，并保持先前水头不变，若此时直接将水头故障复归，由于水头变化引起机组导叶在并网情况下的逆功率限制开度值变化导致导叶开度会出现变化，从而改变机组的出力，负荷变化大小由水头变化量决定。对此，通过2号机组的试验数据可以看出其变化关系。在机组并网带负荷约130MW情况下，模拟水头变化(水头由监控手动写值后发出)，其中机组实际水头为113m，机组导叶开度及负荷随水头变化表如表1:

以上水头变化后调速器均报“HEADFAULT”水头小故障，水头、导叶开度和机组负荷均保持故障前值，手动按调速器＂ACK＂按钮复归小故障后水头、导叶开度和机组负荷相应变为表中箭头后数据。从以上数据表中可以看出，当水头变化约10m时导叶开度变化约1%，负荷变化不到10MW，此负荷变化相对于龙滩机组来说，是很小的，是可以接受的。此外，由于调速器水头参数是从监控AGC中读取，AGC已能准确反映当前实时水头，而且运行人员会一直监视AGC水头值，故调速器水头参数出现大的跳变的可能性不大。因此上述的小缺陷在实际中对机组运行几乎没有影响。