水轮机调速器通信故障诊断处理及防范措施

张官祥，常中原，蒋小辉，陈自然，涂 勇

（1. 中国长江电力股份有限公司向家坝电厂，四川 宜宾644612；2. 三峡大学科技学院，湖北 宜昌443000）

0 引言

水轮发电机组调速器是确保水轮发电机组在不同功率下转速稳定，使水轮发电机组的功率保持预定功率值的关键部件。某水电厂水轮机调速器电气控制部分采用奥地利贝加莱B&R公司2005系列的硬件配置和功能完全一样的独立的2套PCC控制器组成的控制系统，从而实现“主机/热备”功能。控制器A和控制器B，通过以太网实现2套PCC控制器的状态和数据传送一致，将数据和故障信息通过以太网上送至电器柜触摸屏；2套控制器中的任意一套控制器与相应的机械液压系统相配合，均能独立实现全部控制功能和保证达到全部调节性能要求；当A套或B套控制器任意一套出现故障时，可发出故障信号至电气柜触摸屏和监控系统，并自动无扰动地切换至另一套正常的PCC控制器工作，故障的控制器可在线更换模块进行检修。但是，双套控制器同时出现故障时严重影响机组的安全稳定运行。

1 事件概述

某水电厂机组在运行过程中出现调速器A套控制器突发故障并触发停机报警，自动切至机手动方式运行，调速器电气柜触摸屏显示A套控制器通信异常。检查发现，A套控制器出现故障已停止运行，电气柜触摸屏上A套相关数据不更新，电气柜触摸屏事件记录显示1 s后调速器自动切换至B套控制器，并处于自动、开度模式运行，B套控制器数据采集正常。

2 事故情况检查与分析

2.1 故障原因设想

鉴于机组处于并网运行，为了真正的掌握和确认故障原因，进一步确定处理故障采取的措施，防止事故扩大化，首先对故障现象进行故障模拟和事故预想，初步假设以下几个方面原因，并逐步开展了相关检查和试验项目：

（1）模拟DM455模块故障。在正常运行的单套PCC控制器试验平台上，拔出DM455模块后再插入，发现DM455模块上的RUN灯一直处于闪烁状态；CPU模块停止运行、RUN灯熄灭、READY灯一直保持常亮状态、ERROR灯处于常亮状态。经重启PCC控制器后，上述故障现象消失，CPU和DM455模块运行正常。经联机程序在线查看故障日志，发现故障日志的描述为当模块运行时移除了模块。经上述模拟验证和分析可以得出结论，是由于DM455模块故障导致CPU停止运行。

（2）模拟CPU模块故障。在正常运行的单套PCC控制器的试验平台上，拔出CPU模块后再插入，发现CPU模块RUN灯熄灭，READY灯一直保持常亮状态，ERROR灯处于常亮状态。同时也发现所在机架上的所有模块的RUN灯一直闪烁。经联机程序在线查看故障日志，发现故障日志的描述为当模块运行时移除了模块。经上述模拟验证和分析可以得出结论，CPU模块本体故障将会导致本机架上的其他模块均故障报警。

根据上述故障模拟试验及验证结果，初步打算采取以下措施处理此次异常事件：

（1）在线联机导出故障日志。在线连接故障控制器程序，导出故障日志并根据故障日志判断故障原因，寻找其最优解决方案。

（2）故障控制器断电重启。断电前做好参数备份工作，断开故障控制器的交直流电源后观察CPU模块是否正常运行，观察DM455模块的故障是否消失。如果能够达到预期的效果，保持原样并持续运行观察。

（3）更换DM455模块。经控制器断电重启后，如果DM455故障尚未消失，则初步判断为DM455内部检测出现故障，需更换DM455模块。

（4）更换CPU模块。经控制器断电重启后，观察控制器CPU模块的运行情况。如果CPU模块不能正常运行，DM455模块故障未能消失则判断为CPU模块故障导致DM455故障，需更换CPU模块。

2.2 设备检查及事件分析

对机组调速器电气柜故障记录和监控系统事件记录进行分析，为了防止事故进一步恶化，监控系统画面中退出机组过速保护停机软连片、调速系统停机软连片、一类机械事故停机软连片。机组停机后采取防保护信息误动措施：退出LCU柜电气过速保护连片、退出LCU柜机械过速保护连片。初步检查并查询监控系统历史事件、数据曲线及调速器触摸屏相关数据曲线，具体检查和分析过程如下：

2.2.1 调速器电气柜设备检查

经检查发现，调速器电气柜内A套控制器CPU模块的“ERROR”指示灯点亮，“RUN”灯熄灭，“READY”灯常亮；A套控制器的DM455模块“RUN”灯一直闪烁。B套控制器及其PCC其他模块未发现异常情况，均运行正常。

2.2.2 电气柜触摸屏事件记录分析

查看调速器电气柜触摸屏发现，主页上显示A机通信“异常”，A套数据一览表及其他页面数据不刷新，B套数据采集正常，能够实时更新。

查看故障记录发现，故障发生时B机的切换阀投入和从机主用信号复归，同时B机切至开度模式运行，未显示A套故障信息，只有B套故障事件记录信息。

2.2.3 LCU触摸屏事件记录分析

查看监控系统事件记录发现，调速器A套控制器处于主用状态、操作方式为自动、运行模式为功率模式时，当发现A套控制器发生故障后，A套控制器存在由自动状态切至机手动状态的过程。

查看机组LCU触摸屏事件记录发现，当调速器报停机报警故障时调速器自动切至B机在线，并把调速器控制模式由功率模式切换为开度模式；调速器主用状态发生变化，由A机在线主用变为B机在线主用。

2.2.4 监控系统事件记录分析

调用监控系统事件记录，经分析得出结果如下:

（1）10月 5日，09：50：40，调速器 A 套控制器发生故障，所有开关量输出信号置零，由于调速器电气柜停机报警信号和机手动控制方式信号采用常闭接点上送至监控系统，所以原所有动作的输出信号复归，即停机报警信号和机手动控制方式信号动作。监控系统由于收到调速器上送的机手动控制方式反馈信号，向调速器下发切开度控制方式命令，同时复归调速器模拟量给定方式信号。监控系统所报调速器故障报警信息正常。

（2）10月 5日，09：50：41，机组调速器 B 套控制器因检测到A套控制器故障，主动切为B机在线主用状态，并且操作方式切换为自动方式，B套控制器的开关量输出信号状态刷新调速器电气柜的输出信号；当调速器接收到监控系统发的切开度模式命令后调速器切至开度模式运行，同时监控系统有功闭环模式退出运行，机组处于有功开环模式，调速器处于开度调节模式。监控系统和调速器功率模式切换逻辑正常，信号报警正常。

2.2.5 检查结论

上述分析得出，当机组处于并网状态时，A套控制器已经处于故障状态，导致A套控制器所检测的切换阀状态复归，B套控制器程序检测到A机不在线后自动切为B机在线主用状态。因此调速器的运行模式由功率模式切开度模式运行，属于正常控制逻辑。经综合分析，初步判断其故障原因为A套控制器运行时未检测到DM455模块引起CPU模块停止运行，调速器控制逻辑动作正确，故障报警信息正确无误，模式切换结果正常。

3 故障情况处理

上述故障经断电重启PCC控制器并在线更换DM455模块，A套控制器运行正常，切换正常。随后装置运行一段时间，观察装置数据采样情况，频率、功率、开度、主配中位等模拟量采集正常，再次检查程序版本、定值及相关参数设置后恢复机组为备用态。在机组开机时做补充验证试验，模式切换正常，主备用切换逻辑正常。具体处理过程如下：

（1）在线联机查看故障日志。与A套控制器在线联机，查看A套PCC故障日志，发现有1个故障和2个警告，PCC对时因程序内部尚未对时存在显示不一致，但是触发时间与触摸屏故障事件记录的时间完全吻合。PCC故障日志中的故障error代码为9206，故障描述为“PLC reboot triggered by hardware watchdog”，由于PLC硬件看门狗触发PLC重启；警告warning代码为9210和27063。初步判断故障原因为PLC程序内部数据溢出导致硬件看门狗动作。

（2）A套控制器断电热重启。经过参数备份和故障日志导出后，断开A套控制器的交直流电源空开，经过1 min后重新上电启动，发现A套CPU模块运行正常，RUN灯点亮，ERROR灯熄灭，DM455模块运行正常，故障消失。待CPU完全运行正常后，电气柜柜门上的“一般故障”灯点亮，触摸屏故障记录只显示A套水头故障，手动无法故障复归。此时查看其他画面的数据时发现A套所有触摸屏设置数据为零，B套数据显示正常。第二次断电重启A套控制器后，发现现象依然存在。综合上述现象初步判断为在A套CPU故障状态下，断电重启时A套控制器运行参数已被故障清零。

（3）A套控制器冷重启。连接调速器A套控制器程序，在线联机冷启A套控制器后，发现触摸屏数据恢复为程序初始值，故障消失，手自动切换正常。经断开A套控制器电源重启后未出现A套控制器数据清零的现象。

（4）更换DM455模块。分析高频计数模块测频程序执行异常导致程序内部数据溢出的可能性较大，为了确保机组调速器A套控制器正常运行，以免再次出现同类故障，更换新的DM455模块。断开A套控制器电源，更换新的DM455模块，更换后合上A套控制器电源，A套控制器运行正常，DM455模块运行正常。原有的DM455模块需在试验室继续验证和检测。

（5）核对A套控制器运行参数设置。为了防止调速器中位等重要参数变化导致机组不稳定运行，按照备份的最新调速器A套控制器运行参数进行检查并恢复A套控制器当前运行参数设置。

（6）断电再次重启。上述工作完成后，为了进一步检验调速器运行情况和控制器参数变化，再次断开A套控制器电源重启A套CPU，发现A套控制器运行正常，数据显示正常。

（7）切换试验。为了验证A套控制器是否正常运行，验证控制逻辑是否正常，先后在停机态和空载时进行了A/B机主备切换试验、手自动切换试验，试验结果正常。

采取上述处理措施以后，机组调速器通信异常情况得以解决，调速器停机报警故障已消除，调速器A/B套控制器CPU运行正常，A套和B套控制器通信正常，数据显示正常，A/B机切换正常，手自动切换正常。此后申请电网及时将机组恢复备用状态，大大降低了经济损失，保证了设备安全稳定运行。

4 故障原因分析

经在线联机，查看A套PLC故障日志，结合设备检查以及事件记录分析得出，A套CPU停止运行原因是由于PLC程序内部检测溢出，导致PLC硬件看门狗动作，从而使A套CPU故障停止运行，CPU模块ERROR灯点亮，READY灯常亮，进而引起DM455模块故障。由此可推断出，机组水轮机调速系统控制器通信异常是由于A套控制器的CPU模块停止运行导致的。

5 故障模拟及验证

为了进一步验证机组调速器A套通信异常故障处理时出现的各种异常情况，为今后处理异常情况做试验数据准备，进行故障模拟和试验验证。试验项目：①模拟DM455模块故障；②模拟CPU模块故障；③模拟AM374模块故障；④CPU故障状态下断电重启；⑤CPU故障状态下程序冷启；⑥CPU故障报警逻辑优化。经过多次试验验证后得出结果：

（1）当DM455模块带电拔插引起故障时，将会引起CPU模块停止运行，使CPU模块ERROR灯点亮，READY灯常亮，DM455模块RUN灯一直处于闪烁状态。

（2）当CPU模块移除机架引起故障时，将会导致机架所有模块RUN灯一直处于闪烁状态。

（3）当AM374模块带电拔插引起故障时，将会导致CPU模块停止运行，CPU模块ERROR灯点亮，READY灯常亮，同时将引起DM455模块故障，其RUN灯一直处于闪烁状态。

（4）在CPU故障状态下，若断电重启会使CPU数据清零，不刷新存储卡数据。

（5）在CPU故障状态下，若程序冷启会使CPU保留原来数据，不修改存储卡数据。

（6）通过软件配置可以实现PLC模块硬件故障不会导致CPU停止运行。

6 防范措施及优化建议

6.1 调速系统控制逻辑改进措施

目前调速器硬件配置采用冗余配置，当任意一块PCC模块出现硬件故障时，将会导致CPU报故障停止运行，调速器控制器根据预定的控制逻辑自动切至备用机运行，并报停机报警故障。当2套PCC控制器同时出现故障时，延时一定时间后将会触发二类机械事故停机流程。在任意模块出现故障时，通过在程序内设计控制逻辑，可以实现CPU不停止运行。如果在调速器故障控制逻辑完善且机组安全稳定运行要求高的情况下，为了避免控制器模块硬件故障直接导致CPU停止运行，且保证可以实现切换A/B机功能，可以优化程序，同时引用程序内部定义的PLC模块正常检测点，对PLC模块故障进行检测判断，并纳入到调速器严重故障判据，实现模块故障切机并报警功能。

6.2 技术管理方面的改进措施

①加强分析和总结设备的运行规律，对长期处于运行状态的设备以及运行超使用周期的设备对其状态和故障率进行预评估，充分掌握其出现故障的概率，在设备损坏之前或出现损坏时能够有效地控制事故扩大。②加强对重要部件的检查和维护工作，定期对关键元器件进行修理和维护，尤其要重视对重要试验项目和重要控制回路的检修保养工作。③加大对升级产品性能和特性的掌握力度，对设备系统改造提出更加成熟的方案，保证设备系统升级后能够稳定运行。

6.3 设备管理方面的改进措施

自从设备投产以来，设备运行情况良好，尚未出现重大事故。但随着机组运行年限的增加，设备管理工作需重视以下问题并加以处理：①电气元器件老化问题。原有电气元器件由于线路长期发热、绝缘老化、金属氧化等原因，造成电阻增大，接触不良，运行不稳定，随时可能损坏或出现故障，存在较大安全隐患。②备品备件更新换代和配件兼容性的问题。原配件已停止生产，升级产品与原系统的硬件和软件均需全部升级匹配。一旦设备出现故障时备品备件库存数量不足，只能维修或请求外援，进口产品采购周期长、外方专家不能短期内到达以提高技术支持，且技术服务成本高、协调难度大，备品备件管理和系统升级换代势在必行。

7 结束语

调速系统作为发电机组运行的核心部分之一，与水电厂安全运行密切相关。调速器通信是调速器双套控制器之间的可靠保障，是数据交换和监视的渠道。而停机报警对于水轮机调速器来说相当重要，如果出现调速器通信异常将会丢失采集的数据，必将对调速器控制造成影响，若双套控制器停机报警故障时必将会导致事故停机。而调速器停机报警和通信异常时更加应引起重视，及早查明原因，及时处理故障，保障设备的可靠运行。本文通过对水轮机调速系统控制器通信异常和停机报警信号的实例进行分析，详细说明其查找故障的过程和分析方法，同时结合试验室仿真模拟试验为今后类似事件的处理提供经验支撑和参考。