冗余技术在岩滩电厂起重设备中的应用

向巧凤

（大唐岩滩水力发电有限责任公司，广西 岩滩，530811）

岩滩电厂总装机容量181万千瓦，由一期4台30.25万千瓦和二期2台30万千瓦的混流式水轮发电机组组成。计算机监控系统上位机一、二期共用，除10kV系统、500kV系统一、二期有部分联结外，其余辅助设备都单独另设，如门机、主厂房桥机、尾水桥机等。

本文介绍了岩滩电厂于2017年利用二期门机控制优化的改造机会，首次把冗余技术应用到起重设备上，并在2018年把冗余技术推广应用到拦污排升降系统改造，改造后设备运行稳定，可靠。通过冗余技术的应用，让重要设备的备品“活”在设备上，能节约故障检查处理时间、减少因备件停产原因造成的风险，也能减少检修工期延期的风险。

1 冗余技术介绍

冗余技术是指具有多余的资源，当系统的某一部分出现故障时，可以由冗余部分的资源顶替故障部分来工作，以保证系统在规定的时间内正常的完成规定的功能。它包括硬件冗余和软件冗余，而硬件冗余又包括静态冗余、动态冗余和混合冗余[1]。

静态冗余又称故障屏蔽，即利用冗余资源的堆积，掩盖了故障的效应，促使系统在故障后仍能正常工作。它具有对故障的容忍能力，故而作为实现容错的第一途径。

动态冗余又称故障切换技术，当检测发现系统内部存在故障，通过系统内部的一次重组来切除和替换故障部件，作为实现容错的另一途径。常规二乘二取二冗余技术就是通过故障切换来保证系统的可靠性和安全性[2]。

起重设备冗余技术是指对起重设备某一个机构如岩滩电厂门机的大车、小车行走机构或起升机构控制部分通过冗余配置，当系统的常用或轮换使用中的一部分故障时，可由冗余部分顶替，不影响设备运行，通常可根据需求冗余配置整套或局部设备。

2 应用实例

2013年，岩滩电厂二期门机投入使用，2015年因门机配电室屋顶漏水，更换了一台变频器的所有插件，经西门子工程师现场核实，二期门机上使用的所有变频器已全部停产，无法采购到备品，一旦出现故障，维修成本高，且有可能因备件原因引起维修延误，机组检修期如果出现故障还会影响到检修工期。而且，门机设备有如下缺陷：一是原有系统部分设计不合理，葫芦吊操作手柄没有集成到联动台，司机操作葫芦吊时手抱操作手柄进行操作，存在触电风险；二是部分保护回路不完善，变频器故障机构不停止运行，容易导致不同步、失控及损坏设备现象发生。为了提高设备的可靠性及安全性，岩滩电厂于2017年对二期门机进行了控制系统优化，同时对大车行走、主小车行走变频器首次采用冗余技术理念，取得了很好的效果，大大提升了设备可靠性。

2.1 二期门机控制系统优化改造内容

2.1.1 大车行走变频器冗余改造

二期门机大车运行机构共四组，每组结构型式相同，由行走台车、平衡梁、铰座、顶轨器、缓冲器、行程开关等部件组成，分别安装在四个门腿对应处的下横梁下方。每组行走机构由两个行走台车通过平衡梁铰接成一体，平衡梁通过铰轴和铰座与门架下横梁连接。每个行走台车由一个主动走轮和一个从动走轮组成，每个主动走轮的驱动装置采用一套三合一减速器直接传动。大车行走机构共设8个主动走轮和8个从动走轮，这种布置不仅能够均衡各行走轮的轮压，而且能够有效防止主动走轮在启动时打滑。门机的极限限位装置和锚定装置设置均设置在大车行走机构上。

改造前：二期门机原大车行走变频器为2台变频器（型号：6SE7031-2EF60(55kW)）控制8台电机，每台变频器控制4台电机，即1拖4的方式。刚投产时，单台变频器故障，大车行走机构不停止运行，容易造成门机打滑等故障。

改造后：改造后虽然还是有两台变频器，但是由1台变频器（型号：6SL3210-1PE32-5AL0）控制8台电机，变频器功率增大1倍多，即1拖8的方式，设备运行使用变频器一台，通过电路联锁能实现两台变频器之间任意切换（3KM13、3KM15接触器吸合的情况下使用主用变频器，主用变频器故障情况下3KM14、3KM16接触器吸合的情况下使用备用变频器），达到互为备用的目的（参见图1） 。

改造后操作：其他电源都已经投入后，合上电源进线，操作大车控制手柄即可工作，显示屏内有大车故障和运行信号，并有大车运行电流和大车运行转速实时信号，联动台上有“大车变频器切换”选择旋钮，如大车常用变频器报故障，按故障复位后也不能工作，可松开大车操作手柄，旋动“大车变频器切换”选择旋钮到大车备用位置，操作手柄继续工作。因大车备用变频器为热备用工作，正常情况下，备用变频器因电源接触器3KM12（参见图1）未带电，因此母线无电压，变频器会报失压故障，这是正常状态，如需让备用变频器工作，旋动“大车变频器切换”选择旋钮至大车备用后，按联动台故障复位键即可。

图1 二期门机大车新原理图（局部示意图）

2.1.2 二期门机主小车行走变频器冗余改造

主小车行走机构由主动走轮、从动走轮、平衡架、支座和缓冲器等部分组成。车轮支座采用45度剖分结构，整体加工，主动走轮共四套，驱动装置采用三合一减速器，共四台，主小车行走机构设置极限行程开关，当行走机构运行至接近极限位置时门机停止运行，同时发出声、光报警信号。

改造前：二期门机原主小车行走变频器为1台变频器（型号：6SE7023-8ED61）控制4台电机，即1拖4方式，也是由于变频器已停产，无法采购到备品，为了防止机组检修时变频器故障影响设备检修维护工期，进行了冗余改造。

改造后：更换了该变频器（型号：6SL3210-1PE23-8AL0），原有1拖4方式保持不变，增设一台备用变频器，通过电路联锁实现两台变频器之间能任意切换，达到互为备用的目的，通用原理可参见图1（现场控制4台电机）。

改造后主小车操作与大车操作类似。

2.2 上游拦污排升降控制系统改造

在二期门机控制系统优化改造成功的基础上，岩滩电厂上游拦污排升降控制系统也应用冗余技术进行了优化改造。

改造前：岩滩电厂原上游拦污排卷扬机驱动电机为绕线电机，采用转子串电阻调速方式，拦污排控制柜为一面标准柜，控制方式为现地常规控制，操作方式为现地按钮操作，由于运行年限较长，控制系统的元件（特别是时间继电器）、电缆、电机等均已老化。为了提高拦污排升降控制的可靠性，提高设备自动化水平，岩滩电厂于2018年对上游拦污排升降控制系统进行了更换改造。

改造后：原常规控制方式改造为PLC+变频器控制，变频器也采用冗余配置，两个变频器能互相切换并实现电气互锁，防止电源短路，改造后设备的可靠性得到大幅提高，上游拦污升降控制原理图（局部）参见图2。本次改造绕线电机更换为变频电机，更换了制动电阻，更换了控制柜，在更换变频电机的过程中发现制动轮有多条裂纹，已重新购买更换。两台变频器在PLC逻辑中自动轮换，保证了设备的可靠运行。

3 应用效果分析

冗余技术在起重设备的应用在岩滩电厂属于首次，该技术先是应用在二期门机改造上，并对控制系统进行了优化：取消了葫芦吊操作手柄，把葫芦吊操作手柄功能通过在联动台增加控制把手实现原有操作手柄功能，解决触电风险；对各保护回路进行了全面检查完善，变频器故障机构马上停止运行，更换了不可靠的限位开关，优化后设备可靠。应用成功后被推广至拦污排升降控制系统改造项目中，冗余技术应用有以下几个优点：

3.1 让备品“活”在设备上：根据岩滩电厂近几年起重设备变频器运行情况，采购的变频器备品应用率不高，在关键时候还不一定用得上，因备品往往只是保存在仓库内，一旦设备故障，即使有备品，还涉及到设备的拆装、调试等，维修工期长，让备品“活”在设备上，是今后起重设备改造的又一选择。

3.2 减少风险，节约时间：采用冗余技术，备用变频器处在热备用状态，一旦主用变频器故障，通过人工或自动切换至备用变频器运行，在设备空闲时再进行故障检查，能减少延长水轮机组检修工期的风险。

图2 上游拦污升降控制原理图（局部）

3.3 节约成本，延长设备寿命：生产厂家生产的设备更新快，备品备件有可能存在停产的风险，且安装调试还需要时间与服务成本。使用冗余技术后能减少采购风险，减少安装调试时间及服务成本，两台变频器轮流使用，设备的可靠性得到大幅提高。

4 结语

本次改造实施重点：二期门机控制系统优化由于只是对部分系统、部分功能进行优化改进，因此改造前的重点工作包括：可研报告编写、现场规划设计、新增设备布置安装等都需认真核对，提前确认，然后根据大车8台电机的功率（8×11 kW）、主小车4台电机的功率（4Χ3.0kW）重新进行变频器选型，所选大车行走变频器能满足1拖8的控制方式要求，主小车变频器能满足1拖4的控制方式要求，两台变频器之间还要有电路闭锁功能，防止电源回路短路。

本次改造实施难点：改造优化新增加了一个变频器柜，用于布置大车及主小车主备用变频器，其余的元器件需在现场拆除旧的变频器后才能进行安装及接线，由于是不同的生产厂家施工，因此需熟悉原有图纸、熟悉现场安装工艺并根据新的原理接线图进行配线调试，现场空间小，同时还要保证接线正确，逻辑控制正确，功能实现、合同目标实现，不存在安全隐患且布置需合理美观。

本次改造是岩滩电厂在起重设备上采用冗余技术的首次尝试，为后续的起重设备改造提供了参考，使改造设备的可靠性得到了大幅提高。