冗余测量技术在巨型水轮机调速器中的应用

严玉明，郝 辉，邓友汉

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌443133）

水轮机调速器的调节性能直接影响到电能品质与水电站的安全可靠运行。导叶开度信号作为调速器闭环调节的一部分，若在机组正常运行情况下，出现开度采样问题，可能会触发严重故障报警，导致开度闭环退出，调速器控制方式发生改变，在极端情况下，存在导叶开度调节失控的风险，威胁机组安全。因此，必须设计科学合理的测量结构与故障容错机制，保证导叶开度测量的可靠、稳定。通过研究行业内普遍采取的开度测量方式发现，合理地选择一定数量的传感器组成并联冗余系统，可以提高测量环节的可靠程度，也可以通过故障决策逻辑，实现故障的判断和定位，从而获得正确的采集信号。在充分研究设备运行状态的前提下，结合电站生产实际，某巨型水轮发电机组调速器进行了国产化改造。设备改造之后，调速器控制结构发生了变化，冗余测量技术在导叶开度信号测量系统中也得到了实际应用。

1 冗余测量系统

水电站发电量受上游来水以及电网需求影响。夏季雨水较多，河流水位上涨，水量增大，在满足防洪调度的前提下，水电站需要最大程度地利用水资源进行发电，所有的发电机组在汛期基本处于满负荷运行状态。

在水力发电过程中，水轮机调速器通过调节活动导叶开度，控制过水流量，从而起到调节出力的作用。电站满发期间，正常运行的机组如果出现调速器导叶开度测量环节故障，可能会导致机组非正常停运，造成巨大的经济损失。因此，必须选取质量可靠的传感器，作为导叶开度信号采集设备，以合理的数量，组成并联冗余测量系统，通过逻辑优化，使采集到的开度信号可以满足机组稳定运行需求。

调速器作为水轮发电机组的核心设备，出现故障时，出于安全考虑，一般不允许带负荷处理，需要将机组停机后选择合理方式对故障进行排查。尤其在汛期机组满发时，调速器使用的传感器无故障率必须满足安全生产要求。根据数理统计原理，设定在一定的时间段内，不考虑设备老化因素，单个传感器寿命服从平均无故障时间为T的负指数分布[1]。传感器失效率λ=1/T，其可靠度为：

在由k个等效传感器组成的冗余系统中，系统可靠度为：

通过式（2），可以绘制出冗余测量系统的可靠度、并联对象个数、时间三者之间的关系曲线图（图 1）。

图1 冗余测量系统可靠度特性曲线

由图1可知，在t/T＜0.5的条件下，短期内通过增加传感器的安装数量，可以达到增加系统可靠性的目的。传感器数量越少，系统可靠性越低，传感器越多，系统可靠性越高。在传感器增加至一定数量后，随着传感器增多，系统可靠性增加比较缓慢。因此，在确保系统稳定性达到预期要求的前提下，合理地选取传感器的安装数量，既可以减少程序中逻辑运算的复杂度，又可以降低设备生产成本。

设定某巨型水轮发电机组现场使用的调速器单个导叶开度传感器工作可靠度不低于99.9%，传感器更换时间除以平均无故障时间等于0.1，则由式（2）可得。

由式（3）计算得出k≥2.94，即在设定的条件下，当安装数量为3时，开度信号冗余测量系统可靠度即可满足现场要求。

2 某巨型水轮发电机组调速器电气设备改造

2.1 设备改造前

某巨型水轮发电机组调速器运行年限已超10年，在改造前，采用的是国外进口设备，单台机组安装有3套控制器用于控制，同时配备有3个导叶开度传感器用于开度信号测量（图2）。

图2 某巨型水轮机调速器电气设备改造前结构图

正常情况下控制器A主用运行，当A大故障时，切换至B运行，若A、B两套控制器均大故障情况下，切换至控制器C运行，同时比例阀1切换至比例阀2工作。导叶开度信号反馈采用一对一的测量方式，结构相对比较单一，粗放，当单个导叶开度信号产生故障时，控制器会做出反应，主用控制器退出闭环调节，切换至备用控制器运行，机组稳定运行会受到一定影响。因此，对调速器整体而言，开度测量环节的可靠性需要得到进一步提升。

2.2 现场情况介绍

通过对冗余测量系统可靠性研究以及调速器改造之前设备的实际情况进行分析，计划在调速器改造期间，增加一定数量的导叶开度传感器，形成冗余测量系统。但由于安装环境的影响，现场不具备增加传感器数量的条件，因此需要在不增加传感器数量的情况下，通过对原有的开度传感器采集信号进行优化，从而组成冗余测量系统。

2.3 冗余测量技术的应用

根据电站现场实际情况与冗余系统可靠性研究结果，通过分析控制器的配置结构，优化导叶开度测量方式，可以解决在无法增加传感器数量的情况下，如何实现单套控制器可采集到三路开度信号，并组成冗余测量系统的问题。为此，提出如图3所示的结构。

图3 某巨型水轮机调速器电气设备改造后结构图

调速器改造后，3套控制器变为2套控制器，导叶传感器的安装方式与数量未发生变化。对于新的调速器而言，在未增加传感器安装数量的情况下，合理分配三路开度信号，可以实现开度信号的冗余测量。以控制器A为例：第一路开度信号为其原有测量信号，测量模块采集的开度信号一分为二，选取其中一路作为控制器A的第二路开度信号，第三路开度信号由控制器B将其开度信号通信至A控制器。依据冗余并联系统可靠性的研究结果，在保持现有3个开度传感器数量不变的情况下，可以满足目前生产现场的实际需求。

3 冗余逻辑选择

在完成传感器安装与调试后，确保单套控制器三路导叶开度信号输入正常，通过编写程序功能块，可以完成三路导叶开度测量信号的逻辑运算。对于单套控制器而言，设定第一路开度信号测量值为a，第二路开度信号测量值为b，第三路开度信号测量值为c，得出两路传感器之间差值为：

为了防止传感器跳变对采样产生影响，在控制器程序中设置了一个重要的参数：传感器偏差阈值n。通过分析现场实际情况，开度信号冗余测量系统逻辑判断主要有以下几类：

（1）三路开度信号均正常（图4）

图4 三路开度信号均正常

三路传感器均正常的情况下，控制器选取其中偏差值最小的两路信号，经过平均计算之后，将结果作为控制所用的开度信号。

（2）一路开度信号故障（图5）

图5 单路信号故障

当出现一路导叶开度传感器采样故障的情况下，以第一路信号故障为例，程序检测到开度信号通道故障后，触发小故障报警，主用控制器将故障信号屏蔽，选取无故障的两路信号判断其差值在是否正常范围，若差值小于阈值，则取其二者平均值作为开度信号，若差值大于阈值，则控制器报开度信号大故障，本机切至纯手动，调速器控制器切至备用机自动运行。

（3）主用控制器三路开度信号中两路偏差同时超过阈值（图6）

图6 两路信号偏差均超过阈值

在主用控制器三路开度信号中，出现两个偏差同时超过阈值时，控制器输出大故障，主用控制器切为纯手动方式，权限切至备用控制器自动运行。

（4）主用控制器三路开度信号中有两路或者大于两路的采集信号通道故障（图7）

图7 两路或两路以上信号故障

假设主用控制器采集的三路开度信号中有两路或者大于两路的采集信号通道故障，则将大故障输出，主用控制器切为纯手动方式，控制权限切至备用控制器自动运行。

4 改进建议

冗余测量技术已在某巨型水轮机调速器投入使用，但受限于现场环境的影响，无法实现单套控制器接收3个独立的开度采集信号。目前使用的三路信号的可靠度实际上并不一致，因此针对现有的问题提出以下几点改进建议：

1）增强控制器之间的通信能力，提高通信信号的可靠性；

2）采用高可靠性的信号采集模块，设计可靠的供电与信号回路，确保输入与输出信号稳定；

3）完善开度冗余测量系统故障保护功能，加强对各类故障的分析与判断，避免出现故障误判的情况。

5 冗余测量技术投运后情况

某巨型水轮发电机组调速器冗余测量技术在改造后得到了实际应用。现场调试期间，试验人员分别进行了调速器空载、负载状态下的开度反馈信号故障模拟试验。在负载情况下，断开单路导叶开度信号，控制器报小故障，不触发切换操作，导叶开度无变化，机组出力未产生波动（图8），试验结果表明，在采用了冗余测量技术后，调速器的运行稳定性得到了有效提高。

图8 冗余测量技术实际运行情况

6 结语

水轮机调速器的稳定运行对电站以及电网安全具有十分重要的意义。就调速器来讲，导叶开度信号既是其控制对象，又是其反馈对象，在一定程度上增加开度反馈信号数量，可以保证闭环调节的准确，可靠。通过技术改造，某巨型水轮机调速器导叶开度反馈信号从一对一的单一结构变成多对一冗余结构。通过冗余测量技术的应用，有效地提高了机组安全稳定运行能力。