灯泡贯流式水电机组过负荷原因分析与处理

王哲亮，万 元，张 培，曹凤香

（1.凌津滩水电厂，湖南常德415720；2.五凌电力有限公司，湖南长沙410004；3.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西南昌330096）

0 引言

凌津滩水电站位于湖南省沅水干流桃源县境内，装有9台30 MW的灯泡贯流式机组，水轮机额定出力30.95 MW，设计水头8.5 m，最小水头2.2 m，最大水头13.2 m。发电机额定容量31.58 MW。调速器系统采用美国WOODWARD公司生产的三机（三CPU）冗余、单工I/O、并联PID微机调速器[1]，由于设备老化及不满足电网一次调频性能要求，2013年至2017年，电厂对调速器电气控制部分进行了国产化改造，采用某知名厂家的双机交叉冗余热备技术微机调速器，控制设备为施耐德Quantum系列PLC。

1 过负荷故障过程

2017年10月20日1号机组、2018年8月8日5号机组相继在运行过程中发生过负荷故障。

1.1 1号机组过负荷故障过程

2017年10月20日，1号机组带28.1 MW运行，导叶开度75.2%，调速器控制模式为功率模式。09:41:54运行人员切调速器控制模式至开度模式，并通过监控发脉冲调整有功至29.4 MW，导叶开度76.5%。09:42:20负荷调节完成后，运行人员又将调速器控制模式切回功率模式，此时导叶开度自动增加至88.8%，机组过负荷保护动作停机。详细动作过程记录如图1所示。

图1 1号机组过负荷故障过程曲线

1.2 5号机组过负荷故障过程

2018年8月8日12:33监控下令5号机组功率模式下自动开机并网，并依次调整负荷至6 MW、10 MW、15 MW、20 MW、25 MW，机组运行稳定。12:39:59调速器控制模式切换至“开度模式”，并通过监控发脉冲调整有功至27.3 MW，导叶开度由69%增至72%。12:40:20运行人员调速器调节模式切回至功率模式，此时导叶开度自动上升至89%，导致机组过负荷。详细动作过程记录如图2所示。

图2 5号机组过负荷故障过程曲线

2 过负荷故障原因分析

针对1号机组过负荷事件发生后，现场对此台机组进行了多次负荷调整试验及负荷调整后调速器控制模式切换，均未出现类似故障。判断为是偶发性的回路或系统干扰造成此次过负荷事故。采取了以下防范措施[1-3]：1）修改监控系统过负荷压开限程序：修改前机组过负荷报警后延时3 s触发减导叶开限脉冲至调速器，脉冲宽度0.5 s，脉冲间隔7 s，周期循环直至导叶开限减至66%，修改后取消监控过负荷压开限功能，调速器接收到过负荷信号后以每秒2%的速度压开限，直至66%；2）对调速器开度模式切至功率模式的程序进行了完善：增加非功率模式下切除功率PID计算功能；3）修改监控系统高负荷下调功脉宽：机组负荷达到28 MW后减小监控单步调有功的脉宽，脉宽由全过程0.4 s修改为负荷28 MW及以上脉宽为0.2 s。

2018年8月，5号机组再次发生类似过负荷故障，判断不是干扰造成的偶发现。考虑到两次过负荷都是在负荷调整完毕调速器控制模式切换时发生，怀疑在切换时存在扰动信号[4]。电厂对5号机组进行机组无水试验，在开度模式下施加功率扰动信号，记录模式切换时导叶的动作情况。

2.1 过负荷故障重现模拟试验

1）试验前准备：

将导叶开度、导叶开度PID输出、桨叶开度、机组功率反馈、功率给定信号接入调节系统综合测试仪，并对上述信号进行监视；

由调节系统综合测试仪给调速器提供机组频率信号，断路器位置信号短接，模拟机组负载工况；

用毫安量发生器对功率反馈模入点施加4～20mA，模拟机组功率反馈信号；

2）试验步骤

首先将调速器控制模式切至功率模式，使功率给定设定值与功率反馈值设置成一致；其次再将调速器控制模式切至开度模式，并用毫安量发生器对功率反馈施加扰动；最后，再将调速器控制模式切回功率模式，同时记录导叶PID计算输出、导叶开度动作情况[2-3]；

3）试验结果

试验数据记录如表1：

表1 故障模拟试验结果

试验动作波形如图3、图4所示。

图3 故障模拟试验（施加+1MW功率反馈扰动）

图4 故障模拟试验（施加-1 MW功率反馈扰动）

试验结果表明：当调速器控制模式为“开度模式”时，且机组功率反馈与功率给定超过功率调节死区，此时将运行方式切至“功率模式”瞬间，导叶PID计算就会出现异常，从而导致导叶大幅波动。因此，需从调速器控制程序出发，分析导叶PID计算异常原因。

2.2 导叶PID计算异常原因分析

初步怀疑调速器程序中导叶PID计算模块存在一个扫描周期（20 ms）数据丢失，导致计算错误。在程序中对功率偏差大于调节死区时，分别增加20 ms、30 ms和50 ms延时[2-3]，重复上述试验，试验结果如表2所示.

表2 调速器程序中PID计算模块扫描周期更换试验数据表

试验结果表明，当导叶PI模块延时20 ms计算时，可能出现导叶PID输出波动，延时30 ms、50 ms计算时，导叶PID输出没有波动。

2.3 故障原因分析结果

当调速器工作在开度模式下，且调速器功率反馈与功率给定计算值的偏差未超过功率调节计算死区，此时将控制模式切至功率模式，导叶PID输出正常，导叶不出现大幅波动。

当调速器工作在开度模式下，且调速器功率反馈与功率给定计算值的偏差超过功率调节计算死区，此时将控制模式切至功率调节模式瞬间，导叶PID计算出现错误，导叶PID输出异常，导叶大幅波动。而引起导叶大幅波动的主要原因是调速器程序中导叶PID计算模块扫描周期过短引起。

3 过负荷故障处理

3.1 调速器控制程序修改

为使功率给定不能突变，无论在开度模式还是功率模式下，监控系统送至调速器的功率给定模拟量信号，在调速器程序内部进行了斜坡处理以一定速率逐渐达到设定值。调速器程序内部用作功率闭环的功率给定计算值，在开度模式时实时跟踪机组功率，在功率模式时为斜坡处理后的功率给定值。故当上位机在开度模式调节功率没到位的情况下切至功率模式，由于功率给定值不能突变至当前机组功率[3-4]，就会与功率反馈存在偏差，如果偏差值超过功率调节死区，会引起导叶波动。因此，对调速器控制程序进行如下修改：

1）修改调速器PLC程序中导叶PID计算程序，增加导叶PID开始计算的判断条件：当功率偏差大于调节死区，运行模式切至功率模式后延时50 ms，再进行PID计算。使模式切换与导叶PID计算不在PLC同一个扫描周期进行，防止导叶PID模块出现数据紊乱、计算错误。

2）在功率给定增加、减小速率的程序段内新增选择模块，功率模式下功率给定模拟量速率仍设置为最大200 kW。开度模式下，改变功率给定模拟量增加/减小速率为1500 kW。即增加开度模式下功率给定爬坡速率，使调速器在开度模式下，上位机的功率给定模拟量能够快速跟随机组实时功率，减小模式切换瞬间的功率偏差。

3.2 程序修改后试验验证

程序修改后，机组在无水工况下仍按照2.1节所设计实验方案进行试验，实验结果正常，调试器控制模式切换过程中均未出现导叶大幅度波动现象（见图5）。

图5 控制模式切换试验

修改程序后开机并网，功率模式加减负荷，开度模式加减负荷后反复切换功率模式，调速器均工作正常（见图6）。

图6 程序修改后机组并网带负荷控制模式切换试验

4 结语

发电机组长时间过负荷运行会引起发电机过热，绝缘损坏，从而影响发电机的使用寿命。因此水电机组正常运行过程中均需投入过负荷水机保护。结合凌津滩电厂两台机组均出现过负荷事故停机过程，通过无水试验结果分析，得到模式切换过程中导叶PID计算异常导致导叶开度过大引起机组过负荷。通过进一步分析调速器控制程序找出导致导叶PID计算异常的原因是调速器控制程序中PID计算模块扫描周期和开度模式下功率反馈输入爬坡斜率两个参数设置不当。通过对程序的优化修改，该电厂机组未再出现过类似偶然事故，可以为其他灯泡贯流式机组类似故障的原因分析提供参考。