基于冗余方式的水轮发电机调速系统的可靠性提升

凌胜军

(国投甘肃小三峡发电有限公司，甘肃 兰州 730050)

0 引言

水轮发电机调速系统主要功能包括：自动调节水轮发电机组的转速，使其保持在额定转速允许偏差内运转，满足电网对频率质量的要求；使水轮发电机组自动或手动快速启动，适应电网负荷的增减、正常停机、紧急停机的需要；水轮发电机组在电力系统中并列运行时，调速系统能自动承担预定的负荷分配，使各机组能实现经济运行；满足转桨式、冲击式水轮发电机双重协联关系调节的需要；满足电网对水电站自动增益控制(automatic gain control,AGC)、一次调频等调节控制要求。调速系统与水轮发电机调节品质息息相关，关系到电网的供电质量及电网安全，很多水电站采用“无人值班(少人值守)”的运行方式，提高了对水轮发电机调速系统的可靠性要求。冗余配置是进行相同的重复配置或在功能上实现相同的目的而增加的配置，依靠冗余配置是提高调速系统可靠性的重要方式。冗余方式下，当一套设备故障时可切至另一套设备，不影响系统整体的运行。对调速系统的重要设备、装置、元件等各类部件设备进行两套或两套以上的配置，一套部件故障后切换至另一套运行，包括调速系统电源、电液转换、控制器、频率信号、开度反馈信号、压力油源。采用冗余方式提高水轮发电机调速系统的可靠性，部分冗余方式已广泛应用在水电站已[1-7]，调速系统主配压阀这种大功率元件的冗余也有少量的应用与研究。

1 电源冗余的可靠性

调速系统的电源消失将造成非常大的影响和损失。根据现行标准要求，当调速系统电源消失时，应能够实现“失电关闭”、“失电动作”、“失电停机”等功能，即当调速系统控制电源消失时，能够实现自动动作关闭导水机构。当机组处于发电运行状态时，水轮发电机调速系统因电源消失关闭导水机构，会对电网带来影响；同时，水轮发电机导水机构关闭而机组的出口断路器处于合闸状态，会造成机组调相运行。调相运行可能造成发电机损坏或电力系统不稳定，调速系统电源消失时向机组监控系统或保护设备发出信号作用于分开机组出口断路器，也易造成发电机过速的情况。因此，一定容量的水轮发电机调速系统的电源采用冗余方式。电源由一路交流、一路直流或两路直流电源组成。水电站的直流电源一般由整流设备或蓄电池组输出。整流设备或蓄电池组同时由多路提供，交流电源通常也取自不同回路，电站提供给调速系统的交直流电源较为可靠，较少发生电源同时消失的情况。调速系统电源消失一般是由系统内部短路、接地等故障引起的，应对调速系统内部电源设备的设计、安装、接线等引起重视。在电源设计中，采用接地、滤波、屏蔽、电路、分布式隔离等技术，以提高调速系统供电电源的可靠性。

正常情况下，由一路交流和一路直流组成的两套电源整流器中的高频整流模块并列运行。当其中任一路发生事故，或某一路电源故障、检修退出运行时。另一组整流器可单独运行。通过冗余方式配置调速系统的电源，互为热备用、无扰切换，任一路电源消失均不会对调速系统调节产生影响，提高电源的可靠性。

调速系统交直流冗余电源供电原理如图1所示。

图1 调速系统交直流冗余电源供电原理图Fig.1 Schematic diagram of AC/DC redundant power supply for governing system

2 电液转换冗余的可靠性

电液转换是将输出的综合电气信号转换成具有一定操作力和位移量的机械位移信号或一定压力的流量信号。机械位移信号或流量信号最终作用于接力器、导叶、桨叶，应用较多的电液转换有伺服比例阀、步进电机、数字阀等，各有其优缺点。以伺服比例阀的电液转换冗余方式为例。伺服比例阀是将输入的电信号转换为流量输出信号的电磁阀，其结合了伺服阀和比例阀的优点，既有伺服阀的高精度和高响应性，又有比例阀的电磁操作力大、抗油污能力较强等优点。伺服比例阀也存在控制器模拟电路产生的温飘和零飘，使得控制系统易受温度变化的影响；本身的非线性因素如死区、滞环等难以实现彻底补偿；但其整体性能仍然较为优良，在各种类型的水轮发电机调速系统中应用广泛。

伺服比例阀1和伺服比例阀2并列运行，压力油同时输入这两个伺服比例阀，两个伺服比例阀的输出至冗余伺服比例阀切换阀。冗余方式中，一套伺服比例阀为主用，另一套伺服比例阀为备用。主用具备实际输出功能，备用不进行实际输出。通过检测主用一套的伺服比例阀电液转换控制输入与导叶接力器位移、主配压阀位移的变化、大小及方向，来判断这套伺服比例电液转换是否正常。当检测到当前主用的伺服比例电液转换故障时，将另一套备用伺服比例电液转换器切为主用，切换时接力器的位移≤1%；同时冗余伺服比例阀切换阀动作，油路也切换至备用的伺服比例阀电液转换。电液转换是调速系统的重要部件，也是故障率较高的部件。通过伺服比例阀或其他电液转换元件的冗余方式，可提高调速系统电液转换的可靠性。

伺服比例阀电液转换冗余结构如图2所示。

图2 伺服比例阀电液转换冗余结构图Fig.2 Redundancy structure diagram of electro-hydraulic converter for proportional servo valve

3 控制器冗余的可靠性

水轮发电机调速系统控制器是调速系统的核心部件，完成调速系统的信号采集、数据运算、控制值输出及其他附加功能。可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)、可编程计算机控制器(programmable computer controller,PCC)因性能优秀、可靠性高等特点得到广泛的应用，尤其是PCC具有较强的测频精度、多任务功能。

控制器的冗余配置为热备方式，正常时一台控制器为主用控制器，另一台为备用控制器。只有主用控制器具有控制权。主用控制器进行实际控制输出，每台控制器对自己的模块和元件进行检测，两台控制器通过通信或电路进行主用、备用的切换并实时检测对方的状态。当备用控制器检测到主用控制器或元件故障时，备用控制器切为主用，即拥有控制权，冗余控制器切换引起接力器的变化应≤1%。这样，通过控制器的冗余配置，可大幅提高调速系统的可靠性。

4 信号冗余的可靠性

水轮发电机调速系统接入信号众多，包括水头、机组断路器、导叶与桨叶的开度信号、频率信号等，其中频率和开度信号更为重要。调速系统主要以频率和开度信号实现和判断开机、停机、调节等功能，对频率和开度信号的可靠性提出了更高的要求。

4.1 频率信号冗余可靠性

新机组首次启动、大修后的首次开机或长时间停机的机组开机这几种情况，TV测频可能不可靠，就需要使用齿盘测频。当机组与电网失步，齿盘测频也比较可靠；齿盘测频不受检修、停机的影响，但要求有较好的制造、安装精度及传感器的准确性。基于调速系统测频的重要性[8-17]，为提高测频的可靠性，通常采用冗余测频的方式，即一路TV测频、一路齿盘测频或者二路TV测频、二路齿盘测频。TV测频方式简单、技术成熟，正常情况下可作为主用测频方式。齿盘测频不受残压的限制，也具有较高的可靠性，具备零转速检测功能，可作为备用测频方式。实际应用中，在新机组启动、大修开机、长时间停机这几种情况下，采用齿盘测频方式，其他的使用情况采用TV测频。机组正常开机时，在励磁投入前采用齿盘测频方式，励磁投入后残压较高，测频较准确时采用TV测频方式，通过冗余测频的方式提高调速系统测频的可靠性。

4.2 开度信号冗余可靠性

开度信号即水轮发电机导叶[18-22]、桨叶接力器的位移量，是调速系统动作执行情况的依据，也是调速系统控制调节的体现和反馈，在调速系统的故障中占有较高的比例。为提高开度信号的可靠性，在大中型水电站较多采用冗余方式的开度信号，调速系统开度信号冗余中导叶、桨叶分别配置两个或两个以上性能参数完全相同的传感器，安装位置、安装方式也应一致，保证传感器输出的一致性。实际应用中，将一个开度传感器作为主用，另一个作为备用，并以主用作为导叶、桨叶位移的判断依据。当检测到主用传感器故障时，将备用传感器作为主用，或者将两个及两个以上的传感器综合计算作为导叶、桨叶位移的判断依据。当检测到某一个传感器故障，则不再将此故障传感器作为开度综合计算的判断依据。这样，通过冗余配置传感器的方式，可提高开度信号的可靠性。

5 压力油源冗余的可靠性

压力油源向调速系统提供稳定的操作介质。考虑到调速系统在水轮发电机中的重要性，也会对压力油源作冗余方式设计。当系统的压力油源消失，水轮发电机即处于失控的情况，尤其是压力油源快速消失时，对机组是极为危险的。因此，应保证调速系统正常一路油源消失时能够有稳定、可靠的冗余备用油源或事故油源接入调速系统，保证机组的正常停机或短时间的调节运行。压力油源的冗余一般只是功能上实现的冗余，冗余油源的容量、配置与正常的压力油源不同。冗余油源根据水轮发电机容量、所在电网的重要性等不同而配置，大容量的一台机组调速系统配置一套冗余油源； 部分机组由两台机组配置一套冗余油源，即两台机组合用的冗余油源；也有全厂所有机组配置一套冗余油源。压力油源正常时作为调速系统的操作介质，冗余油源在正常压力油源消失时作为操作介质，当检测到正常一路的油源压力较低时立即投入冗余的压力油源，并将原正常的压力油源从调速系统切除，通过冗余油源提供调速系统操作介质的可靠性。

6 主配压阀冗余的可靠性

主配压阀作为最后一级流量放大，由液压或行程来控制。阀芯上下二腔为主控制腔，分别与主接力器开启腔和关闭腔相连接，直接作用于接力器，带动水轮发电机导叶和桨叶的开启或关闭。阀芯中间腔为主配压阀操作油输入腔，与压油装置出口管路相连接。作为大功率元件，主配压阀可靠性较高，一般不太容易卡阻，冗余也较为困难，为保证机组安全，可通过事故配压阀或机组快速闸门实现可靠停机。一般使用中经过较长时间主配压阀有磨损的情况，可考虑整体更换。

7 结论

冗余即重复配置系统的一些部件、设备。当这些部件或设备发生故障时，冗余方式配置的设备能够介入并承担工作，减少故障时间。根据水轮发电机调速系统的重要性和调速系统各环节的故障情况，在供电电源、控制器、电液转换、测频信号、开度信号方面有必要采用冗余配置的方式。压力油源可根据机组容量、重要性作冗余配置，在巨型水电站还应采用更多的冗余方式，如电源、电液转换、开度信号等使用两个及两个以上的冗余方式，或对其他调速系统的设备采用冗余方式，以提高调速系统的可靠性，以及水轮发电机组的可靠性。