某大型水电站调速系统技术改造浅析

赵森林

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川省成都市 610000）

0 引言

某水电站位于四川省凉山盐源县和木里县境内，安装有6台单机容量为600MW的混流式水轮发电机组，调速器采用了南瑞SAFR-2000H型微机调速控制系统，电气部分（电调）主要由贝加莱公司PCC2005系列控制器、欧姆龙公司ZEN系列智能切换继电器、输入输出回路以及相应的电源系统组成，机械液压部分（机调）主要选用了BOSCH公司比例伺服阀作为电液转换单元，GE公司FC5000阀作为主配压阀，机械控制柜同时具备了电手动闭环操作功能、纯机械手动操作功能。整个控制系统电源回路、PCC控制模块、导叶传感器、电液转换单元等全部采用了双套冗余配置，属于并列冗余结构[1]，双套冗余切换是由智能切换继电器根据外部把手选择信号、故障信号按照设备健康程度自动进行整套切换。

1 问题的提出

调速器是水轮发电机组的核心设备之一，是重要的涉网设备，关系到水电站的安全稳定运行与优质电能的输出。电站水轮机额定水头为200m，最大水头为240m，具有单机容量大、水头高、稳定性要求高的特点，需要配套操作力矩大，克服较大的水体惯性的调速系统。由于水轮机调速系统是典型的非最小相位、非线性、时变特性的复杂控制系统[2]，调节过程易受多种因素影响，因此对调速系统事故的有效预防显得特别重要。目前“无人值班，远程集控”模式是水电站发展的重要方向[3]，可靠的自动化控制是实现无人值班、少人值守模式的重要基础。鉴于以上原因，根据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（以下简称《二十五项反措》）文件的相关要求，为进一步提高调速系统运行的安全性和可靠性，电站对调速系统进行了技术改造。

2 双套严重故障启动事故停机流程改造

调速器故障按照影响程度可分为一般故障和严重故障，调速器严重故障将可能造成机组异常调节或者不可控，对机组本身以及电网可能造成破坏性的影响。如双套导叶开度采样故障时，调速器导叶闭环反馈变为开环控制[4]，将导致机组异常调节；双套的电液转换单元出现故障，导致调速器机械随动无法执行控制命令；双套频率采样模块故障，所有的频率反馈消失，调速器无法根据频差进行频率闭环调节；双套PCC控制器失电或者死机时，调速器失去自动控制能力，无法进行故障判断与保护动作。而目前调速器上送监控LCU系统的DO信号中没有统一定义的严重故障信号，监控LCU系统无法进行有效判断与流程控制。

根据《二十五项反措》规定，完善调速器双套严重故障启动机组事故停机流程，在双套PCC控制模件的DO输出模块分别增加调速器严重故障输出点位，直接输出至LCU系统，并完善严重故障逻辑，当调速器空载态或者并网态时，LCU分别接收调速器双套严重故障信号后立即启动事故停机流程，进行紧急停机。双套严重故障启动机组事故停机流程见图1。

3 导叶开度信号冗余逻辑改造

导叶开度信号是水轮机调节系统的重要反馈信号[5]。正常情况下，调速器根据频率偏差通过PID参数计算出导叶开度给定并驱动比例伺服阀，控制主配压阀动作，调整导叶开度，使导叶开度时刻跟随导叶给定，形成有效的开度闭环控制。在其他电站曾发生过因导叶开度传感器滑块连接螺栓松动脱落而导致导叶开度信号反馈失真（开度反馈值在正常范围内，未故障报警），引起调速器调节异常，致使电网功率异常波动的事件[6]。为了防止因单个元器件故障而引起调速器异常调节的事件，进行了导叶开度信号容错逻辑改造。

3.1 改造思路

电站调速器导叶开度传感器采用了两套完全相同的德国ASM公司MPM2B4 系列外置式磁致伸缩位移传感器，实际配置结构为单套导叶位置传感器对应单套PCC控制器（见图2），导叶开度反馈故障的判断逻辑仅仅针对数据越限和断线故障，双套导叶信号之间没有可靠的数据比较与容错，无法实现故障传感器的判断和定位[7]。

图2 改造前调速器导叶测量信号配置图Figure 2 Configuration diagram of the guide vane sensor before transformation

为此，调速器双套PCC控制器通过调用PCC专门用于通信的AsIMA 库函数实现双机数据通信，将本套PCC的导叶信号通信至备套控制器，并在硬件上增加一路同型号导叶开度传感器，通过模拟量二分器分别上送至双套PCC控制器，由此，每套PCC控制器将接收三套导叶信号，形成单套控制器与开度信号“一对三”的硬件结构，改造后调速器导叶测量信号配置图见图3。

图3 改造后调速器导叶测量信号配置图Figure 3 Configuration diagram of the guide vane sensor after transformation

3.2 逻辑完善

相比直接获取的导叶信号来说，双套PCC控制器互相通信的导叶开度信号由于程序运行周期的影响，具有一两个扫描周期的滞后，不建议采用通信量作为控制量。整个导叶选择逻辑采用了原主用传感器信号为主、新增传感器信号为辅，通信的导叶信号作为容错判断量的原则，并采用多单元并联冗余系统“多数表决”[8]的方式，定位故障单元，剔除故障数据。以A套PCC控制器控制逻辑为例，对应的导叶开度信号容错逻辑（见图4）如下：

（1）正常情况下，当1号导叶开度传感器与2、3号导叶开度传感器开度偏差大于3%，且2、3号导叶开度传感器开度偏差小于3%，则认为1号导叶开度传感器偏差故障，以2号导叶开度传感器开度为主用控制量。

（2）当1号导叶开度传感器超限报警时，将以2号导叶开度传感器开度为主用控制量。

（3）当其中一套导叶开度传感器故障，其他两套导叶开度传感器开度偏差超过3%或者三套传感器任意两套开度偏差均超过3%时，进行调速器切机械手动操作，主配压阀自复中动作，保持当前开度，由维护人员进行进一步检查处理。

（4）当任意两套导叶开度传感器故障时，调速器报出导叶采样故障信号、双套严重故障信号，LCU将启动机组事故流程，有效保证了机组的安稳运行。

4 掉电停机改造

电站调速系统主配压阀原设计为掉电自复中逻辑，当调速控制柜电源回路全部断电，比例伺服阀处于保护位，自复中阀EV2 动作，压力油接通主配压阀复中腔，主配压阀阀芯处于机械中位，保持当前导叶开度。由于掉电自复中逻辑的存在，通过切机械手动把手切换，电磁阀EV2、EV3动作，主配压阀复中腔通压力油，自动控制液压回路被切除，电磁阀EV4、EV5可对导叶进行纯机械操作。根据《二十五项反措》中“大中型水电站应采用‘失电动作’规则，在水轮发电机组的保护和控制回路电压消失时，使相关保护和控制装置能够自动动作关闭机组导水机构”这一要求，对液压控制回路进行了改造。

图4 导叶开度信号冗余逻辑图Figure 4 The guide vane sensor signal redundancy logic diagram

4.1 改造过程

调速系统液压回路的改造应保留了原有主配自复中液压回路，保持了纯机械手动操作功能。主配液压回路采用两位六通多路液控换向阀HV作为紧急停机阀，通过紧急停机电磁阀EV6得电动作进行紧急停机，为了完成掉电停机功能，决定在紧急停机液压回路进行改造。在紧急停机液压回路中将原来的紧急停机电磁阀EV6，更替为紧急停机液控阀EV6，并增加液控单向阀HV1、紧急停机电磁阀EV9、掉电停机电磁阀EV7、掉电停机电磁阀EV8对液控阀EV6进行控制。当液控阀EV6失压动作将使紧急停机液控阀HV动作，主配压阀自复中腔、关机腔均通回油，实现主配控制接力器关闭导叶的功能，改造前后主配液压控制回路图见图5和图6。

4.2 掉电停机条件

液控阀EV6的失压动作的条件有两个：①EV9得电动作，该电磁阀将替代原电磁阀EV6的功能，由调速器电气控制柜、机械控制柜或者LCU直接控制，进行紧急停机；②电磁阀EV7、EV8同时失电动作，由于液控单向阀HV1的存在，任意一个电磁阀失电，将不会影响紧急停机回路，增加了系统的可靠性。

EV7、EV8电磁阀电源分别取至控制柜双套电源供电模块，当调速器机械控制柜全部失电，电磁阀EV7、EV8同时失电动作，主配阀芯处于关机位置，导叶关闭，并向LCU反馈停机阀动作信号，由LCU启动事故停机流程，双套掉电停机电磁阀的配置增加了调速系统的安全性。

5 注意事项

5.1 导叶率定问题

由于导叶开度信号偏差的要求较高，导叶率定时，应保证三套导叶传感器同时率定，操作导叶，在0～100%过程中取整点对三套导叶传感器开度信号进行对比，若导叶传感器本体线性度较差，应进行更换重新进行率定。率定完成后，应进行大的导叶扰动试验，检查检验三套导叶传感器之间的数据偏差情况，若偏差超过2%，应对偏差大的导叶传感器进行更换。

5.2 紧急停机后的恢复措施问题

系统掉电停机、双套严重故障停机试验时，由于调速器或者监控LCU直接作用于紧急停机液压控制阀HV，控制导叶快速关闭，直接切断调速器自动控制液压回路，恢复试验措施时，应确认调速器电气控制柜PCC模块接收到LCU系统的关机令（LCU执行事故停机流程时，调速器关机令稍微滞后），当机组调速器处于关机态，方可恢复措施，防止调速器未停机状态下再次开启导叶。

图5 改造前的主配液压控制回路Figure 5 The hydraulic control circuit of main distributing valve before transformation

图6 改造后的主配液压控制回路Figure 6 The hydraulic control circuit of main distributing valve after transformation

6 结束语

调速系统的几项技术改造在2015～2016年机组检修期间均已实施，并通过了中国电科院动态试验验证，到达了预期效果。这次改造能够进一步防止调速事故的发生及扩大化，提高水电站运行的安全性和可靠性，为无人值班（少人值守）运行模式打下技术基础。随着国家水电事业的发展，水电机组装机容量不断扩大，水电站自动化水平不断提高，对水轮发电机、调速器、励磁机的稳定性要求越来越高。本文针对调速系统的改造，希望能够对相关单位同行们有所帮助。