水轮机导叶位置传感器信号控制逻辑分析

2021-06-30翟玉杰艾远高

水电与抽水蓄能 2021年3期

翟玉杰，陈浩，艾远高

（三峡水力发电厂，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

水电机组导叶位置传感器反映了水轮机导叶开度的大小，决定了机组频率（转速），其信号可靠性对机组稳定运行起着至关重要的作用[1]。某巨型水电站安装有多台单机容量700MW的混流式水轮发电机组，调速器选用可编程微机调速器[2]。接力器位移经现地传感器采集，通过屏蔽电缆直接输入调速器模拟量采集模件，导叶位置传感器信号能快速直接反映接力器行程，换算得到的导叶开度值是参与调速器PID运算和控制的关键控制量[3]。该水电站调速器由多个厂家提供，有3种不同的调速器控制结构，其导叶位置传感器选择控制逻辑也存在差异。

1 “三选二”控制逻辑

目前，该电站左岸机组调速器控制器采用贝加莱X20系列PCC双机冗余系统，电液转换单元采用非对称结构，其中A机控制比例阀，B机控制步进电机，组成双电液转换器冗余结构。该机组共设置3套导叶位置传感器，分别为A套、B套、C套，3套导叶位置传感器都安装在接力器侧面，属于拉杆式磁致伸缩位移传感器，其中A套导叶位置传感器供调速器A机使用，B套导叶位置传感器供调速器B机使用，C套导叶位置传感器作为公共参考传感器使用[4]。调速器A、B机控制器接收到导叶位置传感器信号后通过A、B机通信互送导叶位置信号。C套导叶位置传感器信号通过二分器分别引入调速器A机和B机控制器[5]。这样每个控制器都收到3套导叶位置传感器信号，并通过“三选二”逻辑判断，用于确认调速器所收到的导叶位置传感器信号是否可信。“三选二”逻辑控制结构如图1所示。

图1 “三选二”逻辑控制结构图Figure 1 “Two out of three”logic control structure diagram

为表述方便，现将A套传感器采样值简写为A，B套传感器采样值简写为B，C套参考传感器采样值简写为C。调速器A机控制器使用A套传感器采样值，增加A机传感器故障判断，“三选二”判断逻辑框图如图2所示。

图2 某机组“三选二”逻辑框图Figure 2 “Two out of three”logic block diagram of a unit

在3个传感器都没有故障的情况下，|A-B|＜偏差设定值或|A-C|＜偏差设定值，则选择A套主用，若|A-B|＞偏差设定值或|A-C|＞偏差设定值或|B-C|＞偏差设定值进行传感器超差报警；|A-B|＞偏差设定值且|A-C|＞偏差设定值，则判断A套传感器故障，并进行A、B机控制器主从切换。在程序运算过程中，导叶开度信号仍然是A机控制器采用A套主接传感器信号作为主信号源，“三选二”的选择逻辑只对主信号源的可靠性进行判断，并不对模拟量输出结果进行综合计算。B机传感器故障判断逻辑与A机相同。

导叶位置传感器信号“三选二”判断逻辑，大幅提高了主用传感器的可信度，故障判断依据合理，对以往“二选一”逻辑提出了补充，但此判断逻辑需外加1套硬件予以配合，对3套传感器安装精度要求较高，后期维护和传感器校验工作量较大。“三选二”的选择逻辑只对主用传感器可信度进行判断，并不改变主用传感器的输出结果。传感器本体损坏后，仍需调速器A、B机切换来降低故障影响。

2 “高选”控制逻辑

该类机组调速器控制器采用GE公司3机冗余MICRONET TMR系列，电液转换单元采用双比例阀，组成双电液转换器冗余结构[6]。该机组共配备2套导叶位置传感器，分别为1号导叶位置传感器和2号导叶位置传感器，属于拉杆式磁致伸缩位移传感器，其中1号导叶位置传感器信号通过现地采集板FTM实现输入冗余，供调速器A机和C机103模拟量采集板使用，2号供调速器A机和C机104模拟量采集板使用，最后经控制器内部总线将1号和2号导叶位置传感器信号送至B机CPU，这样每个CPU都接收到两套导叶位置传感器信号，再通过判断逻辑选择出可靠的导叶位置传感器信号。“高选”逻辑控制结构如图3所示。

图3 “高选”逻辑控制结构图Figure 3 “High selection”logic control structure diagram

该机组每套导叶位置传感器信号输入采集板，首先通过调速器控制程序进行模拟量越限故障判断（电流型4～20mA），对于4～20mA模拟量通道，均可以采用越限判断[7]。这种方法比较简单、有效，但需要防止外部干扰影响判断的结果。其次，在调速器控制程序中对2套导叶位置传感器信号采样值采用高选逻辑，最终输出采样值较大的导叶位置传感器信号供3个控制器使用。为防止1号和2号导叶位置传感器信号采样值出现较大偏差，该调速器程序在进行两路信号高选时，增加了差值判断，即当1号和2号导叶位置传感器采样值偏差大于3%时，调速器报“1号、2号导叶位置偏差过大”，并将调速器切至纯手动模式，维持导叶开度不变，“高选”逻辑框图如图4所示。

图4 “高选”逻辑框图Figure 4 Logic block diagram of“high selection”

该导叶位置传感器信号选择判断逻辑简单，实现方式简便，信号输出结果由两套传感器“高选”获得，传感器不存在主备关系、完全对等，对于输入、输出冗余结构较高的控制系统，该选择逻辑可行。但如果其中一路传感器故障或传感器连杆滑块脱落时，调速器控制器会锁存故障前传感器采样值，并继续维持当前运行状态，直至2套传感器采样值偏差大于3%，调速器才切至纯手动模式。当2套传感器线性度较差或响应特性不一致时，“高选”逻辑输出结果会出现小幅跳变，尤其是在机组开机或停机等导叶快速变化过程中。

3 “一对一”控制逻辑

该类机组调速器控制器采用2套贝加莱2005系列PCC双机冗余系统，电液转换单元采用非对称结构，其中A机控制比例阀，B机控制步进电机，组成双电液转换器冗余结构。机组共配备2套导叶位置传感器，其中A套导叶位置传感器供调速器A机使用，B套导叶位置传感器供调速器B机使用，并对采样值进行差值与反馈变化速度判断[8]。“一对一”逻辑控制结构如图5所示。

图5 “一对一”控制结构图Figure 5 “One to one”control structure diagram

该机组每套导叶位置传感器信号输入调速器，首先由调速器控制程序进行模拟量越限故障判断（电流型4～20mA），其次控制器程序中还对每套导叶位置传感器信号采用差值与反馈变化速度进行比较，该差值为导叶给定与导叶位置传感器反馈值进行比较，同样，在调速器程序中增加了对导叶位置传感器信号采样值滤波及其波动异常的判断逻辑，通过上述方法，可以有效地判别出每套导叶位置传感器的运行情况。当判别出传感器本体损坏时，需调速器A、B机切换来消除故障传感器的影响，为防止此方法误判，一般将其条件放宽，但这会在一定程度上牺牲响应速度。“一对一”逻辑框图如图6所示。

图6 “一对一”逻辑框图Figure 6 “One to one”logic block diagram

4 导叶位置传感器信号故障分析

4.1 故障现象

电站某机组处于负载态功率模式运行，监控系统报：“机组接力器传感器A、B套偏差大”，随即复归。机组有功功率设定666MW，实际有功功率在647～671MW之间波动，趋势数据如图7所示。运行人员现场检查发现，A套导叶位置传感器连杆万向节轴套磨损，从紧固螺杆脱落，A、B套导叶位置传感器滑块位置出现偏差。

图7 导叶位置传感器连杆脱落趋势分析Figure 7 Analysis on falling off trend of connecting rod of guide vane position sensor

根据原机组导叶接力器位置传感器高选逻辑，当B套导叶开度小于A套时造成导叶开度保持不变，选取A套导叶开度值，此时进入PID运算的接力器位置反馈值大于实际导叶开度值，与功率给定与功率反馈值作差值后，再进入PID运算，功率模式下的PID框图如图8所示。当有功反馈大于有功功率给定，导叶进行回关时，而接力器位置反馈值不变，进入PID运算无法消除差值，导叶无法稳定，继续回关，直至有功功率给定大于有功反馈，综合接力器位置反馈值，进入PID运算后，开启导叶，而接力器位置反馈值保持不变，造成超调，当有功功率反馈大于有功给定，导叶又继续回关。反复来回调整，最终导致导叶开度波动，有功功率出现“拉锯”。

图8 功率模式下的PID框图Figure 8 PID block diagram in power mode

上述缺陷应急处理时，严禁切开度模式或电手动。因为当控制方式由功率模式切至开度模式或电手动模式后，调速器控制器认为导叶开度闭环仍然正常，结果当导叶回关时，B套导叶开度小于A套，造成导叶开度保持不变假象，开度给定与开度反馈差值一直存在，此时经PID运算后，导叶继续回关，而此时由于没有功率闭环的存在，导叶会持续回关，最终造成逆功率停机。当导叶打开时，B套导叶开度大于A套，此时高选逻辑会保证导叶正常动作，导叶开度进行调节时，会有回调可能，当导叶有回关趋势，且出现导叶开度拒动假象，最终会导致停机。