巨型水轮机调速器主配电气中位整定关键技术研究与应用

涂 勇，陈自然，陆劲松，李志祥

（向家坝水力发电厂，四川宜宾644612）

0 引 言

水力发电过程中，水轮发电机组调速器控制系统需要精准完成机组的转速调节、开度调节、功率调节及工况轮转控制等重要核心任务［1］，其通过控制接力环旋转动作来控制水轮机导叶开度，实现调节通过水轮机蜗壳水流流量的目标，最终使被控对象的电能质量关键指标，即频率和有功输出满足电网要求［2］。调速器调节性能好坏与电网能否安全稳定优质运行密切相关。特别是800 MW 单机大容量机组，一旦水轮机调节系统调节品质不佳，将严重影响电网电能质量。如何保障巨型机组安全稳定运行是一个值得关注和研究的课题［3］。为提升调速器控制系统的调节控制性能和品质，增强调速器纠错容错能力，科研小组对调速器液压随动系统进行了深入研究。通过建立数学模型，提出了静态和动态平衡理论，在明确主配频繁调节原因的基础上探索出了主配电气中位自动诊断方法、自动整定方法、直接整定方法及改进型直接整定方法等一系列可精确快速整定主配电气中位的技术方法，并将其成功应用于调速器现场检修作业。现场测试和投运效果表明，该技术方法有效解决了调速器系统主配频繁调节这一长期困扰调速专业的现场难题。

1 主配频繁调节问题简介

当机组导叶开度给定值稳定不变时，实际导叶开度在调速器调节稳定后出现持续增大或减小趋势，调速器主配出现周期性单方向调节，若主配调节周期小于某一阈值，则将这种现象称为主配频繁调节现象［4］。

为了从理论上对控制系统进行定性的分析和定量的计算，首先要建立系统的数学模型［5］。经对调速器液压跟随系统进行数学建模，深入研究，发现该现象与以下两个因素有关［4］：①比例阀电气中位未整定准确；②主配压阀电气中位未整定准确。

主配频繁调节问题会导致调速器出现一系列设备问题，严重影响机组正常运行。若在机组处于并网运行状态情况下，让设备维护人员处理该问题，将面临很高的风险，但如果将机组解列或停机处理，又不可避免会导致水电站弃水，从而影响整个电站的发电效益和经济指标。

2 主配电气中位自动诊断及整定技术

从根源入手，对调速器液压随动系统进行专项研究，探索出一种调速器主配中位自动诊断及智能整定方法［4］。该方法不仅广泛适用于使用比例阀、主配作为电液转换和液压放大环节的水轮发电机组，通过技术升级，也适用于采用其他装置作为电液转换和液压放大环节的水轮发电机组。该方法可广泛应用于机组停机检修时，调速器主配电气中位的自动整定。

2.1 主配电气中位整定原理

调速系统液压随动系统由电液转换元件、液压控制元件和执行元件等组成［6］。为了使控制系统的表示既简单又明了，在控制工程中一般绘制控制系统的框图进行分析研究［7］。水轮机调节系统是一个闭环系统，水轮机控制系统自身也是一个闭环系统［8］。采用闭环控制的系统框图如图1所示。

图1在导叶开度控制模块输出的主配位置给定M给定叠加一个主配试验信号M试验，用以调速器电气控制系统自动测量主配动作死区，未进行主配动作死区测量时，M试验=0。

设主配电气中位设定值为M中，△Y为Y给定和Y之差，开度死区为Y死区，主配死区为［M关，M开］，M关＜0 且M开＞0。当调速系统Y给定稳定不变，系统静态平衡时，比例阀阀芯位置设为B0平衡。比例阀死区很小，故可以理想化处理，缩小成一个点，设比例阀的实际中位为B0实际。

当系统处于静态平衡状态时，以下公式关系成立：

由公式（1）～（6）可以得到：

由式（7）可以发现，当系统处于静态平衡状态时，若比例阀中位已设定准确，进行主配动作死区测量，M会跟随M试验，否则，M为0，物理含义为电气控制系统将主配压阀阀芯位置调节到主配电气中位。

当M中未准确整定时，就会导致主配位置M∉［M关，M开］，此时Y开始变化。当M＜M关时，Y开始减小；当M＞M开时，Y开始增大［4］。

当︱Y给定-Y︱＞Y死区时，系统所处的静态平衡状态会被打破，调速器电控系统开始驱动比例阀、主配以及接力器动作，将Y调节至Y给定附近位置，当︱Y给定-Y︱≤Y死区时，系统又重新进入静态平衡状态。

在调速器液压随动系统主配电气中位偏移的持续影响下，整个过程持续循环进行，这就是调速器液压随动系统的动态平衡。主配电气中位的漂移情况越严重，这个过程的周期就越短，调速器主配及导叶调节就越频繁。

为了解决调速器液压随动系统主配和比例阀中位偏移，设定不准确的问题，就需要实时对调速器主配和比例阀电气中位进行自动诊断和智能整定。

自动整定主配电气中位方法就是确定主配开关向死区临界点对应的主配位置反馈通道值M开和M关，或者通过自动改变M中，找到使导叶具有关和开趋势的对称调节周期点M1和M2，取其中间值作为M中。

2.2 主配电气中位自动诊断方法

系统自诊断功能：系统发生故障时能及时做出判断，并发出报警信号，给出故障产生原因的推断［9］。科研小组基于主配电气中位整定原理，探索出一种基于液压随动系统动态平衡理论的自动诊断方法，步骤如下：①采集M给定，Y给定等变量参数；②检测主配电气中位偏移判据条件是否满足：当系统开度给定保持不变时，阈值T大于系统主配位置给定的调节周期。在系统中位设置合理的情况下，调节周期通常还与Y死区大小和水轮机接力器漂移速度的快慢有关，基于系统运行应用工况需求，T设定值大于或等于20 s；③若符合，则诊断环节完成，进入自动整定环节；若不符合，返回①。

2.3 主配电气中位自动整定方法

根据2.1 中主配电气中位整定原理，可以找到一种基于液压随动系统动态平衡的调速器主配电气中位自动整定方法，步骤如下：①实时采集M，Y等数据；②检测当∣M∣≤ε稳定不变时，Y的变化趋势；③若Y逐渐减小，则M试验以M给定的最高单位精度j为步长，逐渐增大；自动判断Y开始不变和开始增大的临界点，将临界点的主配位置反馈通道值M通记录为主配的关方向动作死区M关和开方向动作死区M开；④若Y逐渐增大，则M试验以M给定的最高单位精度j为步长，逐渐减小；自动判断Y开始不变和开始减小的临界点，将临界点的主配位置反馈通道值M通记录为主配的关方向动作死区M开和开方向动作死区M关；⑤将M中设为（M关+M开）/2，即完成了调速器主配电气中位自动整定，返回主配电气中位自动诊断环节。本方法示意图如图2所示。

2.4 主配电气中位改进型自动整定方法

实际应用中，由于导叶开度传感器测量精度不够，测量值会出现来回小幅往复跳变情况，很难准确判断Y变化趋势。为此，基于主配电气中位整定原理，在主配电气中位自动整定方法的基础上，探索一种主配电气中位改进型自动整定方法，步骤如下：①采集Y给定，M给定等变量参数；②检测当液压随动系统Y给定保持稳定不变时，计算调速器电控程序中M给定的调节周期；③若阈值T大于主配调节周期，且主配为关方向调节时，则M中以最高单位精度值为步长逐渐减小，且调整周期与主配的调节周期成正比例；若阈值T大于主配调节周期，且主配为开方向调节时，则M中以最高单位精度值为步长逐渐增加，且调整周期与主配的调节周期成正比例；④检测M给定调节周期是否满足以下判据，若M给定调节周期增大过程中首次大于阈值T′时，记录此时M中的值为M1；若M给定调节周期减小过程中首次小于阈值T′时，记录此时M中的值为M2；若未确定M2则返回步骤①；⑤将M中设为（M1+M2）/2，即完成了调速器主配中位自动定位，进入比例阀电气中位漂移自动诊断环节。

调速器电控程序中M中调整步长越小，调整速度越慢，调整周期就越长，测量计算M给定调节周期的结果就越精确，从而M中的整定结果更精确，离主配电气中位实际值就越接近。本方法示意图如图3所示。

2.5 主配电气中位直接整定方法

调速器电气部分检修过程中，需要整定校核主配电气中位参数设置是否准确，基于主配中位整定原理，结合调速器现场检修需求，探索出一种无需调速器主配中位诊断，直接进行主配电气中位自动整定的方法，步骤如下：①调速器主配电气中位根据主配机械中位初设；②采集M给定，Y给定等变量参数；③检测当液压随动系统Y给定保持稳定不变时，计算调速器电控程序中M给定的调节周期；④以M中最高单位精度值为步长，周期性增加M中，若M给定调节周期减小过程中首次小于阈值T’时，记录此时M中的值为M1，M中返回主配电气中位初设值；⑤以M中最高单位精度值为步长，周期性减小M中，若M给定调节周期减小过程中首次小于阈值T’时，记录此时M中的值为M2；⑥将M中设为（M1+M2）/2，即完成了调速器主配中位自动定位，整定完毕。

调速器电控程序中M中调整步长越小，调整速度越慢，调整周期就越长，测量计算M给定调节周期的结果就越精确，从而M中的整定结果更精确，离主配电气中位实际值就越接近。本方法的示意图如图4所示。

2.6 主配电气中位改进型直接整定方法

主配电气中位直接整定方法实际运用过程中，M中调整周期越长，整定耗时越长；M中调整周期越短，M中整定结果准确度越低。为减少整定时长，同时提高整定结果准确度，根据2.1 中主配中位整定原理，在2.5 主配电气中位直接整定方法的基础上，结合实际应用情况，找到一种主配电气中位改进型直接整定方法，步骤如下：①调速器主配电气中位根据主配机械中位初设；②采集M给定，Y给定等变量参数；③检测当液压随动系统Y给定保持稳定不变时，计算调速器电控程序中M给定的调节周期；④以M中最高单位精度值为步长，周期性快速增加M中，若M给定调节周期减小过程中首次小于阈值T′，然后周期性慢速减小M中，若M给定调节周期减小过程中首次大于阈值T″时，记录此时M中的值为M1，M中返回主配电气中位初设值；⑤以M中最高单位精度值为步长，周期性快速减小M中，若M给定调节周期减小过程中首次小于阈值T′，然后周期性慢速增加M中，若M给定调节周期减小过程中首次大于阈值T″时，记录此时M中的值为M2；⑥将M中设为（M1+M2）/2，即完成了调速器主配中位自动定位，整定完毕。

快速调整M中阶段，适当减小调整周期，可以缩短整个主配中位整定过程消耗时长。

慢速调整M中阶段，适当增大调整周期，可以提高主配调节周期的测量精度，最终整定结果越接近主配电气中位实际值。本方法的示意图如图5所示。

3 主配中位自动诊断及整定功能开发

3.1 人机界面设计

人机界面一般用于同PLC 等控制器进行信息通讯，用于显示控制器中采集或计算出的数据，并把需要控制的设定数值或设备的开关信号送入PLC 等控制器中［10］。触摸屏画面设计见图6。

3.2 主配电气中位自动诊断及整定功能软件设计

根据主配电气中位自动诊断和整定方法，绘制软件设计流程图如图7所示。

实际应用中，由于很难准确判断Y变化趋势，为此探索了一种改进优化的方法，即对称确定使M给定互为反向，M给定调节周期均为T′的主配位置反馈中位值M1和M2，取其中间值作为M中。优化改进后，软件设计流程图如图8所示。

3.3 主配电气中位直接整定功能软件设计

根据2.5 中一种主配电气中位直接整定方法，绘制软件设计流程图如图9所示。

为减少整定时长，同时提高整定结果准确度，根据2.6 中一种主配电气中位改进型直接整定方法。绘制软件设计流程图如图10所示。

4 现场应用测试

调速器增加主配电气中位整定功能后，进行现场试验并对试验数据进行分析。

4.1 试验过程

将试验机组调速器控制方式切为电手动运行方式，比例阀和主配、接力器作为执行机构，完成比例阀中位调整，并已准确设定比例阀中位。导叶开度开至40%，模拟机组并网负载态，强制输入机组转速50 Hz信号，开度给定值保持稳定不变，主配电气中位根据主配机械中位设定为16 595 后，进行试验，M中调整周期初始阶段为1 s，在整定过程中M给定调节周期小于T′后，调整为M给定调节周期，T′设为10 s，T″设为30 s，M给定调节周期初始值为25 s。

4.2 试验数据

试验波形图见图11。图11中，蓝色为M给定调节周期曲线，红色为M中曲线。

4.3 试验分析

由图11可见，第19.1 s，启动整定功能，M中以每1 s增加1个码值的速度变化，第154.7 s检测到T′大于主配调节周期后，M中以主配调节周期为周期，1 个码值为步长，逐渐减小，实时计算主配调节周期，直到第605.5 s，阈值T″开始小于主配调节周期，记录M1为16 689，M中恢复初设值16 595，然后M中以每1 s 减小1个码值的速度变化，第949.9 s检测到T′大于主配调节周期后，M中以主配调节周期为周期，1 个码值为步长，逐渐增加，实时计算主配调节周期，直到第1 527.7 s，阈值T″开始小于主配调节周期，记录M2为16 324，主配电气中位最终的整定计算结果为16 506，整定结束。M中调整周期越长，最终试验结果越精准。

5 结 语

本技术成果革新了调速器检修作业方法，替代了人工，实现了自动化作业，根本解决了机组运行中，调速器主配和比例阀中位整定不准确导致的主配频繁调节问题，提高了调速器智能化水平，实现了容错机制，提高检修作业精度和检修效率，为实现精益检修，推动水力发电科学技术进步，提高设备运行稳定性和可靠性，避免缺陷处理导致电站弃水和机组等效可用系数下降做出了贡献。同时，对于提高发电效益，避免因设备问题导致发生电网停电等影响社会民生的电力事故也有积极和深远的意义。