浅谈某水电站调速系统优化改造

陈玉春，李其源

（1.黑龙江省龙保水电检修安装有限公司，黑龙江 牡丹江 157000；2.国能大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 雅安 625304 ）

1 引言

水电作为我国能源产业的重要组成部分[1]，不仅承担着发输电量的职责，还对我国电力系统的安全稳定运行有着重要的作用[2-3]。水电站作为重要的电力基础设施，保障设备的稳定运行以及供电的可靠性是其天然的使命，故而水电站对其控制系统均有较高的要求。水轮机调速器作为直接控制水电站电能质量的重要环节，其基本任务是通过调节发电过程中水轮机消耗水能与发电机输出电能的平衡，实现对机组输出电能频率的精准调控，即通过一次调频保障电网运行的稳定[4]。

随着近代科学技术的飞速发展，电力系统对于电能质量的需求越来越高，老旧设备难以满足电站、电网对于安全稳定运行的要求。如何通过提升设备的自动化、信息化、智能化程度，使其满足当前电力系统安全稳定运行的要求，是当前在运电站所需面对的一道难题。故而，本文以某电站调速系统升级改造项目为例，对其改造过程以及改造前后系统性能进行探讨，以期总结经验提供参考。

2 调速系统现状

2.1 水轮机调速系统基本作用

水轮机调速系统作为水电机组的重要组成部分，其基本作用如下：

（1）通过自动调节机组的转速，使其稳定运行在额定转速允许偏差范围内，以满足电网对于发输电能的频率质量要求。

（2）通过手动、自动方式实现机组正常或事故情况下的启停。

（3）在并网情况下，结合电网负荷波动情况，自动承担系统分配的负荷，保持机组处于经济运行状态。

（4）满足不同类型机组导叶、桨叶的协联关系。

2.2 调速系统改造前存在问题

2.2.1 硬件部分问题

（1）主配压阀

由于导叶、桨叶安装工艺不规范及透平油杂质的影响，主配磨损严重，漏油量较大，控制油压下降快，造成调速器油压系统油泵频繁启停、调速系统温升较大等事故隐患，将进一步引起调速系统机械密封加速老化、机组运行工况不稳定等故障。

（2）可编程逻辑控制器

调速系统具有3套可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），其中 A、B 套采用施耐德PLC，C套采用西门子PLC，显示屏为日本光洋触摸屏。由于PLC系统版本较低，且A、B套与C套品牌不同，实际运行过程中存在程序通用性差、通信维护困难、程序运行故障等情况，常导致触摸屏死机，甚至出现过触摸屏死机导致桨叶主配抽动的情况。

（3）控制回路

控制回路作为机组接收动作指令的关键路径具有重要的意义，其动作的可靠性是机组稳定运行的重要保障，改造前机组控制回路如下：

1）调速器导叶、桨叶均采用数字阀进行控制，通过比例阀控制板将PLC控制信号放大后送至机柜导叶、桨叶数字阀从而实现对导叶、桨叶的控制。

2）PLC仅具备一个开关量控制输出DO模块和一个模拟量控制输出AO模块，即最多输出16个开关量控制信号和4个模拟量控制信号。进行调速器试验时，需要在电柜中串接或并接传感器信号，存在接线错误导致设备损坏的风险。

3）调速器开机令、增减有功功率等控制信号由调速器远方控制方式闭锁，主要通过监控系统接收调速器信号的远方公共端实现闭锁。

4）调速器紧急停机令、急停复归令由监控系统开出经调速器电柜端子直接下发至调速器机柜急停电磁阀。

2.2.2 软件部分问题

（1）导叶、桨叶测量功能

调速系统现有的3个导叶/桨叶开度传感器分别单独送至A、B、C套PLC，然后通过A、B、C套之间的通信实现导叶/桨叶开度的故障判断。若A、B、C套PLC之间通信异常，则难以正确判断导叶/桨叶开度异常状况。

（2）频率测量功能

调速系统现有3个齿盘测频信号分别送至A、B、C套PLC，而残压测频信号则来自同一机端PT，即残压测频信号均采自发电机1YH处电压信号。若机端1YH二次空开跳闸或故障，将造成调速器A、B、C套PLC残压测频信号消失。

（3）甩负荷判断功能

调速系统对于机组甩负荷判断的唯一依据是机组出口开关合闸信号消失，若机组出口开关合闸信号抖动，调速系统易将其判断为甩负荷状态，从而造成机组甩负荷或溜负荷事故。

（4）调速器停机流程

调速器现有停机程序要求调速器在接收到停机令后，以每100 ms减少2%导叶开度给定的速度关导叶，故调速器开度给定从机组空载开度（随水头变化，约14%）减至全关状态，仅不到1 s的时间，导叶实际开度从空载开度至全关用时约5 s。而调速器导叶关闭速度过快，易导致转轮室真空度过大，从而造成机组抬机，甚至造成水轮发电机的损坏。

3 调速系统改造方案

3.1 硬件部分

（1）主配压阀

通过将现有主配压阀更换为同型号的导叶/桨叶主配压阀，强化安装工艺，确保主配处于中心位置，避免运行中的扭力和磨损，从而减少主配漏油量。

（2）可编程逻辑控制器

将调速系统A、B、C套PLC均更换为施耐德最新型号，在3套PLC之间实现相互通信，形成冗余控制系统。增加交换机集成通信，设置通信管理机以加强与监控系统之间的通信，提高了与监控系统之间的通信质量。

图1 设备网络通信结构（以太网）

（3）控制回路

针对控制回路现状进行优化改造，从而提升其动作的可靠性，防止设备误动，具体方案如下：

1）调速器导叶、桨叶均采用比例阀进行控制，使其由PLC输出的模拟量控制信号AO直接进行控制，减少了中间环节，提高了控制的可靠性。

2）将PLC开关量控制输出DO模块由16个开关量控制信号增加至32个开关量控制信号，并将模拟量控制输出AO模块由1个模块增加至4个模块，最大可同时输出16个模拟量控制信号，大大增加了输出回路数量。

3）对调速器开机令、开导叶令、关导叶令等控制信号的闭锁方式进行优化，调速器电柜“远方”把手及监控系统接收调速器信号的远方公共端均可闭锁，从而保障调速器安全措施的可靠性。

4）令调速器紧急停机令、急停复归令由监控系统开出后需经过调速器电柜急停阀动作继电器接点，再实现对调速器机柜急停电磁阀的动作或复归。且当急停阀动作后，急停阀动作继电器接点方可接通监控系统复归令的控制回路，此时才能对急停阀进行复归。

3.2 软件部分

（1）导叶、桨叶测量功能

为避免3套PLC之间通信异常导致的导叶/桨叶开度判断困难问题，通过增加导叶/桨叶开度三选二功能来保证运行稳定。调速器A、B套PLC分别接入A、B套独立的导叶/桨叶传感器信号作为各PLC的第一路导叶/桨叶反馈信号；调速器A套和B套控制器独立采集的导叶/桨叶信号通过双机通信互相读取为A、B套第二路导叶/桨叶反馈信号；第三套传感器通过信号隔离器一分为三，作为A、B套的第三路反馈信号，结构如图2所示。

图2 导叶信号接入结构示意图

导叶/桨叶三选二功能反馈逻辑判断如下：优先第一路导叶/桨叶反馈信号Y1为主用，其次是第二路导叶/桨叶反馈信号Y2为主用；第三路导叶/桨叶反馈信号Y3用于其它两路反馈比较及作为C套反馈使用，A、B两套PLC将这3路导叶/桨叶信号作为三冗余信息进行三选二程序逻辑判断处理，门限值为ε1，△Y1、△Y2、△Y3分别为3路信号的两两差值。图3为A套PLC判断流程。

图3 逻辑示意图

（2）频率测量功能

增加测频三选二功能：A套和B套PLC各接入两路独立残压和一路齿盘测频信号，A套和B套两路残压和一路齿盘测频整形器分别独立，这样A套和B套PLC可以采集独立的3套测频信号进行三选二逻辑判断。

机组在空载工况下：3路测频信号以本机1号残压测频F1为主用；当F1故障，采用本机2号残压测频F2为主用；当残压测频F1、F2都故障，采用齿盘测频F3为主用；3路测频信号均故障，则调速器此时自动停机或返回最小空载开度值。

机组在负载工况下：3路测频信号都正常的情况下，以三取中间值为逻辑判断；当第一路残压故障时，以第二路残压测频为主用；当齿盘测频故障时，以两路残压测频中的较小值为主用；当有两路测频故障时，本机退出主用权（图5）。

图4 测频信号接入结构

图5 负载工况下测频信号逻辑

（3）甩负荷判断功能

将调速器判断机组甩负荷判断逻辑改为：机组出口断路器合闸信号消失+机组频率大于 50.1 Hz。即：从机组甩负荷实际情况进行考虑，机组甩负荷后，机组频率必定会升高，两个判据同时满足则必定为机组甩负荷。

（4）调速器停机流程

为避免停机过程中的抬机现象，修改调速器停机程序为在接收到停机令后，以每3 s减少2%导叶开度的速度关闭导叶，从而延长调速器关机时间，进而减小转轮室的真空，避免发生抬机现象。

（5）部分逻辑优化

除上述对于现存问题的改造外，还对其余尚存完善空间的逻辑进行优化，具体如下：

1）一次调频功能：将原机组一次调频功能全部由调速器控制程序实现改为由监控系统AGC程序和调速器程序共同完成，即监控系统和调速器系统均有一次调频程序段，互相配合调整，共同完成机组一次调频功能。

2）调速器过负荷关导叶逻辑：调速器负荷超过103%Pn时，导叶开度向下关5%，当机组有功功率降低5%Pn后，过负荷报警复归。机组过负荷动作至过负荷报警复位前，调速器只允许自动执行一次减导叶开度操作，避免过负荷连续关导叶造成溜负荷。

3）调速器溜负荷程序：调速器负载状态下，将调速器最小空载开度定值由 12%调整为13%。即发电机未解列的情况下，调速器判断故障后，将导叶压至最小空载开度13%，既减少负荷过大对发电机造成的伤害，又避免调速器有功进相运行造成逆功率保护动作跳机。

4 调速系统改造效果

调速系统自改造完成后，运行稳定可靠，相关性能均有所提升，证明了本次改造的有效性。

4.1 主配压阀

主配压阀经过更换后有效降低漏油量，减少调速器油压系统油泵启停频率以及调速系统温升，导叶/桨叶主配回油量如表1所示。

表1 导叶/桨叶主配回油量

4.2 甩负荷判断功能

改造后，调速器进入甩负荷程序相较改造前会慢0.1 Hz的上升时间，但通过双判据有效减少了机组调速器甩负荷误判的可能性。图6为机组分别甩25%、50%、75%、100%负荷时的变化曲线图，其中曲线1为频率变化曲线，曲线2为导叶开度变化曲线，曲线3为机组出口断路器开关量变化曲线。

图6 机组甩负荷变化曲线

4.3 调速器停机流程

对调速器程序进行修改后，实现了对调速器关机时间的延长，且使得导叶开度变化曲线逐渐平滑，图7为改造前导叶开度变化曲线，其中曲线1为调速器导叶开度给定，曲线2为调速器导叶实际开度；图8为改造后导叶开度变化曲线。

图7 改造前导叶开度变化曲线

图8 改造后导叶开度变化曲线

5 结语

水轮机调速器是水电站重要的控制设备之一，其运行的稳定性与可靠性是电网安全可靠运行的重要保障，故而提升设备的自动化、信息化、智能化水平是未来满足电网对于安全稳定运行要求的必经之路。