某大型水电站调速器负荷波动分析及应对策略探讨

李士哲，韩冠涛

(雅砻江流域水电开发有限公司锦屏水力发电厂，四川 西昌 615000)

某大型水电站位于四川雅砻江上，以发电为主，兼具蓄能、蓄洪和拦沙作用。是雅砻江中游龙头梯级电站，电站装设6台600 MW混流式水轮发电机组，总装机容量为3 600 MW。

该电站水轮机控制系统采用微机型调速系统。其微机调节器部分采用了贝加莱公司的PCC2005控制器为核心，机械液压部分则选用了BOSCH公司的比例伺服阀作为电液转换单元，GE-5000作为主配压阀，电源、控制模块、传感器、电液转换等全部采用了双冗余配置，且采用了第三方智能切换模块作为仲裁判断，软件部分则采用了专有的改进型并联PID算法。调速器控制系统框图如图1所示。

图1 调速器控制系统框图

1 概 述

调速器转入“发电态”后，处在开度模式，调速器的当前调整目标为导叶开度给定。此时的导叶开度给定=空载开度Ynld+主环YPID+Pgv[1]。其中，空载开度Ynld为预设的定值，其大小和水头自动成一一对应的关系。主环YPID，为频率主环的计算输出；机组并网后，机频和网频同步，其数值和频率给定(发电下，自动为50 Hz)的偏差，若频率波动不大，一般在设定的人工失灵区(频率死区)以内，则在死区之后的频差为0，此时的主环为具有调差bp的负反馈闭环环节，所以输出的YPID为0%[2]。

导叶给定还有一个重要的变量为Pgv(脉冲开度给定)，该数值来自监控系统的功率调节模块。监控检测自身的功率反馈和功率给定(功率设定)之间的偏差，在监控功率调节(P调节)投入时，计算该偏差，输出响应的脉冲增加或减少[3]。调速器收到该脉冲后，根据其脉宽(一个脉冲的持续时间)的长短，与之对应形成一个开度累积量，即Trp。

该过程，对调速器而言是一个脉冲式的积分过程，积分公式为Pgv=Pgv±Trp。其中，Trp一般设置范围为1%/s ～5%/s。需要指出的是，调速器为了防止脉冲粘连，Trp的累积只在2 s钟内有效，超过2 s后的脉冲失效。在2 s内，累积的速度和脉冲时间成正比。举例说明，调速器Trp目前一般设置为2%/s，如果脉冲为2 s，则2 s内累积4%，0.5秒累积1%，3 s依然是4%。

由此可见，在开度闭环模式下，如果机组调整功率，调速器此时是监控大功率调节下的一个开度执行环节。只对开度给定负责，不对功率负责。在监控的功率调节下，监控通过脉冲的增加、减少而改变调速器的Pgv，从而改变调速器的导叶给定[4]。调速器通过导叶副环的PI环节，对导叶开度反馈进行控制。从而改变机组有功，机组有功监控采集后，再次和其功率设定比较，如此形成循环有功调节控制[5]。

该模式下，如果网频波动较大，同时机频也波动较大，当频差超过频率死区后，一次调频动作，这时该频差(减去死区后的部分)送入主环PID进行计算，输出YPID发生变化，从而改变导叶给定和导叶开度。当频差在频率死区以内时，一次调频复归。同时，由于调差bp的负反馈作用，主环PID输出也逐渐变为0，因频率变化形成的开度给定偏差消失，恢复到调频动作前的开度给定和导叶开度。

故对于调速器控制系统而言，调速器导叶给定受空载开度Ynld、主环YPID和Pgv影响较大，同时由于调速器控制系统导叶反馈完成大闭环[6]，因此，导叶反馈的准确性也会影响到调速器负荷的稳定。

2 调速器负荷异常波动原因分析

2.1 故障现象

2019-07-30T03:12:57 CCS“5号机组调速器A套水头采样故障”、“5号机组调速器B套水头采样故障”、“5号机组调速器A套尾水水位测量故障”、“5号机组调速器B套尾水水位测量故障”、“5号机组有功设定值与实测偏差大于12 MW报警”、“5号机组调速器及其油压装置可用退出”、“5号机组调速器调节器B套总故障”、“5号机组调速器调节器B套功率给定模入故障”、“5号机组调速器调节器A套功率给定模入故障”、“5号机组调速器A套总故障”、“5号机组调速器A套功率给定超差故障”、“5号机组调速器B套功率给定测量故障”、“5号机组调速器B套功率给定超差故障”。5号机组调速器有功由570 MW升至625 MW后下降至525 MW，最后恢复至正常570 MW，A套水头由229 m降至167 m后升至208 m再升至正常229 m，B套水头由229 m降至153 m后升至212 m再升至正常229 m，5号机组导叶开度由72.85%上升至78.53%后下降至66.15%，后恢复正常72.5%；随后将5号机调速器水头切为人工水头，防止再次出现负荷波动。

2.2 数据波形过程分析

03:12:57调速器A套水头由229 m变化到167 m，调速器空载开度随之增大，根据协联曲线，空载开度应增大5.8%，从而使导叶给定增加，导叶开度由72.85%上升至78.53%，机组有功上升至625 MW。当机组有功增大至610 MW时，监控有功调节自动解除闭锁，将机组有功减至552.7 MW，并开始回调，此时调速器计算水头恢复至208 m，调速器空载开度随之减小，导叶给定减小，机组有功进一步减小；在空载开度和监控闭环调节的共同作用下，机组有功减小至521.6 MW后逐步稳定在573.4 MW。调速器开度模式下，有功给定跟随有功反馈，监控测量机组有功最大至到达629.6 MW，考虑采样通道偏移因素，有功给定值可能超过630 MW，满足有功给定越高限报警条件(>630 MW)，因此报有功给定故障。有功给定偏差报警条件为A、B套偏差大于30 MW，以A套为例，因B套功率给定值为通讯值，存在延时，加之有功波动变化太快，导致偏差故障报警。有功波动波形曲线见图2。

图2 有功波动波形曲线

2.3 调速器负荷异常波动原因分析

1)水位传感器故障。因4个水位变送器同时发生变化，可排除水位传感器故障原因。

2)测压管路堵塞引起。蜗壳进口水位变送器测压管路堵塞将导致水头下降，但不会报尾水水位测量故障报警，尾水水位变送器测压管路堵塞将导致水头上升，也不会报尾水水位测量故障报警，因此可排除测压管路堵塞原因。

3)供电电源异常。对该变送器进行不带压试验，当供电电源电压降低至7.2 V左右时，变送器输出由4 mA突降至2.5 mA左右，且随供电电源电压降低，变送器输出可进一步减少。对该变送器进行带压试验，当供电电源降低至12 V左右时，变送器输出值呈锯齿波形，采样水头测量值变小。模拟蜗壳进口水位变送器及尾水水位变送器供电电源同时减小，水头测量值变小(蜗壳进口压力、尾水出口压力均变小)，由于尾水水位变送器处于低量程工作区域，存在尾水水位变送器越低限报警可能性。

4)测量回路并入电阻。电阻并入测量回路，产生分流作用，导致测量值偏低，甚至低于低限，经现场检查，4个水头测量回路中未发现并入电阻。

5)采样通道异常。因A、B套采样通道分开，2个采样通道同时异常可能性较小。

6)测量回路干扰。查询水头波动时事件简报，无相关事件，需通过故障录波监视进一步分析该因素。

2.4 调速器负荷异常波动检查情况

1)对电源回路进行检查，未发现松动、虚接情况。测量电源电压正常，无波动，无交流分量。

2)对水位传感器电缆进行绝缘检查，无接地及短接现象，使用兆欧表检查电缆芯线两两之间及芯线对地之间绝缘值均为无穷，电缆屏蔽层接地良好。

3)对水位信号采样回路进行检查，未发现松动、虚接、接地情况，并接电阻接触牢固，测量电阻阻值均为250 Ω(±0.5 Ω)。

4)对测压管路进行排气检查，未发现进气现象。

5)检查双重供电模块过程中发现水位信号采样曲线有轻微震荡，水头降低1～2 m，已对B套双重供电模块进行更换。

6)检查0 V公共端短接片与端子不匹配，在拆解0 V短接片过程中发现水头测值有下降现象，水头最大下降值21 m，对采样录波进行分析原因为蜗壳进口水位采样大幅跳变(向下)，因水头为30 s平均值，因此水头呈现下降现象，现已对0V短接处增加短接线。

2.5 调速器负荷异常波动预控措施

1)优化调速器水头处理程序，当水头发生大变化时报水头故障并冻结水头值，水头故障时将故障前水头赋给人工水头，并切人工水头。

2)优化调速器控制程序，空载开度仅在开机时起作用，不影响并网状态下导叶给定。优化开限协联曲线，导叶开限能有效限制有功波动幅值。

3 结 语

本文针对某大型电站5号机调速器负荷波动现象，分析了导致该现象的原因，并对该问题进行深入分析和检查，进而制定了相应的预控措施，对同类型的电站分析和处理类似情况可起到一定的参考借鉴作用。