基于水轮机调速器控制模型的故障诊断分析

熊 卓

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南长沙 410004）

水轮机调速器是调节水轮发电机组转速的重要设备［1－2］，其主要作用是根据发电机负荷的增减趋势，调节进入水轮机的水流量，保证水轮发电机组转速稳定（单机运行）。水轮机调速器自带的故障诊断功能，如频率故障诊断、开度故障诊断等，能够满足一般工作的需求，但对部分调节异常事件无法进行判断［3－4］。

五凌电力2006年投产的某水电厂，共安装4台单机255 MW混流式水轮发电机组，采用适应式变结构变参数并联PID双可编程单比例伺服阀型微机调速器（型号为FWT－100－6.3－STARS），自电厂投产至今多次出现功率调节异常的事件。笔者基于水轮机调速器的主要任务建立控制模型，以该水电厂两起典型功率调节异常事件，研究如何快速定位和排查故障。

1 水轮机微机调速器控制模型

在比例伺服阀微机调速器构成的水轮机调节系统中，电液随动系统的闭环是在微机调节器内实现的［5］。整个系统为经典的闭环控制调节负反馈系统，通过对频率和有功测量值与给定值进行比较计算，然后输出至执行器，将消除偏差作为最终调节目标。

并网前，机组处于空载状态，此时调速器控制水轮发电机组跟踪给定频率处于频率调节模式。并网后，调速器主要任务是控制机组稳定发电，此时处于开度（或功率）调节模式，频率、功率、开度调节模式的控制切换如图1所示。

在频率调节模式下，调速器接收到的增／减有功令无效，只有频率超差时才能调节；在功率（开度）模式下，调速器接收到的增／减有功令与频率信号同时起作用。控制系统在进行PID调节时，考虑了实际开度与给定开度的偏差，使机组能快速跟踪给定值［6］，其调节原理如图2所示。

2 两个典型功率调节故障诊断

2.1 无调功令时机组负荷大幅度异常波动

上位机有功给定在200 MW时，3号机组有功由200 MW→24 MW→145 MW→30 MW→194 MW，同时机组P／Q限制动作，励磁系统PSS投入／退出，励磁系统欠励动作，整个过程持续约2 min，如图3所示。

该事件发生时，机组并网运行正常的调节模型是开度模式。故障发生前，负荷稳定在200 MW，故无调功令下达，但由于导叶快速动作，有功异常波动。基于简化调节模型分析，异常波动可能与调速器机械液压系统异常、微机调速器导叶开度反馈异常、监控系统调功令误动、监控系统的实测有功异常和频率测量异常有关。根据工况转换模型分析（见图1），也可能是由于负载工况与甩负荷过程来回切换导致该现象发生。

2.1.1 调速器机械液压系统异常分析

比例阀或主配卡在关机方向时，会出现导叶关闭现象，但因未达到调节目标，此时控制系统PLC开度给定会增加，比例阀始终加开机信号。当卡塞释放时，导叶开度会向开机方向突变，而实际并不存在突变，其功率而是从200 MW→24 MW→145 MW→30 MW→194 MW，故可排除调速器机械液压系统异常的原因。

2.1.2 监控系统调功令误动分析

故障发生时，监控系统显示有功功率连续调节命令201.09、194.97 MW和194.97 MW。调整功率＝目标功率－实际有功功率，当调整功率为正，监控系统发增加导叶开度令，反之，监控系统发减少导叶开度令。在目标有功功率变化不大的情况下，机组实际有功未出现突变，且有功功率与导叶开度同步变化，故基本排除监控系统调功误动的原因。

2.1.3 频率测量异常分析

根据机组调节特性曲线，频率上升至52 Hz或频率在不停波动时会导致导叶全关，且调速器有一次调频开度限制，当一次调节幅度超过10%导叶开度时，限制动作。从导叶开度变化曲线分析，未发生限制动作情况，且调速器、监控系统、PMU频率均未持续超过50.05 Hz，故排除频率测量异常的原因。

2.1.4 导叶开度反馈突然变大分析

由于比例阀控制输出＝（PID给定开度－实际开度）×放大系数，导叶开度反馈信号突然变大时，PLC会输出关闭信号，实际并未发现开度突变，故不是开度反馈问题。

2.1.5 负载工况与甩负荷过程切换分析

负载状态时，GCB或TCB开关位置信号误分将导致调速器进入甩负荷过程。甩负荷过程开度给定值，由当前开度值直接给定为第一开机开限值17.5%，此时为频率模式控制，若此时频率上升则导叶将直接关至全关（如图4所示），若频率在正常控制范围内导叶将关至第一开机开限后不再调节（如图3所示）。观察故障时，录波图导叶开度由53%→17%（约7 s）→17%开度（约5 s）→41%（约32 s）→17%开度（约6 s）→增加开度至约50%（约40 s）。该变化过程与GCB或TCB开关位置信号动作情况相吻合（即误分→正常→误分→正常）。

锁定故障后，检查3号机GCB与TCB开关信号回路，发现该信号接至调速器电气柜内一端子松动，故判断本次故障为此端子松动造成。

2.2 上位机发减功令无效

该水电厂1号机组带220 MW负荷运行，4 min内（13：01：49至13：05：41）集控给定有功180、160、150 MW，单步减有功6次，机组负荷仍保持220 MW。

发生该事件时，机组并网运行正常的调节模型是开度模式。根据简化调节模型判断，可能与调速器机械液压系统卡塞、调速器导叶开度反馈信号异常、监控系统调功令异常、监控系统的实测有功异常、频率测量异常等有关。也有可能是工况转换及控制模式转换问题，即当开度模式切至频率模式时将导致监控系统调功令无效。

2.2.1 监控系统调节令异常分析

1）集控发有功调节令未传至现地LCU。检查故障时，网络通讯无异常报警，且多次下令数据均丢失可能性极小，此前PLC调功程序也一直运行正常。停机后，集控上位机发减有功令，检查现地LCU内部程序接收命令均正常。

2）现地LCU硬件回路故障。检查LCU开出模块、减功继电器J21、调速器至监控减功回路正常，现地强制动作J21继电器，调速器接收信号正常，故排除现地LCU硬件回路故障的原因。

3）有功功率实际反馈值异常。当监控系统下达有功给定时，每次实测有功值都与给定值相同，因此不进行功率调节，进而调功无效。但从过程来看，变送器采集的机组实发有功始终有值且不与有功给定值相同，故排除有功功率实际反馈值异常的原因。

2.2.2 调速器机械液压系统故障

若比例伺服阀卡死在中间位置，会使减有功令无效，但故障时将调速器切至现地操作控制正常，故排除调速器机械液压系统故障的原因。

2.2.3 调速器导叶开度及频率信号扰动

1）导叶开度扰动。PID调节量正常变化时，导叶开度信号扰动，扰动量与PID调节量相同，将导致输出比例阀调节信号为0，因此不进行调节。但从录波图上看，调速器导叶开度信号无异常，故排除导叶开度扰动的原因。

2）频率信号扰动抵消上位机调功令。频率信号扰动时，频率增量与监控调节减量相互抵消，导致减有功令失效。如图5所示，频率存在扰动，录波显示最小频率小于49.95 Hz。

在检查过程中进行了相关的模拟实验，根据在调速器模拟PLC上试验可知，当频率在49.5～50 Hz之间往复变化时，PID计算给定的导叶开度会一直累加，直到频率不再发生异常突变。但这种增量在没有人工干预时与上位机调功减量同步变化且完全抵消的可能性较小，故排除频率信号扰动抵消上位机调功令的原因。

2.2.4 开度模式切至频率模式分析

当机频在50.5～55 Hz或45～49.5 Hz频率区间内超过0.4 s时，调速器则会从开度模式切换至频率模式，且频率恢复正常后不会自动切回开度模式。检查上位机正常开停机报警记录，调速器控制模式切换无报警，且因监控系统采集数据为秒级，频率实际跳变幅度和时间无法监测。随后开机试验，在空载运行中监测到一次频率扰动，实际最大频率达到51.5 Hz，导叶开度波动达到7%，如图6所示。表1为程序监视时测量的频率扰动，从表1可知最大扰动频率达到了78.2 Hz，随后实际导叶开度开始动作，真实频率相应改变。故调速器频率扰动造成开度模式切回频率模式调功令失效的可能性最大。

表1 程序监视时测量的频率扰动

3 结 语

1）水轮机调速系统是一个经典的负反馈闭环控制系统，使用经典PID控制，其控制模型可简化为工况转换模型、正常调节模型。

2）基于控制模型建立水轮机调速系统的故障诊断时，其诊断效果更为准确、快速。

3）监控系统应优化调速器控制的报警记录，系统关键性报警完整性有助于更快捷的发现异常现象。

4）从两种典型功率调节异常可以看出，该水电厂老式调速器控制逻辑需要进一步优化，以保证系统稳定可靠运行。