三峽右岸電站調(diào)速系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)及振蕩分析

楊 云，任 剛，帥小樂(lè)，余志強(qiáng)，程 建

（三峽水力發(fā)電廠(chǎng)，湖北宜昌 443133）

0 引言

三峽右岸共裝額定容量700 MW的水輪發(fā)電機(jī)組12臺(tái)，其中15～18號(hào)機(jī)由東電供貨，19～22號(hào)機(jī)組由ALSTOM供貨，23～26號(hào)機(jī)由哈電供貨。12臺(tái)機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)均為哈爾濱電機(jī)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱(chēng)哈電）供貨，電調(diào)控制部分采用GE公司的MicroNet TMR硬件平臺(tái)及GAP編程平臺(tái)，液壓控制部分采用S7-400PLC硬件平臺(tái)和PCS7編程平臺(tái)，主要的液壓控制元件包括德國(guó)博士公司生產(chǎn)的比例伺服閥和GE公司生產(chǎn)的帶內(nèi)部位置傳感器的主配壓閥等液壓控制元件。

本文從調(diào)速器電氣控制的角度總結(jié)了調(diào)速系統(tǒng)控制框架及系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)，分析了主配位置反饋異常及接力器位置反饋異常引起的2次調(diào)速系統(tǒng)振蕩，提出了處理方法及運(yùn)行注意事項(xiàng)。

1 電調(diào)系統(tǒng)配置及冗余

1.1 電調(diào)配置

三峽調(diào)速電調(diào)部分由一套GE公司的MicroNet TMR數(shù)字控制器構(gòu)成，該系統(tǒng)配有雙冗余的電源、雙冗余輸入、輸出模塊及三冗余（TMR）的CPU處理單元，系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 MicroNet TMR配置圖

MicroNet TMR的底框是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的六插槽模塊，每個(gè)底框上都配有風(fēng)扇和溫度開(kāi)關(guān)。三個(gè)底框以及上面的所有板卡由一塊母板連接，每一部分都配有獨(dú)立的內(nèi)核電源。

1.2 MicroNet TMR冗余及信號(hào)冗余處理

MicroNet TMR冗余包括電源系統(tǒng)的冗余、CPU冗余和輸入輸出的冗余3個(gè)方面。

MicroNet TMR有兩套電源，主電源以及內(nèi)核電源，主電源由兩套電源供電，每套電源為三個(gè)控制模塊獨(dú)立供電，輸出6路24 V、6 A到控制系統(tǒng)，在每個(gè)控制模塊上由內(nèi)核電源再將24 V轉(zhuǎn)成5 V以供給其CPU和I/O模塊。

MicroNet TMR的3個(gè)CPU同時(shí)工作，正常運(yùn)行至少要求2個(gè)CPU正常工作，CPU壞的機(jī)箱，其相應(yīng)的IO模塊也將停止工作。

三峽右岸調(diào)速M(fèi)icroNet TMR系統(tǒng)的IO配置為雙冗余結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 IO雙冗余接入圖

在圖2中現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)（例如接力器A套位置傳感器信號(hào)）接入GE提供專(zhuān)用端子板（TMR FTM），再由兩條專(zhuān)用辮子分別接入A套CPU管理的IO模塊和C套CPU管理的IO模塊。在程序中根據(jù)兩塊IO板的工作狀態(tài)和信號(hào)的品質(zhì)，對(duì)輸入的兩路信號(hào)進(jìn)行選擇（例如對(duì)AI信號(hào)可進(jìn)行高選、低選或平均等選擇），用于控制的信號(hào)為選擇過(guò)后的信號(hào)。

三峽右岸接力器位置信號(hào)采用A、B兩套傳感器進(jìn)行測(cè)量，每套傳感器的信號(hào)又分為兩路IO輸入MicroNet TMR，參見(jiàn)圖3所示。

圖3 接力器位置測(cè)量及處理流程

對(duì)于接力器位置測(cè)量，在正常情況（信號(hào)的品質(zhì)好及IO模塊工作正常）下，程序分別對(duì)A、B套傳感器兩路IO輸入信號(hào)進(jìn)行高選得到A、B套傳感器信號(hào)，再對(duì)A、B套傳感器信號(hào)進(jìn)行高選最終得到用于控制的接力器位置信號(hào)。在后面分析接力器反饋異常造成的系統(tǒng)振蕩案例中，由于A套傳感器的滑塊脫扣，穩(wěn)定在31%（對(duì)于MicroNet TMR還認(rèn)為工作正常），在接力器實(shí)際位置≥31%時(shí)，根據(jù)高選原則，選工作正常的B套傳感器；在接力器實(shí)際位置＜31%時(shí)，根據(jù)高選原則，選工作不正常的A套傳感器，即此時(shí)用于控制計(jì)算的接力器位置固定為31%。

2 機(jī)組有功調(diào)節(jié)及控制

正常運(yùn)行時(shí)機(jī)組有功的控制及調(diào)節(jié)需要監(jiān)控LCU和調(diào)速器配合。對(duì)LCU包括有功閉環(huán)投退，對(duì)調(diào)速包括功率模擬和開(kāi)度模式切換。

在監(jiān)控LCU部分同有功控制有關(guān)的為：有功閉環(huán)和有功設(shè)定方式。LCU在有功閉環(huán)投入情況下，將操作員的設(shè)定或AGC設(shè)定下發(fā)調(diào)速器；在有功閉環(huán)退出時(shí)將實(shí)發(fā)的有功下發(fā)調(diào)速器，即LCU不參與有功控制及調(diào)節(jié)。

調(diào)速器在機(jī)組并網(wǎng)時(shí)對(duì)有功的調(diào)節(jié)有兩種工作模式：功率模式和開(kāi)度模式，其PID計(jì)算參見(jiàn)圖4 a和4 b，從圖中可以看出在功率模式下，將功率轉(zhuǎn)換為開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但在調(diào)速器部分存在功率閉環(huán)，在開(kāi)度模式下功率閉環(huán)完全由LCU實(shí)現(xiàn)。

LCU給調(diào)速的有功指令有兩種方式下發(fā)，模擬量方式和脈沖量方式。在功率模式下采用模擬量給定或脈沖量給定（即功率模擬量方式和功率脈沖量方式），在功率模擬量方式下LCU將有功指令以AO方式下發(fā)調(diào)速，調(diào)速根據(jù)指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，在功率脈沖量方式下，LCU在設(shè)定有功和實(shí)發(fā)有功的差值進(jìn)行脈沖計(jì)算，以脈沖增減的方式下發(fā)調(diào)速執(zhí)行，在功率脈沖量方式下存在LCU的有功閉環(huán)和調(diào)速內(nèi)部的有功閉環(huán)，關(guān)于此兩個(gè)有功閉環(huán)的協(xié)調(diào)另附文討論；在開(kāi)度模式下只有脈沖量給定方式，LCU根據(jù)有功閉環(huán)計(jì)算開(kāi)度的增減脈沖下發(fā)調(diào)速執(zhí)行。調(diào)速器接收到調(diào)節(jié)指令按圖4c的流程進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4 a開(kāi)度PID計(jì)算

圖4 b功率PID計(jì)算

圖4 c有功調(diào)節(jié)的調(diào)速液壓部分框圖

圖4a,圖4b,圖4c三個(gè)圖構(gòu)成了調(diào)速有功調(diào)節(jié)及控制系統(tǒng)的4環(huán)，其中主要包括：

（1）比例閥閥芯位移反饋閉環(huán)；

（2）主配活塞位移反饋閉環(huán)；

（3）接力器位置反饋閉環(huán)（導(dǎo)葉開(kāi)度反饋）；

（4）功率反饋閉環(huán)。

該4個(gè)閉環(huán)層層相套，其中比例閥閥芯反饋閉環(huán)和主配活塞反饋閉環(huán)的綜合點(diǎn)在比例閥的驅(qū)動(dòng)器中，為硬件反饋閉環(huán)；開(kāi)度閉環(huán)在調(diào)速器中以軟件的形式完成；功率閉環(huán)根據(jù)調(diào)速器的工作模式不同，可以在LCU或調(diào)速器中完成。根據(jù)控制理論，內(nèi)環(huán)的反饋故障可以通過(guò)套在其外的外環(huán)進(jìn)行抑制，但振蕩將始終存在，在后面分析具體振蕩實(shí)例中將用到該結(jié)論，同時(shí)也對(duì)該理論進(jìn)行了實(shí)證。

3 接力器位置反饋導(dǎo)致接力器抽動(dòng)

3.1 抽動(dòng)過(guò)程

三峽右岸某機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中，出現(xiàn)接力器抽動(dòng)，機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作，整個(gè)過(guò)程如下：

21:33遠(yuǎn)方操作減負(fù)荷停機(jī)；

21:48：37 遠(yuǎn)方將定機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值從250 MW設(shè)定為200 MW時(shí)，機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值從250 MW調(diào)節(jié)到-32 MW，出現(xiàn)“逆功率保護(hù)”報(bào)警（報(bào)警-3%×700=-21 MW），停機(jī)-5%×700=-35 MW），隨后機(jī)組負(fù)荷出現(xiàn)連續(xù)抽動(dòng)，最高到280 MW，最低到100 MW；

21:51:13 運(yùn)行人員退出機(jī)組有功閉環(huán)模式（LCU將調(diào)速器運(yùn)行模式置為開(kāi)度模式），機(jī)組負(fù)荷停止抽動(dòng)，穩(wěn)定在230 MW；

21:53:27 “逆功率保護(hù)動(dòng)作”報(bào)警復(fù)歸；

21:55:27 運(yùn)行人員在單控室將調(diào)速器的工作方式由“遠(yuǎn)方/自動(dòng)”切換為“現(xiàn)地/自動(dòng)”，現(xiàn)地通過(guò)“功率增/減”把手減負(fù)荷；

21:56:21 機(jī)組負(fù)荷降低至-24 MW，再次出現(xiàn)“逆功率保護(hù)”報(bào)警；

21:56:32 26F“發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)停機(jī)總出口動(dòng)作”（逆功率動(dòng)作，此時(shí)有功-35.425 MW），機(jī)組電氣事故停機(jī)動(dòng)作，緊急停機(jī)流程啟動(dòng)（利用緊急停機(jī)閥停機(jī)）；

待機(jī)組全停后，F(xiàn)導(dǎo)葉開(kāi)度仍然顯示為27.41%（對(duì)應(yīng)功率230 MW），隨后在水車(chē)室檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組調(diào)速器A套接力器傳感器的滑塊脫扣。

圖5 振蕩過(guò)程曲線(xiàn)

3.2 振蕩過(guò)程分析

通過(guò)對(duì)MicroNet程序及振蕩曲線(xiàn)分析，并結(jié)合A套傳感器滑塊脫扣的情況，該次振蕩過(guò)程分為以下4個(gè)階段：

第1階段:減負(fù)荷出現(xiàn)逆功率報(bào)警

該階段監(jiān)控LCU為有功閉環(huán)，調(diào)速器工作在功率調(diào)節(jié)模式下，由于監(jiān)控閉環(huán)的存在，給調(diào)速器的有功調(diào)節(jié)指令保持為200 MW，調(diào)速器按200 MW的目標(biāo)值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

21:48:37 機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值從250 MW設(shè)定為200 MW，調(diào)速器接收到新的負(fù)荷設(shè)定值開(kāi)始調(diào)節(jié)。此時(shí)接力器A套傳感器的反饋值穩(wěn)定在31%，而接力器B套傳感器反饋值在實(shí)時(shí)變化中，因此判斷此時(shí)接力器A套傳感器滑塊已經(jīng)脫扣。

由于MicroNet程序中對(duì)接力器A、B套傳感器的信號(hào)進(jìn)行了高通選擇，再進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算，故用于功率PID計(jì)算的接力器實(shí)際反饋值為較高的A套傳感器數(shù)據(jù)31%（對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉開(kāi)度為27.4%）。調(diào)速器按照監(jiān)控LCU下發(fā)的200 MW設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于調(diào)速器功率PID算法計(jì)算輸出的導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值為25%，通過(guò)調(diào)速器接力器位置閉環(huán)的作用，將通過(guò)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉導(dǎo)葉至25%的開(kāi)度，但是因?yàn)閷?dǎo)葉開(kāi)度反饋值始終穩(wěn)定在27.4%左右，所以調(diào)節(jié)器始終認(rèn)為導(dǎo)葉開(kāi)度沒(méi)有關(guān)閉到位，于是就一直輸出關(guān)閉導(dǎo)葉的信號(hào)，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷最低降至-32 MW，“逆功率保護(hù)動(dòng)作”報(bào)警。

第2階段：負(fù)荷出現(xiàn)連續(xù)抽動(dòng)

該階段監(jiān)控LCU為有功閉環(huán)，調(diào)速器工作在功率調(diào)節(jié)模式下，給調(diào)速器的有功調(diào)節(jié)指令仍然保持為200 MW。

21:49:06 機(jī)組負(fù)荷降低至-32 MW，而此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)仍為有功閉環(huán)模式，調(diào)速器仍為功率調(diào)節(jié)模式，調(diào)速器仍接受監(jiān)控系統(tǒng)的功率模擬量給定信號(hào)200 MW，其功率PID算法會(huì)通過(guò)功率比較器的作用將機(jī)組有功反饋與機(jī)組有功設(shè)定調(diào)節(jié)一致，因此當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從250 MW下降至-32 MW時(shí)，機(jī)組有功反饋低于機(jī)組有功設(shè)定值，兩者之間產(chǎn)生了一個(gè)較大的差值，所以功率PID算法會(huì)重新計(jì)算導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值，去迅速開(kāi)啟導(dǎo)葉增加機(jī)組有功直至等于有功設(shè)定值，這樣就出現(xiàn)了機(jī)組有功從-32 MW一直增加至280 MW，而當(dāng)機(jī)組有功增加至280 MW大于有功設(shè)定值200 MW時(shí)，調(diào)速器的功率PID算法會(huì)再次計(jì)算導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值，關(guān)閉導(dǎo)葉減少機(jī)組有功直至等于有功設(shè)定值，所以調(diào)節(jié)器會(huì)重復(fù)第1階段的調(diào)節(jié)過(guò)程，只要此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)不退出有功閉環(huán)模擬量給定模式，調(diào)速器不置開(kāi)度調(diào)節(jié)模式，調(diào)速器就會(huì)反反復(fù)復(fù)的開(kāi)/關(guān)導(dǎo)葉，調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，使得機(jī)組負(fù)荷連續(xù)的抽動(dòng)。

從反饋控制分析：此階段調(diào)節(jié)，在接力器位置＜31%時(shí)，相當(dāng)于接力器反饋環(huán)節(jié)切除，系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定，出現(xiàn)振蕩；當(dāng)＞31%，反饋有效，正常調(diào)節(jié)。

第3階段：負(fù)荷趨于穩(wěn)定

21:51:13 運(yùn)行人員在中控室退出26F機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)有功閉環(huán)模式，將調(diào)速器的控制模式置為開(kāi)度調(diào)節(jié)模式，此時(shí)調(diào)速器功率PID算法退出,開(kāi)度PID算法運(yùn)行，導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值跟蹤導(dǎo)葉開(kāi)度實(shí)際值（28%，對(duì)應(yīng)接力器位置31%），因此機(jī)組有功穩(wěn)定在235 MW左右。

從反饋控制分析：此階段調(diào)節(jié)，31%的導(dǎo)葉反饋轉(zhuǎn)換為設(shè)定，原來(lái)的給定由于跟蹤變?yōu)橛行Х答仯试撾A段調(diào)節(jié)的最終穩(wěn)定值28%，對(duì)應(yīng)接力器位置31%對(duì)應(yīng)的有功。

第4階段：逆功率保護(hù)動(dòng)作，電氣事故停機(jī)

21:55:27 運(yùn)行人員在單控室將調(diào)速器的工作方式由遠(yuǎn)方/自動(dòng)切換為現(xiàn)地/自動(dòng)控制方式，現(xiàn)地通過(guò)“功率增/減”把手減負(fù)荷，但是此時(shí)調(diào)速器的接力器位置閉環(huán)仍然作用于調(diào)節(jié)過(guò)程，所以運(yùn)行人員現(xiàn)地減負(fù)荷與遠(yuǎn)方減負(fù)荷的結(jié)果是一樣的，即重復(fù)第1階段的調(diào)節(jié)過(guò)程，機(jī)組負(fù)荷不斷降低直至-24MW，（由于調(diào)速器為現(xiàn)地/自動(dòng)控制方式，所以機(jī)組負(fù)荷沒(méi)有再次回調(diào)），最后導(dǎo)致26F機(jī)組再次出現(xiàn)“逆功率保護(hù)動(dòng)作”報(bào)警，直至“發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)停機(jī)總出口動(dòng)作”，電氣事故停機(jī)動(dòng)作，緊急停機(jī)流程啟動(dòng)。

4 主配位置反饋異常導(dǎo)致振蕩分析

三峽右岸電站調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是德國(guó)BOSCH公司的帶放大器的比例閥，該比例閥內(nèi)部的集成放大電路通過(guò)比例閥閥芯位移傳感器與主配壓閥的活塞位置反饋傳感器構(gòu)成了主配位置控制閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)微機(jī)調(diào)節(jié)器的比例閥驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)主配壓閥活塞位置的比例控制（結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖4c）。然而這種比例閥與主配壓閥之間自成固定的位置控制閉環(huán)不能識(shí)別主配傳感器斷線(xiàn)故障（例如主配傳感器電氣接頭松動(dòng)或主配傳感器損壞等）。當(dāng)主配位移傳感器斷線(xiàn)或者主配傳感器電氣插頭松動(dòng)時(shí)，比例閥內(nèi)部放大電路均無(wú)法接收到主配閥芯位置的反饋信號(hào)，且此時(shí)比例閥內(nèi)部的控制邏輯塊會(huì)將比例閥閥芯位置反饋信號(hào)直接設(shè)定為中間位置(50%)。如果此時(shí)機(jī)組正在進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么調(diào)速器程序中的比例閥驅(qū)動(dòng)器模塊輸出的比例閥位置設(shè)定信號(hào)要么大于50%，要么小于50%，所以比例閥內(nèi)部放大電路接收到的位置設(shè)定信號(hào)不會(huì)等于50%，這樣就會(huì)使得比例閥閥芯要么向開(kāi)方向動(dòng)作，要么向關(guān)方向動(dòng)作，因此實(shí)際上主配壓閥閥芯也會(huì)與之相應(yīng)動(dòng)作，由于比例閥內(nèi)部放大電路檢測(cè)不到主配傳感器位置反饋信號(hào)，比例閥自身閥芯位置反饋信號(hào)被強(qiáng)制為50%，所以主配位置閉環(huán)不能正常運(yùn)行，不能正常控制主配閥芯的實(shí)際位移量，將會(huì)造成主配要么全開(kāi)，要么全關(guān)，但是由于接力器位置閉環(huán)受到調(diào)速器控制器程序監(jiān)控，因此當(dāng)主配全開(kāi)導(dǎo)致導(dǎo)葉實(shí)際位置大于調(diào)速器導(dǎo)葉PID計(jì)算值時(shí)，在接力器位置閉環(huán)作用下，調(diào)速器控制器會(huì)重新計(jì)算導(dǎo)葉開(kāi)度PID輸出值，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉向關(guān)方向動(dòng)作，這樣又會(huì)導(dǎo)致主配全關(guān)，導(dǎo)葉實(shí)際位置又會(huì)小于調(diào)速器導(dǎo)葉PID計(jì)算值，同樣在接力器閉環(huán)作用下，調(diào)速器控制器仍會(huì)重新計(jì)算導(dǎo)葉開(kāi)度PID輸出值，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉向開(kāi)方向動(dòng)作，實(shí)際上就表現(xiàn)為比例閥閥芯與主配閥芯快速振蕩，接力器頻繁抽動(dòng)。在26F機(jī)組進(jìn)行無(wú)水工況下模擬主配傳感器斷線(xiàn)故障及21F機(jī)組低負(fù)荷時(shí)進(jìn)行模擬主配傳感器斷線(xiàn)故障的錄波圖上（圖6及圖7），可以明顯的看到這種主配傳感器斷線(xiàn)造成的接力器的振蕩現(xiàn)象。

圖6 26F機(jī)組主配位移傳感器斷線(xiàn)錄波曲線(xiàn)

圖7 21F機(jī)組主配位移傳感器斷線(xiàn)錄波曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了三峽右岸調(diào)速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖，分析了信號(hào)冗余的特殊方式；結(jié)合控制框圖及信號(hào)冗余特點(diǎn)，分析了接力器傳感器故障及主配和比例閥構(gòu)成的小閉環(huán)故障導(dǎo)致的系統(tǒng)振蕩，總結(jié)了振蕩的特點(diǎn)，為研究及分析調(diào)速系統(tǒng)振蕩提供了一定基礎(chǔ)。

[1]魏守平.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.

[2]毛羽波，樸秀日.三峽右岸電站調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械液壓部分的特點(diǎn)[J].大電機(jī)技術(shù)，2007,(5):60-64.