向家壩水電站調(diào)速系統(tǒng)的特點及問題分析

常中原，帥小樂，李初輝，張官祥

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

0 引言

向家壩電站位于四川省與云南省交界，距云南水富縣1.5 km，距四川宜賓市33 km。電站計劃安裝8臺單機額定功率為800 MW的水輪發(fā)電機組，其中左、右岸電站各布置4臺混流式水輪發(fā)電機組。向家壩水電站是一座以發(fā)電為主，兼有航運、防洪、攔沙、灌溉和梯級反調(diào)節(jié)等綜合效益的特大型水電工程，計劃2012年10月首臺機組發(fā)電，2014年實現(xiàn)電廠全部機組投產(chǎn)發(fā)電。

1 調(diào)速系統(tǒng)概述

水輪機調(diào)速系統(tǒng)是由用于檢測被控參量（轉(zhuǎn)速、功率、水位、流量等）與給定參量的偏差，并將它們按一定特性轉(zhuǎn)換成主接力器行程偏差的一些設(shè)備所組成的系統(tǒng)。它是包含油壓裝置在內(nèi)的實現(xiàn)水輪機調(diào)節(jié)及相應控制的機構(gòu)和指示儀表等組成的一個或幾個裝置的總稱。

2 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點

向家壩調(diào)速系統(tǒng)采用雙微機控制器+比例閥/步進電機冗余電液轉(zhuǎn)換+純手動控制結(jié)構(gòu)。雙套貝加萊2005均有獨立的I/O通道，在系統(tǒng)中可實現(xiàn)雙通道自動控制+電手動控制的冗余控制。同時，調(diào)速器具有純機械手動操作、轉(zhuǎn)速控制、開度控制、功率控制、電網(wǎng)一次調(diào)頻、電力系統(tǒng)頻率自動跟蹤、導葉開度和機組功率最大值限制、適應式變參數(shù)、在線自診斷、容錯及故障處理等功能。

向家壩調(diào)速器的設(shè)計具有冗余度高、組網(wǎng)能力強、可擴展性強，配置先進，功能齊全等特點。

2.1 電氣調(diào)節(jié)裝置

調(diào)速器采用奧地利貝加萊公司32位可編程計算機控制器（PCC），主頻可達500 MHz。具有計算精度高、運算速度快、抗干擾能力強等特點。由圖1可以看出調(diào)速器配置兩套PCC與I/O模塊，雙機冗余，當一臺發(fā)生故障時，可以馬上切換至另一套控制器，且接力器波動不會大于0.2%。在軟件及功能設(shè)計方面，向家壩調(diào)速器采用貝加萊最新的3.0系統(tǒng)，具備故障錄波，硬件診斷記錄等功能。

圖1 調(diào)速器設(shè)備組織結(jié)構(gòu)圖

向家壩調(diào)速器采用適應式變參數(shù)PID控制規(guī)律，具備三種控制模式：頻率模式、功率模式、開度模式。空載時采用頻率模式，并網(wǎng)后采用功率模式，功率反饋故障則切換為開度模式。

2.2 電源回路

向家壩調(diào)速器電源系統(tǒng)共有四套電源（兩套交流，兩套直流），其中一套交流電源給風扇、門燈等盤柜內(nèi)輔助設(shè)備供電，另外三套電源為A套電源、B套電源、C套電源，每一套電源又分別有兩路DC 24 V輸出。其中A、B兩套電源結(jié)構(gòu)相同，功能相互獨立，一套電源故障不影響另外一套電源工作。C套電源的兩路輸出分別由A、B兩套電源的輸出綜合而來。其中24 V電源綜合模塊具有將兩路DC 24 V綜合成一路DC 24 V的能力，只要存在一路輸入，就會有正常輸出。該模塊還具有輸出短路保護功能，負載短路不會引起輸入電源故障。

整個電源系統(tǒng)共有兩級冗余結(jié)構(gòu)，第一級是三路輸入電源之間相互冗余，三路220 V的輸入電源只要一路電源正常，就能保障整個調(diào)速器系統(tǒng)的工作。第二級是24 V電源相互冗余，每套24 V電源只要有一個綜合模塊正常，就能保證本套電源負載的正常運行，并且控制器的電源與執(zhí)行單元的電源相互獨立，使得控制器不受執(zhí)行單元工作電源的干擾。

2.3 人機界面

向家壩調(diào)速系統(tǒng)人機界面采用貝加萊觸摸屏，具有獨立處理器、主內(nèi)存、圖形內(nèi)存，可以進行二次開發(fā)，能夠根據(jù)需要開發(fā)出電廠實際需要的功能，如試驗錄波、試驗數(shù)據(jù)計算處理及圖形顯示等。此外，觸摸屏還具有多種通訊接口，比如CompactFlash、COM、Ethernet、USB 等。

2.4 測頻回路

向家壩調(diào)速系統(tǒng)有兩套獨立的測頻回路，一套位于調(diào)速器電氣柜左柜，稱作調(diào)速器測頻回路，為調(diào)速器控制器提供頻率信號；另一套位于電氣柜右柜，稱作齒盤測速裝置，為監(jiān)控系統(tǒng)提供頻率信號。

調(diào)速器測頻回路有兩路，分別給調(diào)速器A、B套調(diào)速器提供頻率。兩路回路相互獨立工作，具體包括機端PT殘壓測頻、兩路齒盤測頻。正常時以殘壓信號為主用，當殘壓故障時切換到1號齒盤測頻，1號齒盤測頻故障切換至2號齒盤測頻，全部故障則切換到另一套控制器運行。可見，頻率測量回路一共有五路信號（兩套殘壓測頻回路信號源取自相同地方），只要有一路正常就能滿足調(diào)速器對頻率的要求。

齒盤測速裝置有三路頻率信號，一路機端PT殘壓測頻信號，兩路齒盤信號。正常運行時，殘壓信號主用。當殘壓故障時，1號齒盤主用，1號齒盤故障則2號齒盤主用。齒盤測速裝置有兩路模擬量輸出，經(jīng)過隔離變送器擴展成4路模擬量輸出到監(jiān)控回路，還有14路不同轉(zhuǎn)速的開關(guān)量輸出信號，供機組使用。

2.5 隨動系統(tǒng)

隨動系統(tǒng)包括比例閥、電機自復中裝置、雙聯(lián)濾油器、手自動切換閥、緊急停機裝置和主配壓閥等。整個系統(tǒng)控制閥均為板式集成塊結(jié)構(gòu)，沒有明油管，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，可以通過切換閥轉(zhuǎn)換比例閥和電機自復中裝置的輸出控制，實現(xiàn)比例閥控制或者電機控制。比例閥反應迅速，動作靈敏，但是對油質(zhì)要求很高，易卡澀；步進電機可以實現(xiàn)開環(huán)控制，并且屬于電機轉(zhuǎn)換器，對油質(zhì)要求不高，各項性能亦能滿足調(diào)速器要求。兩組控制相互獨立，大大提高了設(shè)備運行的冗余度與可靠性。

2.6 系統(tǒng)的擴展性

為了適應將來智能電網(wǎng)對調(diào)速器的要求，滿足調(diào)控一體化的功能需要，向家壩調(diào)速系統(tǒng)充分考慮了調(diào)速器的組網(wǎng)能力和可擴展性。目前，調(diào)速器支持的標準通訊協(xié)議或提供的接口有15種之多，在現(xiàn)場總線方面調(diào)速器具有能與多種通訊方式和現(xiàn)場總線兼容的通訊功能。另外，調(diào)速器還具有豐富的接口以及GPS對時等功能，為將來的遠程維護、遠程診斷奠定了堅實的硬件基礎(chǔ)。

3 不足及改進

向家壩調(diào)速系統(tǒng)是根據(jù)向家壩800 MW機組的特性，開發(fā)出來的新系統(tǒng)。因此，必然存在一些不足之處。

3.1 液壓系統(tǒng)冗余備用

液壓系統(tǒng)由兩套互為熱備的PLC和相應I/O模件組成。為了提高液壓系統(tǒng)可靠性，機組LCU參與油壓裝置的控制，作為后備控制，但是僅預留了監(jiān)控后備控制回路，未安裝相應的傳感器，暫時無法實現(xiàn)后備功能。在以后的工作中，將考慮安裝傳感器以實現(xiàn)油壓裝置的后備控制，提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力。

3.2 傳感器安裝位置

液壓系統(tǒng)壓力傳感器全部安裝在一根側(cè)壓管上，安裝位置十分緊湊，不利于傳感器的拆卸、維護，并且所有壓力信號取自同一油源，當油源的某一段發(fā)生堵塞將導致后面所有壓力傳感器失去油壓，特別是低油壓信號，可能產(chǎn)生嚴重的后果。經(jīng)與廠家溝通協(xié)商，重新裝設(shè)一個側(cè)壓管道，低油壓信號等重要信號合理布置，不取自同一油源。

3.3 部分回路設(shè)計不合理

調(diào)速器原補氣閥和隔離閥投、撤控制回路均使用普通繼電器，但依據(jù)三峽運行經(jīng)驗，普通繼電器容量無法滿足回路要求，于是將普通繼電器更換為電力型繼電器，但是現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，廠家在原回路中增加了電力型繼電器，沒有將原繼電器去除，這樣造成同一個命令送給兩個串聯(lián)的繼電器，則加了設(shè)備的故障率，降低了設(shè)備的安全可靠性，經(jīng)與廠家溝通，廠家將在調(diào)試中修改回路。

3.4 回油箱冷卻回路

向家壩回油箱冷卻回路布置在大泵卸載回路，小油泵卸載回路不經(jīng)過冷卻器。由于油壓裝置采用小泵連續(xù)運行，大泵間歇運行的方式，所以小油泵正常運行時冷卻器不起作用，而在大泵啟動加載迅速達到6.3 MPa后馬上卸載并停泵，卸載狀態(tài)僅維持2 s，冷卻器也起不到作用。目前，向家壩液壓系統(tǒng)未做過溫升試驗，正常運行時回油箱油溫變化是否過大仍需要觀察。因此，在PLC控制流程中增加了溫度過高，啟動大泵進行卸載的流程，以保證油溫控制在合理的范圍內(nèi)。

4 總結(jié)

針對向家壩電站機組單機功率800 MW的特點，調(diào)速系統(tǒng)在整體設(shè)計上、設(shè)備選型上，都做了充分的考慮，采用水輪機調(diào)速器電氣、液壓系統(tǒng)等領(lǐng)域新型、可靠技術(shù)。作為一個全新的系統(tǒng)在一些細節(jié)問題上還不夠成熟，難免還存在一些問題。相信在以后的安裝調(diào)試及試運行中會逐步發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的不足，逐步完善，使之更加安全可靠。