水輪機調速器通信故障診斷處理及防范措施

張官祥，常中原，蔣小輝，陳自然，涂 勇

（1. 中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓644612；2. 三峽大學科技學院，湖北 宜昌443000）

0 引言

水輪發電機組調速器是確保水輪發電機組在不同功率下轉速穩定，使水輪發電機組的功率保持預定功率值的關鍵部件。某水電廠水輪機調速器電氣控制部分采用奧地利貝加萊B&R公司2005系列的硬件配置和功能完全一樣的獨立的2套PCC控制器組成的控制系統，從而實現“主機/熱備”功能?？刂破鰽和控制器B，通過以太網實現2套PCC控制器的狀態和數據傳送一致，將數據和故障信息通過以太網上送至電器柜觸摸屏；2套控制器中的任意一套控制器與相應的機械液壓系統相配合，均能獨立實現全部控制功能和保證達到全部調節性能要求；當A套或B套控制器任意一套出現故障時，可發出故障信號至電氣柜觸摸屏和監控系統，并自動無擾動地切換至另一套正常的PCC控制器工作，故障的控制器可在線更換模塊進行檢修。但是，雙套控制器同時出現故障時嚴重影響機組的安全穩定運行。

1 事件概述

某水電廠機組在運行過程中出現調速器A套控制器突發故障并觸發停機報警，自動切至機手動方式運行，調速器電氣柜觸摸屏顯示A套控制器通信異常。檢查發現，A套控制器出現故障已停止運行，電氣柜觸摸屏上A套相關數據不更新，電氣柜觸摸屏事件記錄顯示1 s后調速器自動切換至B套控制器，并處于自動、開度模式運行，B套控制器數據采集正常。

2 事故情況檢查與分析

2.1 故障原因設想

鑒于機組處于并網運行，為了真正的掌握和確認故障原因，進一步確定處理故障采取的措施，防止事故擴大化，首先對故障現象進行故障模擬和事故預想，初步假設以下幾個方面原因，并逐步開展了相關檢查和試驗項目：

（1）模擬DM455模塊故障。在正常運行的單套PCC控制器試驗平臺上，拔出DM455模塊后再插入，發現DM455模塊上的RUN燈一直處于閃爍狀態；CPU模塊停止運行、RUN燈熄滅、READY燈一直保持常亮狀態、ERROR燈處于常亮狀態。經重啟PCC控制器后，上述故障現象消失，CPU和DM455模塊運行正常。經聯機程序在線查看故障日志，發現故障日志的描述為當模塊運行時移除了模塊。經上述模擬驗證和分析可以得出結論，是由于DM455模塊故障導致CPU停止運行。

（2）模擬CPU模塊故障。在正常運行的單套PCC控制器的試驗平臺上，拔出CPU模塊后再插入，發現CPU模塊RUN燈熄滅，READY燈一直保持常亮狀態，ERROR燈處于常亮狀態。同時也發現所在機架上的所有模塊的RUN燈一直閃爍。經聯機程序在線查看故障日志，發現故障日志的描述為當模塊運行時移除了模塊。經上述模擬驗證和分析可以得出結論，CPU模塊本體故障將會導致本機架上的其他模塊均故障報警。

根據上述故障模擬試驗及驗證結果，初步打算采取以下措施處理此次異常事件：

（1）在線聯機導出故障日志。在線連接故障控制器程序，導出故障日志并根據故障日志判斷故障原因，尋找其最優解決方案。

（2）故障控制器斷電重啟。斷電前做好參數備份工作，斷開故障控制器的交直流電源后觀察CPU模塊是否正常運行，觀察DM455模塊的故障是否消失。如果能夠達到預期的效果，保持原樣并持續運行觀察。

（3）更換DM455模塊。經控制器斷電重啟后，如果DM455故障尚未消失，則初步判斷為DM455內部檢測出現故障，需更換DM455模塊。

（4）更換CPU模塊。經控制器斷電重啟后，觀察控制器CPU模塊的運行情況。如果CPU模塊不能正常運行，DM455模塊故障未能消失則判斷為CPU模塊故障導致DM455故障，需更換CPU模塊。

2.2 設備檢查及事件分析

對機組調速器電氣柜故障記錄和監控系統事件記錄進行分析，為了防止事故進一步惡化，監控系統畫面中退出機組過速保護停機軟連片、調速系統停機軟連片、一類機械事故停機軟連片。機組停機后采取防保護信息誤動措施：退出LCU柜電氣過速保護連片、退出LCU柜機械過速保護連片。初步檢查并查詢監控系統歷史事件、數據曲線及調速器觸摸屏相關數據曲線，具體檢查和分析過程如下：

2.2.1 調速器電氣柜設備檢查

經檢查發現，調速器電氣柜內A套控制器CPU模塊的“ERROR”指示燈點亮，“RUN”燈熄滅，“READY”燈常亮；A套控制器的DM455模塊“RUN”燈一直閃爍。B套控制器及其PCC其他模塊未發現異常情況，均運行正常。

2.2.2 電氣柜觸摸屏事件記錄分析

查看調速器電氣柜觸摸屏發現，主頁上顯示A機通信“異?！?，A套數據一覽表及其他頁面數據不刷新，B套數據采集正常，能夠實時更新。

查看故障記錄發現，故障發生時B機的切換閥投入和從機主用信號復歸，同時B機切至開度模式運行，未顯示A套故障信息，只有B套故障事件記錄信息。

2.2.3 LCU觸摸屏事件記錄分析

查看監控系統事件記錄發現，調速器A套控制器處于主用狀態、操作方式為自動、運行模式為功率模式時，當發現A套控制器發生故障后，A套控制器存在由自動狀態切至機手動狀態的過程。

查看機組LCU觸摸屏事件記錄發現，當調速器報停機報警故障時調速器自動切至B機在線，并把調速器控制模式由功率模式切換為開度模式；調速器主用狀態發生變化，由A機在線主用變為B機在線主用。

2.2.4 監控系統事件記錄分析

調用監控系統事件記錄，經分析得出結果如下:

（1）10月 5日，09：50：40，調速器 A 套控制器發生故障，所有開關量輸出信號置零，由于調速器電氣柜停機報警信號和機手動控制方式信號采用常閉接點上送至監控系統，所以原所有動作的輸出信號復歸，即停機報警信號和機手動控制方式信號動作。監控系統由于收到調速器上送的機手動控制方式反饋信號，向調速器下發切開度控制方式命令，同時復歸調速器模擬量給定方式信號。監控系統所報調速器故障報警信息正常。

（2）10月 5日，09：50：41，機組調速器 B 套控制器因檢測到A套控制器故障，主動切為B機在線主用狀態，并且操作方式切換為自動方式，B套控制器的開關量輸出信號狀態刷新調速器電氣柜的輸出信號；當調速器接收到監控系統發的切開度模式命令后調速器切至開度模式運行，同時監控系統有功閉環模式退出運行，機組處于有功開環模式，調速器處于開度調節模式。監控系統和調速器功率模式切換邏輯正常，信號報警正常。

2.2.5 檢查結論

上述分析得出，當機組處于并網狀態時，A套控制器已經處于故障狀態，導致A套控制器所檢測的切換閥狀態復歸，B套控制器程序檢測到A機不在線后自動切為B機在線主用狀態。因此調速器的運行模式由功率模式切開度模式運行，屬于正?？刂七壿?。經綜合分析，初步判斷其故障原因為A套控制器運行時未檢測到DM455模塊引起CPU模塊停止運行，調速器控制邏輯動作正確，故障報警信息正確無誤，模式切換結果正常。

3 故障情況處理

上述故障經斷電重啟PCC控制器并在線更換DM455模塊，A套控制器運行正常，切換正常。隨后裝置運行一段時間，觀察裝置數據采樣情況，頻率、功率、開度、主配中位等模擬量采集正常，再次檢查程序版本、定值及相關參數設置后恢復機組為備用態。在機組開機時做補充驗證試驗，模式切換正常，主備用切換邏輯正常。具體處理過程如下：

（1）在線聯機查看故障日志。與A套控制器在線聯機，查看A套PCC故障日志，發現有1個故障和2個警告，PCC對時因程序內部尚未對時存在顯示不一致，但是觸發時間與觸摸屏故障事件記錄的時間完全吻合。PCC故障日志中的故障error代碼為9206，故障描述為“PLC reboot triggered by hardware watchdog”，由于PLC硬件看門狗觸發PLC重啟；警告warning代碼為9210和27063。初步判斷故障原因為PLC程序內部數據溢出導致硬件看門狗動作。

（2）A套控制器斷電熱重啟。經過參數備份和故障日志導出后，斷開A套控制器的交直流電源空開，經過1 min后重新上電啟動，發現A套CPU模塊運行正常，RUN燈點亮，ERROR燈熄滅，DM455模塊運行正常，故障消失。待CPU完全運行正常后，電氣柜柜門上的“一般故障”燈點亮，觸摸屏故障記錄只顯示A套水頭故障，手動無法故障復歸。此時查看其他畫面的數據時發現A套所有觸摸屏設置數據為零，B套數據顯示正常。第二次斷電重啟A套控制器后，發現現象依然存在。綜合上述現象初步判斷為在A套CPU故障狀態下，斷電重啟時A套控制器運行參數已被故障清零。

（3）A套控制器冷重啟。連接調速器A套控制器程序，在線聯機冷啟A套控制器后，發現觸摸屏數據恢復為程序初始值，故障消失，手自動切換正常。經斷開A套控制器電源重啟后未出現A套控制器數據清零的現象。

（4）更換DM455模塊。分析高頻計數模塊測頻程序執行異常導致程序內部數據溢出的可能性較大，為了確保機組調速器A套控制器正常運行，以免再次出現同類故障，更換新的DM455模塊。斷開A套控制器電源，更換新的DM455模塊，更換后合上A套控制器電源，A套控制器運行正常，DM455模塊運行正常。原有的DM455模塊需在試驗室繼續驗證和檢測。

（5）核對A套控制器運行參數設置。為了防止調速器中位等重要參數變化導致機組不穩定運行，按照備份的最新調速器A套控制器運行參數進行檢查并恢復A套控制器當前運行參數設置。

（6）斷電再次重啟。上述工作完成后，為了進一步檢驗調速器運行情況和控制器參數變化，再次斷開A套控制器電源重啟A套CPU，發現A套控制器運行正常，數據顯示正常。

（7）切換試驗。為了驗證A套控制器是否正常運行，驗證控制邏輯是否正常，先后在停機態和空載時進行了A/B機主備切換試驗、手自動切換試驗，試驗結果正常。

采取上述處理措施以后，機組調速器通信異常情況得以解決，調速器停機報警故障已消除，調速器A/B套控制器CPU運行正常，A套和B套控制器通信正常，數據顯示正常，A/B機切換正常，手自動切換正常。此后申請電網及時將機組恢復備用狀態，大大降低了經濟損失，保證了設備安全穩定運行。

4 故障原因分析

經在線聯機，查看A套PLC故障日志，結合設備檢查以及事件記錄分析得出，A套CPU停止運行原因是由于PLC程序內部檢測溢出，導致PLC硬件看門狗動作，從而使A套CPU故障停止運行，CPU模塊ERROR燈點亮，READY燈常亮，進而引起DM455模塊故障。由此可推斷出，機組水輪機調速系統控制器通信異常是由于A套控制器的CPU模塊停止運行導致的。

5 故障模擬及驗證

為了進一步驗證機組調速器A套通信異常故障處理時出現的各種異常情況，為今后處理異常情況做試驗數據準備，進行故障模擬和試驗驗證。試驗項目：①模擬DM455模塊故障；②模擬CPU模塊故障；③模擬AM374模塊故障；④CPU故障狀態下斷電重啟；⑤CPU故障狀態下程序冷啟；⑥CPU故障報警邏輯優化。經過多次試驗驗證后得出結果：

（1）當DM455模塊帶電拔插引起故障時，將會引起CPU模塊停止運行，使CPU模塊ERROR燈點亮，READY燈常亮，DM455模塊RUN燈一直處于閃爍狀態。

（2）當CPU模塊移除機架引起故障時，將會導致機架所有模塊RUN燈一直處于閃爍狀態。

（3）當AM374模塊帶電拔插引起故障時，將會導致CPU模塊停止運行，CPU模塊ERROR燈點亮，READY燈常亮，同時將引起DM455模塊故障，其RUN燈一直處于閃爍狀態。

（4）在CPU故障狀態下，若斷電重啟會使CPU數據清零，不刷新存儲卡數據。

（5）在CPU故障狀態下，若程序冷啟會使CPU保留原來數據，不修改存儲卡數據。

（6）通過軟件配置可以實現PLC模塊硬件故障不會導致CPU停止運行。

6 防范措施及優化建議

6.1 調速系統控制邏輯改進措施

目前調速器硬件配置采用冗余配置，當任意一塊PCC模塊出現硬件故障時，將會導致CPU報故障停止運行，調速器控制器根據預定的控制邏輯自動切至備用機運行，并報停機報警故障。當2套PCC控制器同時出現故障時，延時一定時間后將會觸發二類機械事故停機流程。在任意模塊出現故障時，通過在程序內設計控制邏輯，可以實現CPU不停止運行。如果在調速器故障控制邏輯完善且機組安全穩定運行要求高的情況下，為了避免控制器模塊硬件故障直接導致CPU停止運行，且保證可以實現切換A/B機功能，可以優化程序，同時引用程序內部定義的PLC模塊正常檢測點，對PLC模塊故障進行檢測判斷，并納入到調速器嚴重故障判據，實現模塊故障切機并報警功能。

6.2 技術管理方面的改進措施

①加強分析和總結設備的運行規律，對長期處于運行狀態的設備以及運行超使用周期的設備對其狀態和故障率進行預評估，充分掌握其出現故障的概率，在設備損壞之前或出現損壞時能夠有效地控制事故擴大。②加強對重要部件的檢查和維護工作，定期對關鍵元器件進行修理和維護，尤其要重視對重要試驗項目和重要控制回路的檢修保養工作。③加大對升級產品性能和特性的掌握力度，對設備系統改造提出更加成熟的方案，保證設備系統升級后能夠穩定運行。

6.3 設備管理方面的改進措施

自從設備投產以來，設備運行情況良好，尚未出現重大事故。但隨著機組運行年限的增加，設備管理工作需重視以下問題并加以處理：①電氣元器件老化問題。原有電氣元器件由于線路長期發熱、絕緣老化、金屬氧化等原因，造成電阻增大，接觸不良，運行不穩定，隨時可能損壞或出現故障，存在較大安全隱患。②備品備件更新換代和配件兼容性的問題。原配件已停止生產，升級產品與原系統的硬件和軟件均需全部升級匹配。一旦設備出現故障時備品備件庫存數量不足，只能維修或請求外援，進口產品采購周期長、外方專家不能短期內到達以提高技術支持，且技術服務成本高、協調難度大，備品備件管理和系統升級換代勢在必行。

7 結束語

調速系統作為發電機組運行的核心部分之一，與水電廠安全運行密切相關。調速器通信是調速器雙套控制器之間的可靠保障，是數據交換和監視的渠道。而停機報警對于水輪機調速器來說相當重要，如果出現調速器通信異常將會丟失采集的數據，必將對調速器控制造成影響，若雙套控制器停機報警故障時必將會導致事故停機。而調速器停機報警和通信異常時更加應引起重視，及早查明原因，及時處理故障，保障設備的可靠運行。本文通過對水輪機調速系統控制器通信異常和停機報警信號的實例進行分析，詳細說明其查找故障的過程和分析方法，同時結合試驗室仿真模擬試驗為今后類似事件的處理提供經驗支撐和參考。