小浪底水電站水輪機調速系統問題分析及處理

王忠強，張延智，屈偉強，李亞麗

(黃河水利水電開發總公司，河南 濟源 459017)

0 引 言

小浪底水電站位于河南省洛陽市北40 km的黃河干流，安裝6臺300 MW混流式水輪發電機組，地下式廠房，額定水頭112 m，為河南省電網重要的調峰調頻電廠。

小浪底水輪機原調速系統(以下簡稱調速系統)為美國VOITH公司生產的VGCR211-3P型數字式雙微機調速器，從1999年投入運行以來，總體運行穩定可靠，但也存在設備老化、核心元器件停產、軟件可讀性差、維護難度高等難題。鑒于小浪底水輪發電機組在河南省電網的重要性，經過長時間的調研結合目前行業發展的最新情況，2014年底電站開始陸續對6臺發電機調速系統進行了更新改造，新系統仍然采用了VOITH公司生產的HYCONTM GC414R型調速器。在兩年多的改造過程中，出現了一些由于新老設備兼容、設計疏漏等原因引起的問題，在對問題進行了深入分析和研究后，新調速系統的遺留問題都得到了有效的解決。

1 調速系統改造概況

小浪底電站原調速系統采用微機調節器加液壓隨動系統的工作模式，邏輯控制由兩套PLC實現冗余控制，控制信號輸出至綜合放大單元VCA1卡后驅動動圈閥，動圈閥作為電液轉換設備控制主配壓閥開度及方向，以實現導葉接力器的閉環調節。

改造后調速系統對電氣控制盤柜進行了整體更換，采用冗余的西門子S7-400系列PLC進行控制。液壓系統主要采用“雙比例閥”替換原“單動圈閥”結構，并增加雙線圈開停機閥以及切換閥。

1.1 電氣部分

采用兩套軟硬件配置完全相同的SIMENS S7-400系列PLC。PLC中CPU和I/O模塊之間相互獨立，采用PROFIBUS通訊環網連接，兩套CPU通過冗余光纖實時冗余，兩套I/O模板(ET200M)又與兩套CPU再通過西門子PROFIBUS通訊交叉冗余，實現1臺PLC故障時，另1臺PLC無擾切換，PLC冗余結構見圖1。每套I/O模塊接收來自測量單元的信號，以通訊方式同時向兩套CPU傳輸，對于每套CPU而言，以“或”門同時接收兩套I/O模塊信號。兩套CPU輸出信號同時向兩套I/O模塊傳輸，兩套I/O模塊的開關量信號以“或”門輸出，模擬量信號經PLC“看門狗”電路選擇輸出。同時，調速器輸入和輸出回路全部采取隔離技術防止干擾，模擬量輸入輸出采用變送器隔離，開關量輸入輸出采用繼電器隔離。

1.2 液壓部分

原系統圖如圖2(a)所示，采用單套動圈閥SV26進行電液轉換，原開停機閥SV25(又叫導葉關斷閥或緊急停機電磁閥)為單線圈保持型[1]。改造后的新系統如圖2(b)所示，將原單套動圈閥更換雙套比例閥并聯冗余配置，并在雙比例閥后端增設切換閥，用于控制比例閥壓力油的輸出通道；將原單線圈保持型的開停機閥更換為雙線圈開停機閥。改造后的新系統液壓部分設備性能更加穩定可靠。

圖1 PLC冗余結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of PLC redundant structure

圖2 改造前后電液轉換單元示意圖Fig.2 Schematic diagram of the electrohydraulic conversion unit before and after the transformation

2 開停機閥回路問題

小浪底水輪機原調速系統開機前，需開停機閥勵磁接通油路后方能開關導葉，同時正常停機或事故停機時將開停機閥失磁即可達到停機并閉鎖開機的目的[2]。

由于原開停機閥采用的是單線圈，帶電即勵磁，失電即失磁，所以原回路全部采用閉接點串聯的方式。接點分別為：調速器控制屏緊停按鈕、機組LCU(監控系統現地控制單元)緊停按鈕、中控室模擬屏緊停按鈕、機組LCU程序輸出緊急停機繼電器、機組LCU程序輸出正常開停機繼電器和水機保護緊急停機繼電器共6個接點。回路示意圖見圖3，從圖中可以看出，原單線圈開停機閥在機組開機運行過程中必須始終處于帶電勵磁狀態，由于廠房位于中控室下方山體內，整個回路電纜長度接近2 km，機組在運行過程中如果有任何一個斷點，皆會引起機組誤停機，存在較大的安全隱患。

為了解決以上問題，采用了雙線圈脈沖命令型開停機閥來替代原單線圈保持型的開停機閥。更換開停機閥型號后必須將以上6個環節的接點全部改為開接點并聯使用。同時，由于開機需要，需在機組LCU增加正常開機繼電器。回路改造后接線方式見圖4。

圖3 原開停機閥回路示意圖Fig.3 Schematic diagram of the original start-stop valve loop

圖4 改造后開停機電磁閥回路示意圖Fig.4 Schematic diagram of the reformed start-stop solenoid valve loop

3 比例閥誤向“開啟”方向打開問題

3.1 比例閥控制回路及問題

調速器改造后采用兩套冗余的比例閥作為電液轉換單元，根據廠家原設計兩套比例閥分別由兩套I/O模板的模擬量輸入/輸出模板(型號為西門子SM335)輸出的±10 V信號進行控制，第一套I/O模板的-D360模板模擬量輸出點控制比例閥1，第二套I/O模板的-D460模板模擬量輸出點控制比例閥2，比例閥根據模板輸出信號正負和電壓高低來驅動比例閥向“開啟”方向或“關閉”方向打開。比例閥1的控制回路接線圖見圖5。

在一次試驗過程中，機組空轉運行時模擬量SM335模板故障，比例閥1主用時將第一套I/O模板的-D360模塊拔下，在等待調速系統判斷比例閥1控制回路故障切換至比例閥2為主用的過程中，機組轉速急速上升，后通過按下機組緊急停機按鈕停機。機組停機穩態后發現比例閥1的開度固定在52%，此信號為比例閥反饋的實際位置顯示(0～100%，50%為比例閥中位，大于50%為“開啟”方向)。在機組正常運行過程中，比例閥52%的開度足以在瞬間將主配壓閥打開至最大行程，從而導致水輪機導葉被迅速打開。為排除因拔下-D360模板后其他信號消失導致比例閥誤打開至52%，后續又進行一系列試驗檢查發現，在不拔下任何模板僅僅斷開圖5中X70:16端子時，就會出現比例閥1打開至52%左右的現象，即在比例閥24VDC電源正常(圖5中A和B端子)，D接線端子不接任何信號時(理論上此時D和E間電壓應為0 V)，比例閥并不是按照比例閥功能在控制電壓為0 V時保持在中間開度50%，而是會固定開啟到52%左右，此種情況下如機組在空轉狀態必定造成機組過速，在并網狀態下則會造成過負荷。比例閥功能示意圖見圖6。

圖5 比例閥1控制回路接線圖Fig.5 Wiring diagram of control loop of proportional valve 1

圖6 比例閥功能示意圖Fig.6 Function diagram of the proportional valve

3.2 問題解決

在檢查確定設備接線正常，排除電磁干擾等各因素，并咨詢比例閥廠家后依然無法解釋比例閥處于“開啟”方向的原因。在無法更換設備的情況下，為最大程度上降低風險，采用將兩套I/O模板中另外一塊SM335模板中的模擬量備用輸出點配置為兩套比例閥控制信號輸出，做交叉冗余，其優化后比例閥控制回路示意圖見圖7。

圖7 優化后比例閥控制回路示意圖Fig.7 Schematic diagram of the optimized control loop of the proportional valve

經開機模擬輸出板卡故障，回路優化后可以有效避免在一套輸出模板故障的情況下導致機組過速或過負荷。

4 功率模式下調節品質降低問題

4.1 功率控制模式

功率控制模式是小浪底機組并網后主要運行方式，在該方式運行時有一次調頻功能，即(Frequency Influence 功能)，并提供一次調頻投入時的命令和響應信號[3]。在該控制方式下采用PI調節，調節參數是與導葉開度有關的5組適應性參數，5個基準開度之間的PI參數值采用插值計算得到[4]。由于功率控制方式下沒有微分環節，因此在PI調節上疊加了一個先導函數，這個函數輸出的導葉開度與當前水頭和功率設定值有關。正常調節時，先將導葉粗調至相應位置，然后由PI環節進行精調，以便機組帶負荷時的迅速響應。

4.2 存在問題

在運行過程中發現，由于比例閥自身特性原因，導致機組功率模式下機組超調量大、調節后期精調速度慢。在機組投入AGC運行時，經常出現負荷超調，超調量達到30～40 MW。

4.3 處理措施

4.3.1 優化功率模式下調節參數

在功率控制模式下調速器調節采用PI調節，調節參數可以根據導葉開度填寫5組適應性的參數，5個基準開度之間的PI參數值采用插值計算得到，原調速器參數設置中5組參數并未真實啟用，其整個調節區間皆使用了Kp=0.35，Ti=4的參數組合。根據變負荷試驗曲線對5組參數進行了優化修改，優化前后PI參數對比見表1。

表1 優化前后PI參數對比Tab.1 Comparison of PI parameters before and after optimization

4.3.2 優化先導曲線

經過試驗發現，原來根據模型水輪機綜合運轉特性曲線繪制的先導曲線中個別水頭下的導葉開度先導值已與實際導葉開度差別較大，特別是機組負荷越高時差別越大，導致機組功率模式下調節響應較慢。1號機組120 m水頭下各負荷下的實際導葉開度值與原先導曲線中120 m設定導葉開度對比，見表2所示。

針對這種情況，技術人員在改造過程中通過變負荷試驗、篩選歷史數據等方式，收集幾個特定水頭下不同功率所對應的實際導葉開度值，重新修正先導曲線。根據變負荷試驗及已收集的數據，結合近年來機組運行實際情況，重新優化了5組水頭下對應的11個負荷點導葉開度，用于程序中插值函數的計算。新優化的11個負荷點針對機組投入AGC運行后負荷調整較為頻繁的200～300 MW區間進行了加密處理，將每40 MW一個負荷點加密至每20 MW一個負荷點，見表3所示。

表2 120 m水頭下導葉開度先導曲線與實際值對比Tab.2 Comparison of the gate opening of the guide curve and the actual value under the head of 120 meters

表3 優化后先導曲線Tab.3 Optimized guide curve

修改后的先導曲線如圖8所示。在采用新收集的數據替代了原程序中的先導曲線后，機組調整負荷時的超調量基本被限制在10 MW以內，調節性能得到了較大的改善。

圖8 修改后的導葉開度先導曲線Fig.8 Modified guide gate opening curve

5 結 語

小浪底水電站水輪機調速系統在改造及優化過程中，技術人員因地制宜，經過詳細分析研究，采用改變開停機回路節點連接方式、將比例閥輸入信號進行冗余配置及優化功率調節模式下調節參數等方法，解決了開停機閥換型后匹配、比例閥誤開啟及調節品質下降等一些問題。改造后的調速系統整體運行穩定性及安全性均達到了較高的水平，缺陷率明顯降低；在經過優化負荷先導曲線等措施后其動態及靜態調節品質也有了較大的提升，負荷超調量較優化前有明顯改善。

□