水電站調速系統邏輯優化研究

李 博，黃文明，鄭德芳

（雅礱江流域水電開發有限公司二灘水力發電廠，四川攀枝花 617000）

0 引言

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內，距其上游二灘水電站18km，距其下游的雅礱江與金沙江交匯口15 km，是雅礱江下游最末一個梯級電站。桐子林水電站以發電任務為主，兼有下游綜合用水要求，水庫具有日調節性能。電站總裝機容量60 萬kW（4×15 萬kW），為軸流轉槳式水輪發電機組，額定水頭為20 m，設計枯水年枯水期平均出力22.7 萬kW，多年平均發電量29.75 億kW·h，年利用小時數4958 h。

桐子林水電站水輪機組調速系統采用南瑞集團公司生產的SAFR-2000H 型雙微機調速系統。微機調節器部分采用了貝加萊公司的PCC2005 控制器為核心，機械液壓部分則選用了BOSCH 公司的比例伺服閥作為電液轉換單元，軟件部分則采用了南瑞公司專有的改進型并聯PID（Proportional Integral Derivative controller，比例-積分-微分控制）算法。現調速器控制系統雖然自投運至今，運行穩定，但是通過對調速器控制系統的重要判斷邏輯進行梳理分析，發現防假甩控制邏輯、液壓故障判斷邏輯、有功給定通道軟故障判斷邏輯均需要進行優化和完善，為確保調速器控制系統的穩定、可靠運行，準確及時進行故障定位，現場對調速器控制系統系列故障判斷邏輯進行優化研究。

1 調速器控制系統存在的問題及優化項目

1.1 防假甩控制邏輯不完善

桐子林水電站調速器控制系統對于機組假甩工況具備一定的識別能力：機組并網狀態下，當調速器控制系統采集到的功率反饋小于20%Pn（30 MW）時，若GCB（Generator Circuit Breaker，發電機出口斷路器）或主變低壓側斷路器輔助接點斷開時，調速器控制系統才會判斷認定機組甩負荷，進而會退出“發電態”進入“空載”態，調速器控制系統將進行頻率調節。桐子林水電站單臺機組并網后的最低允許負荷為10 MW，根據以上防假甩邏輯判斷依據，存在機組帶小于30 MW 負荷時因GCB 或主變低壓側斷路器輔助接點誤斷開，導致調速器控制系統誤判斷，進而引發誤甩負荷的事故。

1.2 液壓故障判斷邏輯不完善

桐子林水電站調速器控制系統對于導葉液壓故障和槳葉液壓故障的判斷邏輯及方式相同，以導葉液壓故障判斷邏輯為例：在本套控制器為主機、導葉為“自動”方式、導葉反饋無故障條件下，當導葉的給定和反饋偏差超過一定值且液壓故障報警計時器延時到時，液壓故障報警輸出，即若導葉給定與導葉反饋的差值大于20%持續16 s 后，在1 s 內仍沒檢測到導葉相應開或關方向動作則報液壓故障。調速器控制系統中對導葉、槳葉的液壓故障的邏輯判斷不夠細致，未根據現場實際狀況對故障判斷參數進行匹配性驗證，提取機組前期相關運行數據，現液壓故障判斷閾值較大，該邏輯不能很及時準確的反應出液壓故障，易導致事故擴大。

1.3 功率模式下，有功給定通道軟故障報警，切開度模式功能不完善

桐子林水電站調速器控制系統在“功率模式”下工作時，若檢測到功率給定模擬量通道故障時，控制系統會自動切至“開度模式”進行調節控制，以確保機組的穩定性，避免負荷波動。調速器控制系統僅對功率給定模擬量通道斷線及越限故障進行了判斷，但是無法識別有功給定模擬量通道出現通道偏差類軟故障，對于故障的判斷不全面，導致該邏輯無法及時準確反應出有功給定模擬量通道故障。

2 調速器控制系統邏輯優化

2.1 完善防假甩控制邏輯

桐子林水電站調速器控制系統在原防假甩控制邏輯的基礎上進行優化，即考慮甩負荷工況下機組頻率的改變。機組并網運行時，因故GCB 或者遠方斷路器斷開，則機組負荷會快速下降，同時導葉尚未回關，根據能量守恒定律，機組頻率會上升；同時機組并網狀態下，存在機械安全自動裝置動作直接導致關導葉或落進水口閘門的情況，即先機組停機后斷開GCB 和遠方斷路器，此種狀態下，機組負荷會持續下降至0 并最終導致機組頻率也隨之下降的后果，此種情況也可歸屬于甩負荷的工況。

圖1 防假甩控制邏輯流程

調速器控制系統引入頻率判據條件，優化后的防假甩控制邏輯為：調速器控制系統在“發電態”下，當GCB 或遠方斷路器輔助接點斷開，且機組功率反饋小于20%Pn（30 MW），且機組頻率小于49.5 Hz 或大于50.1 Hz 時，調速器控制系統才進入“空載態”，否則保持“發電態”，如圖1 所示。

2.2 完善液壓故障判斷邏輯

桐子林水電站調速器控制系統對于導葉、槳葉液壓故障的判斷方式無需優化，需要根據現場導葉、槳葉實際動作過程中的一些測定值，以確定液壓故障的各個設定閾值。

根據導葉在各開度下進行擾動試驗時其調節速率以及導葉主配開、關方向機械限制幅度，確定導葉開方向和關方向的最小動作速度值閾值，調速器控制系統導葉液壓故障最終判斷邏輯為：當本套控制器為主機、導葉為“自動”方式、導葉反饋無故障時，當導葉給定與導葉反饋的差值大于3%持續4 s 后，判斷開啟方向導葉動作速度小于0.5%/s，判斷為導葉液壓故障；當導葉給定與導葉反饋的差值小于-3%持續4 s 后，判斷關閉方向導葉動作速度小于0.5%/s，判斷為導葉液壓故障，如圖2 所示。注：槳葉液壓故障判斷邏輯及依據同導葉液壓故障，僅報警閾值設置不同。

2.3 完善功率模式下，有功給定通道軟故障報警，切開度反饋模式功能

桐子林水電站調速器控制系統在功率模式下，無法識別有功給定模擬量通道出現通道偏差類軟故障。若增加監控系統至調速器控制系統的有功給定通信量，則監控系統通過MODBUS通信量下發有功設定值存在MODBUS 通信故障或異常，導致有功設定值通信量與模出量AO 出現偏差，進而導致機組功率模式和開度模式之間的被動切換的風險。因此選擇通過判斷有功給定值的變化速率來進行軟故障判定，即在監控側已限制每次最多只能在原有功給定的基礎上增加或減少50 MW 的前提下，調速器控制系統在“發電態”下，當有功給定值1s 內變化超過50 MW，報“有功給定故障”，切開度反饋模式，可一定程度避免因有功給定模擬量通道出現通道偏差類軟故障造成的機組負荷的波動，如圖3 所示。

圖2 導葉液壓故障判斷邏輯流程

圖3 有功給定故障判斷邏輯流程

3 調速器控制系統邏輯優化效果驗證

根據調速器控制系統的最新邏輯判斷，進行了相應的模擬試驗，在防假甩判斷、導葉和槳葉液壓故障判斷以及有功給定故障判斷上均取得良好的預期效果，有效規避了一定程度的故障誤判、錯判、漏判風險，保證了機組的穩定運行。

4 結論

通過對桐子林水電站調速器控制系統整治及優化，完善了防假甩控制邏輯，完善了導葉。槳葉液壓故障判斷邏輯，增加了有功通道軟故障判斷邏輯，提升了調速器控制系統的可靠性、穩定性及故障識別度，對于電廠和電網的穩定運行起到了很好的保障作用。進行一系列的調速器控制系統的功能優化工作，達到保證機組安全穩定運行的目的，同時希望為同行提供借鑒意義。