調速器主配中位自動診斷及智能糾偏技術研究與應用

涂 勇，陳自然，盧舟鑫

(向家壩水力發電廠，四川 宜賓 644612)

0 引 言

水力發電過程中，水輪機調節系統承擔著機組工況控制、功率調節及頻率調節等主要任務[1]，其通過控制水輪機活動導葉開度來調節過機流量，從而調節機組的轉速和有功功率等電能核心指標[2]，對機組的安全穩定優質運行有著重大影響。尤其是當今世界單機容量位居世界之最的向家壩巨型水輪發電機組，由于單機容量大，一旦調節性能下降，甚至惡化，將嚴重影響電網電能質量。為提高調速器的可靠性和調節性能，保障機組和電網的安全穩定優質運行，向家壩水電站技術人員針對機組投運以來，調速器暴露的主配頻繁調節問題，追根溯源，深入研究，并對癥下藥，制定相應對策，開發調速器電氣控制系統自適應功能，例如調速器主配中位自動診斷及糾偏功能。該功能有效解決調速器主配頻繁調節問題，實現調速器容錯糾錯機制，顯著提升調速器的性能， 保障水輪發電機組和電力系統的安全穩定優質運行。

1 向家壩電站調速器電氣控制系統簡介

向家壩電站調速器電氣設備采用兩套可編程PCC控制器，兩套控制器均具備獨立控制調速器的能力。A套調速器采用比例閥、B套調速器采用步進電機作為電液轉換設備，通過切換電磁閥，實現兩套控制系統相互切換。

水輪機調節系統是由調速系統和被控制系統組成的閉環系統[3]。向家壩調速器閉環控制結構如圖1所示。

圖1 向家壩電站調速器閉環控制結構圖Fig.1 Closed-loop control structure of governor in Xiangjiaba Hydropower Plant

2 主配頻繁調節問題

2.1 現象描述

當機組調速器液壓跟隨系統導葉設定值穩定不變時，機組導葉開度在調速器調節穩定后出現持續增大或減小趨勢，調速器主配出現周期性調節，且調節過程中，機組導葉開度始終保持在導葉開度死區之內，若主配調節周期小于某一閾值，則將這種現象稱為主配頻繁調節現象。向家壩電站某臺機組主配頻繁調節錄波曲線圖見圖2。

圖2 向家壩電站某臺機組主配頻繁調節錄波曲線圖Fig.2 Recording curve of frequent adjustment of main configuration of a unit in Xiangjiaba Hydropower Plant

2.2 原因分析

導致主配頻繁調節現象的直接原因是，在調速器調節穩定后，機組導葉開度持續增大或減小。這與以下幾個因素有關：①液壓隨動系統比例閥和主配中位未整定準確。②主配傳感器測量主配位置信號不準，比例閥驅動信號輸出不準確，存在溫漂現象。③接力器在不同開度下油路密封情況不同，漏油量不同。④水力因素。因素1會導致調速器調節穩定后主配復中的位置偏移主配實際中位，致使導葉開度定向持續變化，引起頻繁調節。后文3.1中會進行詳細的理論解釋。因素2客觀存在，特別是當傳感器周圍溫度環境存在明顯變化時，此因素對主配位置信號測量和比例閥驅動信號影響更顯著。主配反饋信號和比例閥驅動信號產生溫漂，會導致調速器調節穩定后主配復中的位置偏移主配實際中位，致使導葉開度定向持續變化，引起頻繁調節。后文3.1中會進行詳細的理論解釋。因素3會導致導葉開度定向持續變化，且不同開度下變化速度不同，引起頻繁調節。因素4存在不確定性，不同水頭不同開度時影響不同。

2.3 影響危害

主配頻繁調節現象會導致主配閥芯位置頻繁抽動、液壓系統油泵頻繁啟停、耗油量異常變大、油溫`組設備產生不良影響，嚴重威脅機組的安全穩定運行。若并網運行狀態下機組出現主配頻繁調節問題，負載下處理風險很高，若停機或在空載狀態下處理又會造成棄水或減少有效發電時間，影響發電效益。

3 主配中位自動診斷及智能糾偏技術

為解決向家壩調速器存在的主配頻繁調節問題，主要從2.2中因素1和因素2入手，對調速器液壓隨動系統中位自適應控制功能進行專項研究，提出了一種通過實現液壓隨動系統主配中位的自動診斷和智能糾偏，解決向家壩調速器主配頻繁調節問題的液壓隨動系統中位自適應控制方法。當中位零點在機組運行過程中出現了漂移，而漂移的大小在不影響正常運行的情況下，調速器電氣部分輸出一對應的值到電液轉換環節進行零點補償，以保證整個調速系統的穩定[4]。該方法可廣泛應用于使用主配、接力器作為執行機構形式的水輪發電機組，能夠對調速器的閉環調節過程進行監視和診斷，一旦發現調速器由于調速器主配電氣中位漂移或者中位整定不準確等原因導致調速器調節性能下降，則自動啟動智能糾偏功能，對主配電氣中位進行修正，從而保證調速器調節性能穩定，實現主配電氣中位自適應。

3.1 主配中位糾偏原理

主配中位糾偏的理論基礎為調速器液壓隨動系統靜態平衡理論。下面進行詳細闡述。

調速系統液壓隨動系統由電液轉換元件、液壓控制元件和執行元件等組成[5]。為了使控制系統的表示既簡單又明了，在控制工程中一般繪制控制系統的框圖進行分析研究[6]。向家壩電站調速系統液壓隨動系統框圖如圖3所示存在兩個閉環反饋：導葉開度控制環和主配控制環，當調速系統液壓隨動系統靜態平衡時，導葉開度控制環和主配控制環必然平衡穩定。

圖3 調速器液壓隨動系統閉環結構框圖Fig.3 Closed-loop structure of hydraulic servo system of governor

假設導葉開度反饋為Y，調速器電氣控制系統PID模塊輸出的導葉開度給定為Y給定，開度死區為Y死區，開度差值為ΔY，導葉開度控制模塊增益系數為KY，導葉開度控制模塊輸出的主配位置給定為M給定，主配位置反饋為M，主配電氣中位設定值為M中，主配的動作死區為[M1，M2]，其中M1<0

由圖3所示，當調速系統液壓隨動系統靜態平衡時，各變量必然滿足以下關系：

ΔYKY=M給定

(1)

(M給定-M)KM=B給定

(2)

B給定+B0=B0平衡

(3)

B0平衡=B0實際

(4)

當|Y給定-Y|≤Y死區時：

ΔY=0

(5)

經過比例閥電氣中位自診斷自定位處理后

B0=B0實際

(6)

由上述六式(1)～式(6)可以得到：

M=0

(7)

由式(7)明顯可以看出，在調速器液壓隨動系統靜態平衡，比例閥中位設定值設定合理前提下，主配位置反饋M為0，即主配位置被調速器電控系統調節到主配電氣中位。

測量主配位置信號的傳感器由于受溫度變化、電源電壓不穩等因素的影響，不可避免輸出信號存在溫漂現象，即主配位置反饋信號發生漂移，從而調速器主配電氣中位產生偏移，設零漂偏移量為ΔM，則主配位置實際反饋M實際=M-ΔM=-ΔM。當主配位置反饋信號零漂偏移量為正時，主配實際位置偏關；當主配位置反饋信號零漂偏移量為負時，主配實際位置偏開。

當主配電氣中位產生嚴重偏移，導致主配位置實際反饋M實際?[M1，M2]時，導葉開度反饋Y開始變化。當ΔM>0，M實際M2時，導葉開度反饋Y開始增大。

為了解決機組并網運行過程中上述調速器液壓隨動系統主配中位漂移問題，就需要實時對調速器主配電氣中位漂移進行自動診斷和智能糾偏。

無論是由于主配中位整定不準確，還是主配電氣中位由于受溫度變化、電源電壓不穩等因素的影響產生漂移，導致主配發生頻繁調節現象，其糾偏方法如下：若導葉開度反饋Y有持續變小趨勢，糾偏需要增加M中；若導葉開度反饋Y有持續變大趨勢，糾偏需要減小M中。

3.2 主配中位自動診斷方法

系統自診斷功能：系統發生故障時能及時做出判斷，并發出報警信號，給出故障產生原因的推斷[7]。為實現調速器主配中位漂移自診斷功能，根據3.1中主配中位糾偏原理，可以找到一種調速器主配中位自動診斷方法如下：

(1)調速器電控系統實時采集調速器液壓隨動系統PID模塊輸出的導葉開度給定Y給定，主配位置給定M給定等數據；

(2)判斷相關數據是否滿足調速器主配電氣中位漂移判據：當導葉開度給定Y給定穩定不變時，主配位置給定M給定調節周期小于閾值T，主配調節周期與機組調速器的接力器靜態漂移速度和開度調節死區有關，T可根據機組實際情況綜合考慮設定，一般不小于20 s；

(3)若滿足判據，則停止診斷，進入主配電氣中位自動糾偏環節；若不滿足判據，返回步驟1。

3.3 主配中位自動糾偏方法

實現調速器主配中位漂移自診斷功能后，就可以進一步實現故障處理功能。根據3.1中主配中位糾偏原理，可以找到一種調速器主配中位自動糾偏方法如下：

(1)調速器電控系統實時采集調速器液壓隨動系統主配位置反饋M，導葉開度反饋Y、主配位置給定M給定等數據；

(2)檢測當導葉開度給定Y給定穩定不變時，實時計算主配位置給定M給定調節周期；

(3)若主配位置給定M給定調節周期小于閾值T′且主配位置給定M給定為開向調節時，則將主配中位設定值增加最高單位精度值，調整周期與主配位置給定M給定調節周期正相關，調整后返回步驟1；若主配位置給定M給定調節周期小于閾值T′且主配位置給定M給定為關向調節時，則將主配中位設定值減小最高單位精度值，調整周期與主配位置給定M給定調節周期正相關，調整后返回步驟1；若主配位置給定M給定調節周期大于閾值T′時，停止主配中位智能糾偏，繼續進入調速器主配及導葉頻繁調節故障診斷環節。T′>T且T′可根據機組實際情況綜合考慮設定，一般不小于60 s。T′設置越大，最終主配電氣中位設定值越接近主配電氣中位實際值。

4 主配中位自動診斷及糾偏功能開發

向家壩電站調速系統控制器采用的是貝加萊PCC2005，軟件開發應用環境是貝加萊AS3.0，通過此開發平臺，開發調速器電氣控制系統自適應控制功能，編寫調速器電氣控制系統主配中位自動診斷及智能糾偏功能程序塊，嵌入調速器電氣控制系統程序中，然后上傳控制器PCC，完成調速器電氣控制系統主配中位自動診斷及智能糾偏功能軟件開發。

根據主配中位自動診斷和糾偏方法，調速器主配中位自動診斷及智能糾偏功能程序塊主要分為數據采集、系統靜態平衡判斷、主配中位診斷以及主配中位糾偏四大部分。觸摸屏人機交互畫面見圖4，軟件流程見圖5。

圖4 人機交互界面Fig.4 Human-computer interaction interface

圖5 主配中位自動診斷及糾偏流程圖Fig.5 Flow chart of main configuration median automatic diagnosis and deviation correction

5 現場應用測試

向家壩水電站某臺機組在檢修過程中，采用該方法，優化了調速器電氣控制系統程序，增加了主配中位自動診斷和糾偏功能。下面結合向家壩電站調速器液壓隨動系統主配中位自動糾偏試驗以及試驗數據結果，說明調速器主配中位自動診斷及糾偏技術在現場實際中的應用。

5.1 試驗過程

將向家壩水電站某臺機組調速器控制方式切為A套控制器在線，自動電手動運行方式，并網開度模式，保持開度給定穩定不變，液壓隨動系統比例閥中位已準確設定，主配電氣中位已準確設定為16 950，人為修改至17 050后進行試驗，主配電氣中位設定值調整周期為主配位置給定M給定調節周期，T設為20 s，T′設為20.5 s，主配位置給定M給定調節周期初始化值為40 s。

5.2 試驗數據

主配電氣中位糾偏曲線圖見圖6。圖6中，藍色為糾偏過程中主配位置給定M給定調節周期曲線，紅色為主配電氣中位設定值M中曲線。

5.3 試驗分析

由圖6可見，試驗中，第9.6 s，試驗人員將控制程序中主配電氣中位調整功能使能位置1，第16.4 s程序自動檢測到主配位置給定M給定調節周期為3.5 s，小于閾值T，開始以主配位置給定M給定調節周期為周期，減少1個碼值，程序實時計算刷新主配位置給定M給定調節周期，直到第656.4 s，主配位置給定M給定調節周期大于閾值T′為止，主配電氣中位重新設定為17 009，調整結束。主配中位設定值調整周期越長，主配位置給定M給定調節周期測量越精確，最終主配電氣中位設定值越接近主配電氣中位實際值。

圖6 主配電氣中位糾偏曲線圖Fig.6 Median deviation correction curve of main distribution

6 結 語

通過現場實際應用測試，驗證了調速器液壓隨動系統主配中位自動診斷及智能糾偏功能，較好地解決了由于調速器液壓跟隨系統主配中位整定不準確或電氣中位漂移導致的主配頻繁調節問題，保證了水輪機組安全穩定運行。該功能的實現，增添調速器部分容錯糾錯能力，明顯提升調速器的調節性能，為設備精益化運行維護提供了有力幫助，為水輪發電機組和電力系統的安全穩定優質運行提供了充分保障。

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