水電機組調速系統控制異常的分析與應對

徐長明，郝 輝，鄧友漢

(中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133)

調速系統根據電力系統負荷變化以及系統頻率的波動，不斷調節發電機組的輸出功率，維持機組轉速在規定的范圍內，對于電力系統的穩定運行具有重要作用[1]。主配壓閥閥芯位移作為閉環控制中的重要反饋信號，若出現異常，會導致機組功率波動，嚴重時會導致機組被迫停機，直接影響調速系統控制的準確性與穩定性[2]。通過冗余設計，優化安裝位置與方式等方法減小外部因素干擾，降低系統誤差，提高了主配閥芯位移反饋信號的穩定性。

但受工作年限以及現場復雜環境影響，位移傳感器本身的故障偶有發生，故障出現時，調速系統若不能及時進行故障定位與診斷，將嚴重影響機組安全穩定運行。本文通過分析某電站機組發生的調速系統控制異常，提出了一種調速系統主配壓閥位移傳感器故障自診斷方法。

1 概 述

經過多年的技術發展與創新，機械液壓式調速器，模擬電路式調速器已經退出歷史舞臺。目前水電機組多采用PLC或PCC微機型調速器，PLC或PCC可靠性高，抗干擾能力強，能處理復雜的控制任務，使得其在水輪機調速器智能控制、故障診斷領域得到了廣泛的應用[3]。

某電站調速系統采用非對稱式結構設計，并行冗余控制方式，兩套PCC分別控制比例伺服閥和步進電機，通過采集主接力器位移反饋信號及主配壓閥閥芯位移反饋信號形成兩級閉環控制，如圖1所示。主備用切換是通過切換閥實現液壓回路切換，進而通過主配壓閥控制接力器動作。當主機故障時，切至備機運行，當兩套都發生故障時，切至純機械手動運行，維持導葉開度不變，步進電機采用自復中機構實現調速系統的純手動操作，緊急情況下，通過急停閥直接作用于主配壓閥給接力器關腔通壓力油，關閉導葉保證機組安全。

圖1 調速系統結構圖

2 調速系統控制異常分析

2.1 控制異常經過

調速器A套比例伺服閥主用，遠方自動方式下功率模式正常運行，機組功率670 MW左右。當運維人員手動將機組切至B套步進電機自動方式運行時，調速器控制出現異常，機組功率出現發散振蕩，中間出現短暫穩定后再次出現振蕩，功率最大波動在±14%，而調速器沒有發出任何故障報警信號，將調速器切回A套主用運行，調速器迅速將機組功率拉回至有功給定附近，機組功率恢復正常。

2.2 原因分析

若主配壓閥機械中位調整偏關或偏開，調速器A套和B套都會出現機組抽動或溜負荷的現象，而調速器在A套運行時，機組功率未出現波動的情況，排除主配壓閥機械中位飄移導致的功率波動。經查詢趨勢分析系統，調速器控制異常發生時功率給定一直穩定在670 MW，網頻穩定在50 Hz，一次調頻未動作，調速器一直在功率模式下運行，進而排除外部因素，確認異常是由調速器自身原因導致的。

調速系統采用兩級閉環控制結構[4]，大環輸入為PID模塊計算輸出的導葉給定和導葉開度反饋信號，輸出主配給定；小環輸入為主配給定和主配位移反饋信號，輸出比例閥給定值或步進電機旋轉步長，如圖2所示。

圖2 調速系統兩級閉環控制結構圖

正常情況下，網頻穩定，一次調頻不動作，機組帶穩定負荷運行時，如果PID輸出開度給定與導葉開度反饋差值小于調節死區，通過大環計算輸出主配給定標幺值應為0%，主配壓閥應位于中位，如果B套電氣中位設置值正常，主配位移傳感器無故障，則采樣值應位于零點設置值附近，主配位移反饋標幺值值為0%左右，通過小環計算輸出步進電機不動作。通過現場檢查確認主接反饋信號無異常，而B套主配位移傳感器反饋標幺值為-19.51%左右，與步進電機中位給定0%存在差值，大于調節死區，當調速器切B套運行時，步進電機向上運動，將傳感器標幺值拉回0%左右，此時接力器開方向通壓力油，導葉開度變大，機組功率增大，當功率超過調節死區時，功率閉環通過PID計算輸出開度給定減小，將導葉回關，機組功率拉回至有功給定附近，故而出現功率反復振蕩的現象，如果大環輸出的主配給定與主配反饋值一致，則會達到一個新的動態平衡，維持導葉開度不動，隨著機組功率出現波動，動態平衡被打破，再次出現功率反復波動，如果B套主配傳感器故障一直存在，并在調速器B套運行，則反復出現上述情況(見圖3)。

3 自診斷機制研究

由于控制程序中設計有模擬量信號跳變及斷線故障判斷邏輯，本文僅研究因傳感器不能真實反映設備狀態導致的控制異常故障判斷方法。

方案一：采用三選二冗余判斷機制，再增加1根位移傳感器，將3個傳感器信號分別都送入A套與B套控制器，通過兩兩差值比較計算進行故障診斷，判斷邏輯如圖4所示。

方案二：正常情況下主配傳感器根據主配給定，按照一定的方向與速率移動，反之傳感器則可能出現故障。保持現有硬件結構，通過計算主配位移給定與主配位移反饋的差值同偏差設定值比較，以及移動速度與設定速度比較進行故障判斷，判斷邏輯如圖5所示。

圖3 調速系統控制異常數據波形圖

圖4 傳感器故障判斷流程圖(方案一)

圖5 傳感器故障判斷流程圖(方案二)

采用三選二冗余判斷機制可以有效的增加信號的可靠性，降低非冗余設備故障導致的機組運行風險[5]。

但是由于某電站采用的是A套比例伺服閥，B套步進電機的非對稱式結構，A套主配位移傳感器跟隨引導閥上下運動。而B套主配位移傳感器與步進電機滾軸絲桿連接，當調速器在A套運行時，步進電機自復中位，B套主配位移傳感器不動作，若要實現三選二冗余需要更換B套傳感器安裝位置與方式，且再增加1個傳感器，受限于現場空間及位置約束，改造施工難度大。

而方案二無需改動現有硬件結構，通過增加故障判斷算法就可以實現故障自診斷，但是需要選取合適的偏差設定值及速度設定值才能準確判斷故障防止誤報錯報。可以通過現場實驗以及分析機組運行數據可以逐步選取最佳參數。

經過以上分析方案二比較符合現場實際情況，改造施工難度小，效率高，經濟可靠。經過現場實驗以及分析機組運行數據選取了合適的報警參數后，通過模擬主配傳感器故障，控制器準確的進行了故障識別判斷，并按照控制邏輯進行切機操作。

4 結 語

調速系統的正常穩定運行直接關系到機組功率輸出以及電網頻率的穩定。而故障判斷與預警作為調速系統正常穩定運行中至關重要的一環，需要引起足夠的重視。受現場復雜環境以及元器件設備自身特性的影響，故障判斷與預警較為復雜，往往因故障判斷邏輯考慮不夠周全而埋下安全隱患。

本文通過分析某電站機組發生的調速系統控制異常，查找分析功率振蕩原因，提出了一種調速系統主配壓閥位移傳感器故障自診斷方法。該自診斷方法通過分析傳感器工作特性，確定最優的故障報警參數，引入故障判斷機制，可快速準確地進行故障判斷與預警，為調速系統故障處理提供有力依據，同時也為巨型水電機組的穩定運行及同類傳感器故障自診斷打下基礎。