水電機組調速器主配壓閥抽動故障機理分析

趙 勇，榮 紅，何林波，蔡衛江，許 棟

（南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引言

水電機組調速器主配抽動故障作為一個頻發性問題，關聯變量較多，涉及液壓隨動系統失穩以及閉環（開度閉環、頻率閉環和功率閉環）控制的頻繁調節。主配抽動勢必帶來諸如打油頻繁、開度失穩、負荷波動等后果。不少水電站出現過主配反饋斷線、跳變問題，造成發電工況下主配劇烈抽動導致開度變化大進而引發負荷大范圍擾動，機組被迫事故停機。

關于主配抽動故障，不少文獻給予了闡述分析，亦提出了不少消缺方案、技術措施。因常規主配反饋傳感器采用導電塑料電阻軌型材，多年運行產生一定磨損致使電接觸不良，主配反饋跳變嚴重進而造成主配閥芯在中位附近隨機抽動頻率加大，通過更換傳感器得以解決[1-4]。因齒盤探頭安裝未指向大軸中心線且距離偏大，引起測頻反饋跳變致使頻繁的一次調頻進而造成主配壓閥抽動，通過調整齒盤測速裝置支架和探頭后得以解決[5]。因導葉開度編碼器元件故障，導葉反饋測值跳變開度頻繁調節而造成主配壓閥抽動，通過更換開度編碼器備件后得以解決[6]。

多數文獻針對主配抽動僅簡單羅列出一些相關因素并逐一排查處理，缺乏本質的認知，手段盲目低效，很難取得理想效果。對主配抽動這類典型的自控系統液壓控制故障，真正掌握其內在機理與外部參量、建立科學有效的分析方法以準確找到故障原因，具有重要意義。

此外，針對主配抽動故障，實際工程中尚未應用成熟完善的在線故障診斷算法。建立這樣一套液壓故障診斷算法，自動快速地診斷出主配抽動故障，并進行主/從控制器的冗余切換，以便快速恢復控制系統的穩定，防止事故的擴大化，保證機組的安全穩定運行，具有重要的意義。

1 主配壓閥抽動故障內在機理

1.1 勞斯霍爾維茨穩定性判據

主配抽動屬于閉環液壓隨動系統失穩問題，求解連續時間因果的液壓系統穩定性可利用勞斯霍爾維茨穩定性判據[1]。1877年由勞斯（Routh）提出的代數判據如下：

設閉環系統特征方程。D（s）=a0sn+a1sn-1+…+an-1s+an。S1，S2，…Sn為系統特征方程的根。要使所有的特征根全部具有負實部，系統穩定的充要條件是：

（1）特征方程的各項系數a0＞0，a1＞0，…an＞0；

（2）勞斯陣列（如圖1所示）中第一列的所有元素均為正數。

圖1 勞斯陣列表計算方法圖

若表中第一列出現負數項，則系統不穩定。第一列元素符號改變的次數代表特征方程在S平面的右半平面根的個數。

1.2 調速器液壓隨動系統傳遞函數

水電機組調速器控制系統最內環為電氣控制輸出和主配壓閥反饋信號之間的負反饋硬閉環，其液壓隨動系統傳遞函數框圖如圖2所示。其中，K1為電氣放大系數，T1為伺服閥反應時間常數，Ty1為主配壓閥反應時間常數，Ty為接力器反應時間常數，W3為穩零偏差系數，W4為主配反饋增益系數。開度給定與開度反饋的偏差經導葉副環PI環節計算得到開度輸出，主配反饋環節將主配傳感采集信號經穩零修正W3后乘以放大系數W4，然后將開度輸出與主配反饋環節比較得到控制輸出，控制輸出信號經功放板放大后作為伺服閥控制信號。考慮到伺服閥內部自成閉環，可將伺服閥的積分環節與其負反饋視作整體，此時伺服閥是一個慣性環節。控制輸出經過伺服閥的慣性環節輸出至主配壓閥的控制腔以控制主配閥芯的運動，是一個積分環節，主配閥芯運動作為負反饋輸出與開度輸出形成閉環，接力器作為最終控制對象，是一個積分環節。穩零偏差環節作為電氣零位的補償，考慮零位正常的情況，傳遞函數計算中可以忽略W3。

圖2 調速器液壓隨動系統傳遞函數框圖

根據圖2框圖，可得調速器電液隨動系統傳遞函數：

1.3 液壓隨動系統失穩（主配抽動）機理推演

列出式（1）的特征方程：

整理式（2），得到：

根據勞斯霍爾維茨判據，列出勞斯陣列如下：

要使系統穩定，則第一數值列全為正，得出：

由（7）式可知，只要保證主配反饋增益系數W4取值合理，即可保證系統趨于穩定。

下圖3為利用Matlab數值模擬的該系統的取值變化情況，可知：當W4＞T1/Ty（試驗設定W4=1、T1=0.01、Ty=0.1）時，系統有外部擾動失去平衡后，系統會逐漸趨于穩定，曲線是收斂的；當W4=T1/Ty（試驗設定W4=0.1、T1=0.01、Ty=0.1）時，系統有外部擾動失去平衡后，系統會出現等幅震蕩且會一直持續，曲線無法收斂；當W4＜T1/Ty（試驗設定W4=0.01、T1=0.01、Ty=0.1）時，系統一旦受到擾動失去平衡后，系統震蕩幅度逐漸加大，曲線發散。

圖3 調速器液壓隨動系統穩定性仿真

因此，調速器液壓系統主配閥自發抽動的本質是主配反饋信號的硬削弱或消失，具體表現為：

（1）主配反饋增益W4過小，接近或為零。此時，主配反饋信號乘以W4后變得微小。在水電工程中，W4的存在形式一般有兩種：①機柜中的綜合控制模塊的電位器，其原理為滑膜變阻器，通過順/逆時針旋進、旋出改變主配反饋增益大小，如果電位器滑膜破裂會導致W4失效；②電氣控制柜中的主配增益參數，可由人機界面寫入到控制器程序中，如果該參數存儲在非ROM區會因控制器CPU電池失電掉參數。

（2）主配反饋信號丟失。如主配反饋信號斷線，主配反饋即為零，硬閉環直接斷開成開環，不滿足W4＞T1/Ty，造成主配抽動劇烈，實際工程中多有發生。

2 主配壓閥抽動故障外因

主配壓閥自身的閉環是一個自穩定的伺服系統，所謂“自穩定”，就是在沒有施加外界電壓或電流信號下，主配壓閥依靠自身的閉環伺服控制可以達到一個穩態。主配抽動的內因是其反饋失效，主配抽動的外因是電氣控制信號頻繁變化。在主配反饋閉環之外還有幾大關鍵反饋的閉環，如圖4所示。

圖4 調速器控制框圖閉環環節

（1）開度的閉環。開度閉環涉及的參量有開度反饋信號和副環參數KP（比例系數）、DB（積分死區）。開度反饋方面，開度反饋信號跳變不穩，主要來自3個因素：①傳感器本身質量；②傳感器安裝不當加之機組運行在振動區波動較大；③信號回路的電磁干擾。副環參數方面，當積分死區過大時，調節穩定性變差。

（2）頻率的閉環。頻率閉環涉及的參量有頻率反饋信號、調頻死區和調頻主環參數Kp1、Ki1、Kd1。頻率反饋方面，當以齒盤頻率作為主反饋時，會因漏齒或穩壓不夠造成齒盤跳變。調頻死區方面，人工死區過小或參數丟失，會引起頻繁調節。調頻參數方面，當積分參數過大，調節穩定性變差，尤其空載工況。

（3）功率的閉環。功率閉環涉及的參量有功率反饋信號、調功死區和調功主環參數Kp2、Ki2、Kd2。功率反饋方面，主要是功率變送器本身和反饋環節的響應滯后，引起周期性震蕩。調功死區方面，如果設置偏小或參數丟失，勢必調功頻繁。調功參數方面，積分參數過大，造成調節不穩。

以上這些反饋信號的跳變、死區過小以及PID調節參數的不合理均會導致控制上的調節震蕩，主配壓閥表現出適應性調節抽動。

以開度環為例來說明副環參數不合理導致的調節震蕩。通過人為修改開度控制（副環）參數，如設定KP=12、DB=10，在調試態下對穩態中的液壓系統給予0.5%的下擾量。由于比例較大加上積分輸出限制過大，導致控制輸出信號上下過調嚴重，形成周期性震蕩，主配與導葉來回抽動。該種主配抽動情況正是由于控制參數不合適、往復頻繁調節造成。

圖5 改變副環參數KP、KI引起的主配和導葉抽動

此外，其他情況，如由于水力因素的托馬現象等產生負荷波動進而導致的調節頻繁、一次調頻和二次調頻之間沖突引起的頻繁調節以及電氣零點漂移不穩導致間歇性電氣輸出將主配閥芯拉回到中位等，主配壓閥均表現出了適應性調節抽動。

3 結論

結合調速器閉環控制模型，通過推演液壓系統失穩機理，全面分析了造成主配抽動的內因為主配反饋的失真或斷線，外因為控制上的頻繁調節。針對主配壓閥抽動故障建立的一套科學有效的分析方法，方便了工程技術人員、水電運維人員精準高效地鎖定故障原因并及時解決調速器主配壓閥抽動故障，從而極大程度地保證了水電機組的安全穩定運行。