淺談某水電站調速系統優化改造

陳玉春，李其源

（1.黑龍江省龍保水電檢修安裝有限公司，黑龍江 牡丹江 157000；2.國能大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 雅安 625304 ）

1 引言

水電作為我國能源產業的重要組成部分[1]，不僅承擔著發輸電量的職責，還對我國電力系統的安全穩定運行有著重要的作用[2-3]。水電站作為重要的電力基礎設施，保障設備的穩定運行以及供電的可靠性是其天然的使命，故而水電站對其控制系統均有較高的要求。水輪機調速器作為直接控制水電站電能質量的重要環節，其基本任務是通過調節發電過程中水輪機消耗水能與發電機輸出電能的平衡，實現對機組輸出電能頻率的精準調控，即通過一次調頻保障電網運行的穩定[4]。

隨著近代科學技術的飛速發展，電力系統對于電能質量的需求越來越高，老舊設備難以滿足電站、電網對于安全穩定運行的要求。如何通過提升設備的自動化、信息化、智能化程度，使其滿足當前電力系統安全穩定運行的要求，是當前在運電站所需面對的一道難題。故而，本文以某電站調速系統升級改造項目為例，對其改造過程以及改造前后系統性能進行探討，以期總結經驗提供參考。

2 調速系統現狀

2.1 水輪機調速系統基本作用

水輪機調速系統作為水電機組的重要組成部分，其基本作用如下：

（1）通過自動調節機組的轉速，使其穩定運行在額定轉速允許偏差范圍內，以滿足電網對于發輸電能的頻率質量要求。

（2）通過手動、自動方式實現機組正常或事故情況下的啟停。

（3）在并網情況下，結合電網負荷波動情況，自動承擔系統分配的負荷，保持機組處于經濟運行狀態。

（4）滿足不同類型機組導葉、槳葉的協聯關系。

2.2 調速系統改造前存在問題

2.2.1 硬件部分問題

（1）主配壓閥

由于導葉、槳葉安裝工藝不規范及透平油雜質的影響，主配磨損嚴重，漏油量較大，控制油壓下降快，造成調速器油壓系統油泵頻繁啟停、調速系統溫升較大等事故隱患，將進一步引起調速系統機械密封加速老化、機組運行工況不穩定等故障。

（2）可編程邏輯控制器

調速系統具有3套可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），其中 A、B 套采用施耐德PLC，C套采用西門子PLC，顯示屏為日本光洋觸摸屏。由于PLC系統版本較低，且A、B套與C套品牌不同，實際運行過程中存在程序通用性差、通信維護困難、程序運行故障等情況，常導致觸摸屏死機，甚至出現過觸摸屏死機導致槳葉主配抽動的情況。

（3）控制回路

控制回路作為機組接收動作指令的關鍵路徑具有重要的意義，其動作的可靠性是機組穩定運行的重要保障，改造前機組控制回路如下：

1）調速器導葉、槳葉均采用數字閥進行控制，通過比例閥控制板將PLC控制信號放大后送至機柜導葉、槳葉數字閥從而實現對導葉、槳葉的控制。

2）PLC僅具備一個開關量控制輸出DO模塊和一個模擬量控制輸出AO模塊，即最多輸出16個開關量控制信號和4個模擬量控制信號。進行調速器試驗時，需要在電柜中串接或并接傳感器信號，存在接線錯誤導致設備損壞的風險。

3）調速器開機令、增減有功功率等控制信號由調速器遠方控制方式閉鎖，主要通過監控系統接收調速器信號的遠方公共端實現閉鎖。

4）調速器緊急停機令、急停復歸令由監控系統開出經調速器電柜端子直接下發至調速器機柜急停電磁閥。

2.2.2 軟件部分問題

（1）導葉、槳葉測量功能

調速系統現有的3個導葉/槳葉開度傳感器分別單獨送至A、B、C套PLC，然后通過A、B、C套之間的通信實現導葉/槳葉開度的故障判斷。若A、B、C套PLC之間通信異常，則難以正確判斷導葉/槳葉開度異常狀況。

（2）頻率測量功能

調速系統現有3個齒盤測頻信號分別送至A、B、C套PLC，而殘壓測頻信號則來自同一機端PT，即殘壓測頻信號均采自發電機1YH處電壓信號。若機端1YH二次空開跳閘或故障，將造成調速器A、B、C套PLC殘壓測頻信號消失。

（3）甩負荷判斷功能

調速系統對于機組甩負荷判斷的唯一依據是機組出口開關合閘信號消失，若機組出口開關合閘信號抖動，調速系統易將其判斷為甩負荷狀態，從而造成機組甩負荷或溜負荷事故。

（4）調速器停機流程

調速器現有停機程序要求調速器在接收到停機令后，以每100 ms減少2%導葉開度給定的速度關導葉，故調速器開度給定從機組空載開度（隨水頭變化，約14%）減至全關狀態，僅不到1 s的時間，導葉實際開度從空載開度至全關用時約5 s。而調速器導葉關閉速度過快，易導致轉輪室真空度過大，從而造成機組抬機，甚至造成水輪發電機的損壞。

3 調速系統改造方案

3.1 硬件部分

（1）主配壓閥

通過將現有主配壓閥更換為同型號的導葉/槳葉主配壓閥，強化安裝工藝，確保主配處于中心位置，避免運行中的扭力和磨損，從而減少主配漏油量。

（2）可編程邏輯控制器

將調速系統A、B、C套PLC均更換為施耐德最新型號，在3套PLC之間實現相互通信，形成冗余控制系統。增加交換機集成通信，設置通信管理機以加強與監控系統之間的通信，提高了與監控系統之間的通信質量。

圖1 設備網絡通信結構（以太網）

（3）控制回路

針對控制回路現狀進行優化改造，從而提升其動作的可靠性，防止設備誤動，具體方案如下：

1）調速器導葉、槳葉均采用比例閥進行控制，使其由PLC輸出的模擬量控制信號AO直接進行控制，減少了中間環節，提高了控制的可靠性。

2）將PLC開關量控制輸出DO模塊由16個開關量控制信號增加至32個開關量控制信號，并將模擬量控制輸出AO模塊由1個模塊增加至4個模塊，最大可同時輸出16個模擬量控制信號，大大增加了輸出回路數量。

3）對調速器開機令、開導葉令、關導葉令等控制信號的閉鎖方式進行優化，調速器電柜“遠方”把手及監控系統接收調速器信號的遠方公共端均可閉鎖，從而保障調速器安全措施的可靠性。

4）令調速器緊急停機令、急停復歸令由監控系統開出后需經過調速器電柜急停閥動作繼電器接點，再實現對調速器機柜急停電磁閥的動作或復歸。且當急停閥動作后，急停閥動作繼電器接點方可接通監控系統復歸令的控制回路，此時才能對急停閥進行復歸。

3.2 軟件部分

（1）導葉、槳葉測量功能

為避免3套PLC之間通信異常導致的導葉/槳葉開度判斷困難問題，通過增加導葉/槳葉開度三選二功能來保證運行穩定。調速器A、B套PLC分別接入A、B套獨立的導葉/槳葉傳感器信號作為各PLC的第一路導葉/槳葉反饋信號；調速器A套和B套控制器獨立采集的導葉/槳葉信號通過雙機通信互相讀取為A、B套第二路導葉/槳葉反饋信號；第三套傳感器通過信號隔離器一分為三，作為A、B套的第三路反饋信號，結構如圖2所示。

圖2 導葉信號接入結構示意圖

導葉/槳葉三選二功能反饋邏輯判斷如下：優先第一路導葉/槳葉反饋信號Y1為主用，其次是第二路導葉/槳葉反饋信號Y2為主用；第三路導葉/槳葉反饋信號Y3用于其它兩路反饋比較及作為C套反饋使用，A、B兩套PLC將這3路導葉/槳葉信號作為三冗余信息進行三選二程序邏輯判斷處理，門限值為ε1，△Y1、△Y2、△Y3分別為3路信號的兩兩差值。圖3為A套PLC判斷流程。

圖3 邏輯示意圖

（2）頻率測量功能

增加測頻三選二功能：A套和B套PLC各接入兩路獨立殘壓和一路齒盤測頻信號，A套和B套兩路殘壓和一路齒盤測頻整形器分別獨立，這樣A套和B套PLC可以采集獨立的3套測頻信號進行三選二邏輯判斷。

機組在空載工況下：3路測頻信號以本機1號殘壓測頻F1為主用；當F1故障，采用本機2號殘壓測頻F2為主用；當殘壓測頻F1、F2都故障，采用齒盤測頻F3為主用；3路測頻信號均故障，則調速器此時自動停機或返回最小空載開度值。

機組在負載工況下：3路測頻信號都正常的情況下，以三取中間值為邏輯判斷；當第一路殘壓故障時，以第二路殘壓測頻為主用；當齒盤測頻故障時，以兩路殘壓測頻中的較小值為主用；當有兩路測頻故障時，本機退出主用權（圖5）。

圖4 測頻信號接入結構

圖5 負載工況下測頻信號邏輯

（3）甩負荷判斷功能

將調速器判斷機組甩負荷判斷邏輯改為：機組出口斷路器合閘信號消失+機組頻率大于 50.1 Hz。即：從機組甩負荷實際情況進行考慮，機組甩負荷后，機組頻率必定會升高，兩個判據同時滿足則必定為機組甩負荷。

（4）調速器停機流程

為避免停機過程中的抬機現象，修改調速器停機程序為在接收到停機令后，以每3 s減少2%導葉開度的速度關閉導葉，從而延長調速器關機時間，進而減小轉輪室的真空，避免發生抬機現象。

（5）部分邏輯優化

除上述對于現存問題的改造外，還對其余尚存完善空間的邏輯進行優化，具體如下：

1）一次調頻功能：將原機組一次調頻功能全部由調速器控制程序實現改為由監控系統AGC程序和調速器程序共同完成，即監控系統和調速器系統均有一次調頻程序段，互相配合調整，共同完成機組一次調頻功能。

2）調速器過負荷關導葉邏輯：調速器負荷超過103%Pn時，導葉開度向下關5%，當機組有功功率降低5%Pn后，過負荷報警復歸。機組過負荷動作至過負荷報警復位前，調速器只允許自動執行一次減導葉開度操作，避免過負荷連續關導葉造成溜負荷。

3）調速器溜負荷程序：調速器負載狀態下，將調速器最小空載開度定值由 12%調整為13%。即發電機未解列的情況下，調速器判斷故障后，將導葉壓至最小空載開度13%，既減少負荷過大對發電機造成的傷害，又避免調速器有功進相運行造成逆功率保護動作跳機。

4 調速系統改造效果

調速系統自改造完成后，運行穩定可靠，相關性能均有所提升，證明了本次改造的有效性。

4.1 主配壓閥

主配壓閥經過更換后有效降低漏油量，減少調速器油壓系統油泵啟停頻率以及調速系統溫升，導葉/槳葉主配回油量如表1所示。

表1 導葉/槳葉主配回油量

4.2 甩負荷判斷功能

改造后，調速器進入甩負荷程序相較改造前會慢0.1 Hz的上升時間，但通過雙判據有效減少了機組調速器甩負荷誤判的可能性。圖6為機組分別甩25%、50%、75%、100%負荷時的變化曲線圖，其中曲線1為頻率變化曲線，曲線2為導葉開度變化曲線，曲線3為機組出口斷路器開關量變化曲線。

圖6 機組甩負荷變化曲線

4.3 調速器停機流程

對調速器程序進行修改后，實現了對調速器關機時間的延長，且使得導葉開度變化曲線逐漸平滑，圖7為改造前導葉開度變化曲線，其中曲線1為調速器導葉開度給定，曲線2為調速器導葉實際開度；圖8為改造后導葉開度變化曲線。

圖7 改造前導葉開度變化曲線

圖8 改造后導葉開度變化曲線

5 結語

水輪機調速器是水電站重要的控制設備之一，其運行的穩定性與可靠性是電網安全可靠運行的重要保障，故而提升設備的自動化、信息化、智能化水平是未來滿足電網對于安全穩定運行要求的必經之路。