水電站調速器改造對策分析

劉桂波

(永豐縣水資源保護和綜合利用中心，江西 吉安 331500)

1 存在的主要問題

該電站原調速器采用DKT-100-2.0型交流伺服電機帶反饋鋼帶控制式全可編程單調節調速器。一些電氣的重要元件使用時間過長，而且無法采購到備件，出現故障率極高，具體表現為：

(1)主配閥芯有著頻繁卡塞，磨損嚴重的問題，機組不能跟蹤負荷指令，機組壓油裝置異常造成電機磨損，無法保證系統正常運轉，存在安全隱患。

(2)機器設備自動化水平較低，技術復雜性強，操控難度大，輪值操作人員工作強度大。

(3)當線路甩負荷時，影響孤網系統的安全穩定性[1-4]。

1.1 硬件部分問題

(1)主配壓閥。因為各個零件安裝技術不標準，并且存在透平油不純的現象，導致設備磨損程度較為嚴重，漏油量異常，油壓下降速度過快，導致油壓系統油泵反復啟動停止等安全問題發生，更嚴重的會造成設備的密封件提前報廢，運轉狀態異常等現象。

(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(ProgrammableLogicController，PLC)，A套和B套均選用施耐德PLC，C套則選用西門子PLC，顯示屏原產于日本先進的光洋觸摸屏。因為使用PLC系統版本過低，而且A、B兩套和C套的品牌不一樣，在現場操作中容易發生通信維護障礙、程序操作失敗等問題，一般會造成觸摸屏無響應，發生更嚴重的狀況是因觸摸屏無響應造成槳葉主配抽動。

(3)控制回路。控制回路是機組獲取操作指令的主要路徑，發揮著不可替代的作用，其運行的穩定性是整體機組正常工作的保障。優化前控制回路如下：

①調速器的導葉和槳葉全部使用數字閥調控。利用比例閥控制板把PLC控制信號加強，然后傳輸給機柜的數字閥，進而完成對導葉和槳葉的調控。

②PLC只有一個開關量操控傳輸DO模塊，也只有一個模擬量操控傳輸AO模塊，換言之最大傳輸16個開關量信號以及4個模擬量信號。在調速器測試過程中，將傳感器信號串接或者并接，避免因接線故障造成機器損壞。

③各種控制信號通過調速器遠程控制進行閉鎖，基于接收調速器信號的監控系統遠程操控完成閉鎖的方法。

④調速器各種緊急指令是通過監控系統發出，再由調速器電柜端子傳送到調速器機柜急停電磁閥[5]。

1.2 軟件部分問題

(1)導葉、槳葉測量功能。調速系統利用3個導葉/槳葉開度傳感器相互獨立的發送給A、B、C套PLC，接下來利用三者的通信查找導葉/槳葉開度的異常問題。一旦A、B、C三套PLC之間無法正常通信，就不能精準判斷導葉/槳葉開度的問題所在。

(2)頻率測量功能調速系統。利用3個齒盤測頻信號相互獨立的傳遞到A、B、C套PLC，并且殘壓測頻信號是源于一臺機端PT。如果機端1YH發生二次空開關跳閘或者出現其他問題，會導致殘壓測頻信號突然消失。

(3)甩負荷判斷功能。調速系統根據出口開關合閘信號是否存在鑒別機組甩負荷。如果信號抖動，調速系統很容易鑒別為甩負荷，導致機組甩負荷或發生溜負荷現象。

(4)停機控制程序。目前的停機程序設定調速器在獲取到停機指令后，必須保持每100 ms 減少2%導葉開度給定速度關閉導葉。所以調速器使導葉慢慢開啟至空載開度(隨水頭變化，約14%)到達完全關閉狀態所用時間不超過1s，由空載開度到達完全關閉狀態所用時間5s左右。但是由于關閉速度太快，容易發生轉輪室真空度過大的現象，導致機組抬機量增加，甚至造成機器損壞的嚴重后果。

2 改造措施

2.1 調速器系統智能化高效化

(1)采用微機控制器。調速器電氣系統的所有功能由施耐德可編程控制器M340構成的調節器提供。重要的硬件由施耐德電氣利用奧地利貝加萊X20可編程計算機制定的高性能、高可用性的新一代PLC。充分落實了“靈活設備控制”的理念，此程序能夠滿足用戶的功能訴求，方便用戶理解，快速進行操作。可以實施調速系統高速計量功能，運動控制系統等重要控制方案完成調速器電氣控制系統的指令，進而使設備性能到達最優。在性能上，ModiconM340可編程控制器具有雙核處理器，內核1主要處理管理系統工作，同時還可以輔助應用代碼的運行。內核2主要執行通信工作，通過應用間通信促進任務完成，提高任務完成效率。

(2)引入人機界面。調速器人機對話裝置選取高清彩色液晶顯示屏，該系統具有各種先進模式。可顯示清晰的試驗圖像，便于電站工作人員利用觸摸屏監控試驗流程，無需使用外接試驗裝置，遵照說明手冊，操作員能夠正確規范的使用調速器，還可以節約時間成本。不僅如此，該調速器能夠利用故障錄波裝置和事故追憶系統，為工程專家檢索機組的所需資料，排查問題原因。選用PLC本體測頻測量，保障了測頻結果的科學性。選用TFT工業級人機界面，有利于人機界面更加穩定、靈活，便于協同操作以及后期保養。

(3)控制回路。根據控制回路的實際情況開展改進工作，進一步保障功能的穩定性，避免發生設備誤操作，實際操作方法如下:①調速器的導葉和葉片全部通過比例閥操控。根據PLC輸出的模擬量控制信號AO完成操作，方便簡潔，使操作系統更加科學、真實。②利用PLC開關量輸出DO模塊由16個開關量擴展到32個開關量，不僅如此，模擬量輸出AO模塊由1個模塊擴展到4個模塊，同一時間最多輸出16個模擬量控制信號。最大程度擴展了輸出回路。③改進各個程序控制信號的閉鎖方式，風葉關閉順序，調速器電柜“遠方”手柄和接收信號的監控系統都可以進行閉鎖，提高了調速器的穩定性。④各種緊急指令通過監控系統發出經過調速器電柜急停閥動作繼電器接點，最后完成機柜急停電磁閥的指令，當需要進行緊急停閥時，繼電器接點方能夠利用監控系統復歸令的控制回路，這時才可以進行復歸。

2.2 線路甩負荷時孤網運行

電力系統電源根據能源的不同主要分為水力發電、火力發電、核能發電。三者分擔發電工作，為充足供電提供保障。聯網運行是發電機組與電網連接，并向電網輸送功率，每個發電廠的工作是由系統根據實際情況分配，不僅如此，系統中心調度是按照不同廠區的綜合能力，負荷標準，統一規劃運行方案，以實現電網正常運行。電網容量不斷擴大，頻率越來越穩定，機組通常承擔基荷，沒有特殊情況不使用調速器。

調速器選用適應式模糊變參數的并聯PID控制結構，即根據頻率變化的實際情況不斷調控PID控制參數，以保障調控的實時性和可靠性，并且落實相關輔助措施，切實保障調速系統正常運轉。

通過以下途徑實現：完善控制器結構系統；更改參數，減少波動時的調整時間；自動檢測孤網情況，優化調速器PID調節算法，在調速器控制軟件中增加孤網運行識別算法，并根據不同狀態實現PID參數變化，實現PID的快速精準響應[6-9]。

3 改造后調速器主要技術指標分析

3.1 主要技術指標

轉速死區ix≤0.04%；靜態特性曲線線性誤差<5%；自動空載三分鐘轉速擺動相對值≤0.25%；接力器不動時間Tq<0.3 s；平均故障間隔時間≥8000 h。

3.2 電氣部分主要技術參數

頻率允許變化的區間FG：45～55 Hz；功率允許變化的區間PG：0～100%；態轉差系數bp：0～10%；人工失靈區E：0～±2 Hz；機頻、網頻信號電壓：AC0.3～110.0 V；交流電源：AC200 V；直流電源：DC220 V或DC110 V。

3.3 改造效果分析

2015年8月完成對該電站的全部改造，經過3個 月的試運行后順利驗收。調速器優化升級后，操作控制簡單，提高了機器設備自動化，降低故障率，消除了原有調速器的弊端，優化了孤網的性能，優化升級符合預期。改造效果見表1。

表1 改造前后效果

4 結 語

水輪機調速器是保障水電站正常工作的關鍵設備。調速器的安全運轉為電網正常供電提供有效保障。因此，踐行設備的科技創新，持續推動機器優化升級是科學規劃電網布局，保障電網安全的必由之路。對電站調速器開展改造實踐，消除了原有調速器的弊端，優化了孤網的性能，運轉效率顯著提高。