抽水蓄能電站調速器重要信號跳變分析及預防

金 櫓，董天剛，李小樂

（1.山東沂蒙抽水蓄能有限公司，山東 臨沂 273400；2.廣東粵電流溪河發電有限責任公司，廣東 廣州 510956；3.中國電建貴陽勘測設計研究院，貴州 貴陽 550081）

0 引言

沂蒙抽水蓄能電站（簡稱沂蒙電站）總裝機容量為120 萬kW，安裝4 臺30 萬kW 的單級混流可逆式水泵水輪發電機組，設計年發電量為20.08 億kW·h，年抽水電量26.77 億kW·h，該抽蓄電站也是目前國內二次控制系統國產化率最高的抽蓄電站之一。調速器是抽水蓄能電站最重要的機電控制系統之一，調速器的安全穩定運行直接關系到抽水蓄能電站的健康穩定運行，調速器重要信號的穩定性尤其重要。本文重點分析沂蒙電站兩起因重要信號跳變導致的事故案例及防控措施。

1 案例基本情況

1.1 水頭跳變

沂蒙電站在機組調試期間發生過一次調速器液壓故障導致的事故停機事件，當時該臺機組剛進入抽水工況穩態帶-300 MW 負荷。此時上水庫水力量測系統端子箱處因臨時電源丟失有短時停電，同時監控系統收到的上庫水位迅速下降；18 s 后上庫水力量測系統端子箱恢復供電，監控系統收到的上庫水位立即恢復。在此期間，監控報調速器A、B 套液壓故障（導葉越限），機組緊急停機。

事件發生后，運維人員連接調試電腦查看電調控制器程序里“導葉越限”的發生條件：在機組抽水工況運行時，當導葉開度>當前水頭最優協聯開度+4%時，導葉越限條件滿足，調速器控制器（簡稱電調）會報“液壓故障”并作用緊急停機。調取監控導葉開度曲線后發現：

10：27：28 調速器導葉開度由63%突然開大到76%，保持約30 s；

10：28：01 開度降至71%，保持約30 s；

10：28：28 電調報液壓故障，機組緊急事故停機。

1.2 轉速跳變

2022 年09 月22 日00：21：50，電站1 號機停機過程中，機組轉速小于5%額定轉速后機械制動正常投入，00：22：12，監控報“1 號機組轉速<5%復歸”、“1號機組轉速<10%復歸”、“1 號機組轉速裝置故障（A套）動作，此后監控一直未收到測速裝置<1%轉速動作信號，960 s 后，監控流程走機械事故停機。

監控簡報如下：

00：15：25 1 號機停機

00：22：09 1 號機轉速<1%（制動柜）動作

00：22：12 1 號機組轉速<5%復歸

00：22：12 1 號機組轉速<10%復歸

00：22：15 1 號機機組轉速裝置故障（A 套）動作

00：37：59 轉速未降至1%，流程退出

00：38：02 流程調用，1 號機組機械事故停機操作

00：54：36 轉速未降至20%或5%，流程退出（流程自啟動：1 號機機械事故停機操作）

00：54：38 流程調用，1 號機組電氣事故停機操作

2 案例分析

2.1 水頭跳變分析

在抽水工況時，調速器的導葉開度和水頭之間存在著協聯關系，而水頭又是通過上下庫水位在監控系統里作差再送至電調的。因此上庫水位的變化直接影響到導葉開度，實現上庫水位測量的投入式液位變送器的接線原理如圖1，這是典型的兩線制接線型式的變送器，24 V 電源的短時丟失會導致測值模擬量輸出失真。

在上庫水位失真期間，導葉開度先突然增大，并且短時后又下降，隨后出現了導葉開度大于導葉開限的情況，所以電調判“導葉越限故障”報液壓故障，動作機組停機。為保證抽水時水泵水輪機轉輪處于最優運行工況，在抽水工況時導葉開度和監控水頭（毛揚程）之間存在的協聯關系見表1。

表1 水泵工況導葉開度與水頭協聯關系

導葉開限為調速器在控制導葉開過程中能開達的最大開度。當導葉實際反饋開度大于開限時，可以認為是由于液壓主配或其控制閥組卡澀引起的故障而造成的不可控制狀態，因此需要進行事故停機。導葉越限的限值設定和導葉越限故障開出邏輯見圖2 和圖3。其中，Gv_Max_Limit 表示導葉開限，Pump_Gv_Opt 表示導葉協聯開度，Gv_Fdbk 表示導葉開度反饋值，Gv_Limit_Err 表示導葉越限故障，800為電調內部導葉開度采樣值，對應4%導葉開度。

圖2 調速器電調抽水工況導葉開限設定

圖3 調速器電調導葉越限故障開出邏輯

在確定故障的原因是監控水頭變化引起后，調出監控水頭及上庫水位變化曲線見圖4，在此期間下水位水位在197 m 并保持穩定。

圖4 停機前導葉開度與上庫水位變化

可以看出，故障發生時上庫水位經歷過一次短時跳變，從592 m 瞬時下降到517 m 后，經過16 s后又迅速恢復到592 m。而在調速器電調程序里，為消除水頭毛刺進行開度計算用的監控水頭每30 s取一次平均值，當監控水頭突降到517 m 后，導葉開度并沒有立即發生變化，而是等待16 s 后開始增大，考慮到PLC 掃描周期、液壓系統動作時間及信號傳遞等延遲大約5 s，實際情況在上庫水位失真11 s 后電調即接收到水頭跳變。因此導葉增大時的協聯水頭=（592×19+517×11）/30-197=367.5 m，對應導葉協聯開度約為78%。

在其后30 s，導葉開度下降至71%，此時對應的最優水頭協聯=（592×25+517×5）/30-197=382.5 m,對應最優協聯開度約為71%。再過30 s，電調算出的水頭即為失真前的592 m，同時導葉協聯開度恢復為之前的63%，導葉開限同時恢復為之前的67%，而此時導葉實際開度尚在71%，所以電調判“導葉越限故障”，作用緊急停機。

2.2 轉速跳變分析

2.2.1 沂蒙電站測速系統配置

沂蒙電站測速系統共有三部分組成：①調速器系統電調柜自帶的兩套測速裝置，僅供調速器電調控制用；②調速器為監控系統配置的兩套測速裝置，信號上送監控系統，供監控上位機顯示、監控流程及監控單獨開出給輔機控制用，為南瑞公司的SJ-22D型測速裝置，也是本次非正常動作的測速裝置；③發電機機械制動柜自帶的測速裝置，供機械制動電氣控制回路用，同時也將各轉速開出送至監控系統，裝置為西門子TD400C 型。以上每套測速裝置均為“2 路齒盤+1 路PT”輸入，在大軸齒盤處共設置了10 個接近式測速探頭。

2.2.2 跳變原因排查

事件發生后，電站運維人員立刻前往1 號機SJ-22D 測速裝置處檢查設備運行情況，查看相關報警信息，見圖5，發現A 套SJ-22D 測速裝置上“<1%”、“<5%”、“<10%”3 個轉速節點均未正常動作，ALM 報警燈亮，面板數碼管顯示此時機組轉速為0。檢查齒盤測速探頭，探頭與齒盤間隙均在2~3 mm 之間，測速探頭螺栓緊固沒有松動，感應時指示燈能正常亮，航空插頭亦沒有松動。同時檢查測速信號回路各二次端子，未見松動。

圖5 故障發生時測速裝置面板顯示

圖6 故障發生時的轉速模擬量變化（跳變的為A 套，正常為B 套）

查看測速裝置開出邏輯說明，見表2，在“2 路齒盤測速值偏差>10%額定轉速”時，測速裝置報警并保持當前開出，同時報警燈亮。

表2 SJ-22D 測速裝置內部邏輯說明

調取監控系統A 套測速裝置轉速模擬量曲線，發現在機組轉速降至2%額定轉速時，轉速有明顯跳變，由2%跳變至7%，在停機時測速裝置送監控模擬量取值為2 路齒盤測速值平均值，和正常的測速裝置（B 套）轉速模出相比，可以判斷出其中1 個齒盤測速測值由2%跳變至12%，導致轉速模擬量輸出為（12%+2%）/2=7%，而轉速開關量開出取2 個齒盤測速值“邏輯與”，當其中一個探頭值發生此種跳變（2%至12%），那會影響到“<1%”、“<5%”、“<10%”的轉速開出，并直接導致監控流程里的這3個測速節點無法變位，監控流程延遲960 s 后仍未收到“<1%”轉速節點信號，動作機械事故停機。

隨后電站維護人員對該機組的2 套SJ-22D 測速裝置進行聯機檢查，發現A 套SJ-22D 測速裝置聯機后，不論是歷史曲線波形召喚還是歷史記錄調取時，均發生內部板卡異常動作，表現為內部繼電器頻繁開出動作復歸，且轉速開出節點瞬時丟失，面板數碼管顯示亂碼，判斷是裝置板卡存在故障，工廠測試后亦確認裝置內部板卡故障。

3 防控措施

3.1 水頭跳變預控

調速器水頭信號來自監控系統，首先在監控系統增加水庫水位信號的品質判斷，考慮到存在變送器電源丟失或外部干擾導致水位模擬量品質變壞的情形，在監控系統上庫LCU 和下庫LCU 中分別添加了防止水位信號丟失及跳變的邏輯，監控下位機程序判水位模擬量測值是否在有效量程內，圖7 中，Ai_Real[16]表示水位測值原始值，EthAi_Send[6]表示經品質判斷后的測值，只有當水位在量程范圍內即品質好時才會將上下庫水位作差送至調速器，否則保持上一時刻水位。

圖7 監控下位機程序對上庫水位品質的判斷（下庫類似）

另外，在調速器電調中增加了水頭跳變邏輯的判斷：調速器所用監控水頭為一個計數周期（30 s）內平均值，一旦該周期前10 s 或者前20 s 內平均水頭與周期水頭平均值之差大于3 m，則判定是水頭跳變，轉而用上一周期運行水頭。圖8 中，Head_Fdbk_Re_10、Head_Fdbk_Re_20 分別表示30 s 計算周期的前10 s和前20 s 水頭值，Head_Fdbk_Auto1 表示30 s 計算周期水頭，Head_Fdbk1 表示運行水頭，Head_Fdbk1_Reserve 表示上一時刻運行水頭，Head_Fdbk_TP_Flag表示水頭跳變故障，120 為電調內部水頭采樣值，對應實際水頭3 m。水頭無跳變時，電調算出的監控水頭賦值給運行水頭用作導葉開度協聯計算。

圖8 電調內部水頭跳變程序判斷

3.2 轉速跳變預控

由于SJ-22D 測速裝置輸出主要供監控系統用，對監控下位機程序里關于轉速開關量判斷的邏輯進行了優化，避免在低轉速時當一路齒盤脈沖丟失或跳變引發測速裝置故障和轉速開出異常。在監控系統原程序中，測速裝置轉速節點開出和機械制動柜轉速節點開出作邏輯“與”后再開出，程序優化后，則必須先判斷測速裝置有無故障，測速故障如有故障，監控系統則只用機械制動柜開出的轉速節點。圖9 中，Di[267]~Di[271]為機械制動柜轉速節點開出，Di[36]~Di[40] 為SJ-22D 轉速裝置節點開出，Di[43]為SJ-22D 測速裝置故障節點，speed1~speed50 為綜合后轉速節點開出。

圖9 監控系統機組LCU 程序對轉速開出邏輯優化

4 結語

調速器重要信號多采取冗余配置，但調速器和其他系統之間共用的重要模擬量信號一旦發生跳變就可能影響到機組的穩定運行，因此不僅要保證調速器系統自身信號的冗余配置，對于重要接口信號的防抖設計和品質判斷亦要高度重視。