緊水灘電廠水輪機調速器失控策略的研究與應用

束炳芳，段文華，李 璋

（國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

緊水灘電廠水輪機調速器失控策略的研究與應用

束炳芳，段文華，李 璋

（國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

隨著現(xiàn)代水輪發(fā)電機組控制技術的不斷發(fā)展，對調速器系統(tǒng)的控制邏輯要求更加嚴密。本文結合水輪發(fā)電機組實際情況，運用現(xiàn)代傳感器及控制技術，通過研究調速器失控的狀態(tài)，提出一種新的診斷調速器失控的策略，該策略通過PLC采集調速系統(tǒng)接力器電氣反饋信號，與調速器控制信號綜合比較，就能表征調速器系統(tǒng)運行工況，可靠判斷水輪機調速器的失控狀態(tài)，并輸出故障信號送入監(jiān)控系統(tǒng)。

水輪機調速器；失控；策略；應用

1 引言

緊水灘電廠總裝機容量385.8 MW，下轄緊水灘水電站（以下簡稱緊站）和石塘水電站（以下簡稱石站），其中緊站裝機6×50 MW，石站裝機3×28.6 MW，以擔任系統(tǒng)調峰、頂事故出力為主要任務。

緊水灘電廠目前采用的是PSW（S）T比例數(shù)字式冗余可編程控制水輪機調速器，電氣部分采用高性能法國施耐德MODICON TSX系列可編程控制器PLC，機械部分主要由比例閥與數(shù)字閥冗余電液轉換機構、機械手動操作機構、引導閥、主配壓閥、緊急停機電磁閥組成，具備自動、電手動和機械手動3種操作方式。

2 存在問題

水輪機調速系統(tǒng)失控信號判斷的正確與否對于真實反映調速器失控狀態(tài)、確保機組安全穩(wěn)定運行有著極其重要的意義。因而對其可靠性也提出了更高的要求。緊水灘電廠調速器失控信號一直采用主配發(fā)卡接點表征，此信號引自主配壓閥安裝底座上安裝的一只位置接點開關。當調速器主配壓閥朝關方向移動時接點開關閉合；當主配壓閥回中或朝開方向移動時接點開關斷開。此接點動作信號上送給監(jiān)控系統(tǒng)，若同時發(fā)電機組在空載狀態(tài)下轉速超過115%，將啟動緊急停機流程，保護發(fā)電機組，防止事故擴大。該策略在實際運行中存在諸多問題，不能有效反映調速器失控狀態(tài)。

（1）主配發(fā)卡接點不能確切的表現(xiàn)調速器失控狀態(tài)。采用單一微動開關接點只能表現(xiàn)主配未關，有些工況下會導致機組PLC誤判，機組水機保護誤動。例如發(fā)電機組甩負荷試驗中，機組開關跳開后，當轉速上升到頂點開始下降時，此時頻率雖然還是超過額定頻率，但頻率是快速下降的，經(jīng)過調速器PID運算，導葉需要打開才能保持空載狀態(tài)，這時此節(jié)點就會動作，機組PLC誤認為調速器失控，引起緊急停機誤動作。見圖1所示。

圖1機組甩100%負荷調速器響應錄波示意圖

（2）正常情況下接力器調節(jié)速率見圖2。主配發(fā)卡節(jié)點不能表現(xiàn)水輪機調節(jié)系統(tǒng)控制導葉的速率。若主配實際發(fā)卡，正好又使導葉緩慢動作，此時導葉關閉時間大大超過調保計算時間，就可能導致嚴重事故。

圖2接力器調節(jié)速率圖

（3）行程開關接點容易因抖動誤發(fā)信號或因接點老化而拒動，可靠性不高。

（4）由于接點與閥體的結構、位置配合問題，檢修時極難調整至合適位置。

（5）原方式下無法通過模擬調速器失控狀態(tài)進行相關試驗。

3 失控策略研究

3.1 調速器失控的判斷策略

當調速器收到命令要開啟或關閉導葉時，其控制輸出（導葉需要到達的目標值）和實際導葉開度會存在差值，當此差值大于設定的死區(qū)值時，主配會接受PLC的PID運算控制信號朝目標方向打開一定量的開口，控制導葉朝目標方向移動。然后通過PLC程序周期掃描讀取實際導葉開度是否朝目標移動，并且判斷移動速率是否達到調保計算開關機時間的要求。若在一定延時時間（此時間由調保時間確定）內所讀取的導葉開度變化值未達到朝目標方向的變化速率，則判斷調速器失控。

3.2 技術原理

水輪機控制系統(tǒng)基本控制原理如圖3所示。

圖3調速器控制原理框圖

水輪機調速器主配的動作速率表達式見公式1。

式中：K——導葉開（關）方向放大倍數(shù)

△Y——導葉控制偏差（即導葉與目標值之間的距離）

k——主配放大系數(shù)

△y——主配開（關）方向打開角度

U——主配移動速率

從公式1中可以看出，導葉控制偏差 （△Y）越大，主配移動速率越快。主配移動后，△y變大，主配移動速率將減緩。

導葉移動速率與主配打開角度之間的關系表達式見公式2。

其中：△y——主配開（關）方向打開角度

Y——接力器全行程

t——調保計算的接力器全關（開）時間A——速率系數(shù)

將公式2變換得到A與主配位移的表達式見公式3。

綜合公式1和3，且當主配開或關到某一位置不動時，即U=0，又可得到A與導葉控制偏差的表達式4。

將上述原理編寫入PLC控制程序后，根據(jù)機組水力調節(jié)系統(tǒng)調保計算開關機時間t及現(xiàn)場調速器性能試驗實際所得的導葉放大系數(shù)K，主配放大系數(shù)k，即可根據(jù)上式得到A，通過PLC程序周期掃描讀取導葉開度是否朝目標方向移動，并且判斷移動速率是否等于A。若小于A，則表明調速器自動控制出現(xiàn)問題。延時500 ms，向機組PLC發(fā)出報警信號。

4 現(xiàn)場應用

（1）將上述調速器失控判斷策略與技術原理通過編寫PLC邏輯程序在調速器上實現(xiàn)，PLC梯形圖邏輯如圖4及圖5所示。圖4程序通過比較當前導葉開度與前一掃描周期開度值，再與導葉開度偏差值相比，判斷導葉正在開啟或關閉過程。圖5程序的功能是，不管比例閥工作還是數(shù)字閥工作，在開度給定不為零的工況下，當控制輸出與導葉開度的偏差大于4%，就判斷導葉“未開”或者“未關”，報警“機械拒動”，即調速器失控，無法自動控制，并向監(jiān)控系統(tǒng)送出“調速器自動控制退出”信號。

圖4調速器動作方向判斷PLC邏輯圖

圖5調速器失控判斷PLC邏輯圖

（2）結合現(xiàn)場實際需求，新的調速器失控策略，還同時滿足下述要求：在發(fā)電機負載狀態(tài)時，若比例閥工作，此時比例閥出錯，且無數(shù)字閥出錯，切到數(shù)字閥，自動控制不會退出，即此時切到數(shù)字閥時可以正常工作；若數(shù)字閥再報出錯，則自動控制退出，且不能自動由數(shù)字閥切回比例閥工作，表明調速器失控。非負載狀態(tài)時，不管比例閥出錯或數(shù)字閥出錯，其中任意一個報警，都將使導葉自動控制退出，反映調速器失控，且不會直接切換至數(shù)字閥。

（3）調速器失控判斷策略在緊水灘6臺水輪機組調速器進行相關調試、試驗，并投入運行，效果良好。

5 結論

號誤動或者拒動。

（2）新的失控策略表征了所有可能引起調速器失控的故障，可反映控制機構故障、執(zhí)行機構故障、導葉故障、主配故障、電氣控制輸出信號故障等導致接力器未按設定速率動作的故障。大大提高了機組過速保護回路的可靠性。解決了原主配發(fā)卡接點只表現(xiàn)主配未關的局限性和不科學性。

（3）該策略的應用使得日常檢修維護非常方便，試驗驗證方法直觀、簡潔，也便于對參數(shù)進行調整優(yōu)化。

（1）通過軟件邏輯判斷調速器失控的策略表征水輪機失控，PLC程序精確計算，具有智能性，有效避免硬件接點故障及老化產(chǎn)生的誤差，杜絕失控信

[1]魏守平.現(xiàn)代水輪機調節(jié)技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2002.

TV734.4

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1672-5387（2017）11-0004-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.002

2017-08-30

束炳芳（1982-），男，高級工程師，從事水電廠機電設備管理工作。