水電站調(diào)速系統(tǒng)邏輯優(yōu)化研究

李 博，黃文明，鄭德芳

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司二灘水力發(fā)電廠，四川攀枝花 617000）

0 引言

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)，距其上游二灘水電站18km，距其下游的雅礱江與金沙江交匯口15 km，是雅礱江下游最末一個(gè)梯級(jí)電站。桐子林水電站以發(fā)電任務(wù)為主，兼有下游綜合用水要求，水庫(kù)具有日調(diào)節(jié)性能。電站總裝機(jī)容量60 萬(wàn)kW（4×15 萬(wàn)kW），為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭為20 m，設(shè)計(jì)枯水年枯水期平均出力22.7 萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量29.75 億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4958 h。

桐子林水電站水輪機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)采用南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的SAFR-2000H 型雙微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。微機(jī)調(diào)節(jié)器部分采用了貝加萊公司的PCC2005 控制器為核心，機(jī)械液壓部分則選用了BOSCH 公司的比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，軟件部分則采用了南瑞公司專(zhuān)有的改進(jìn)型并聯(lián)PID（Proportional Integral Derivative controller，比例-積分-微分控制）算法?，F(xiàn)調(diào)速器控制系統(tǒng)雖然自投運(yùn)至今，運(yùn)行穩(wěn)定，但是通過(guò)對(duì)調(diào)速器控制系統(tǒng)的重要判斷邏輯進(jìn)行梳理分析，發(fā)現(xiàn)防假甩控制邏輯、液壓故障判斷邏輯、有功給定通道軟故障判斷邏輯均需要進(jìn)行優(yōu)化和完善，為確保調(diào)速器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，準(zhǔn)確及時(shí)進(jìn)行故障定位，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)調(diào)速器控制系統(tǒng)系列故障判斷邏輯進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 調(diào)速器控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題及優(yōu)化項(xiàng)目

1.1 防假甩控制邏輯不完善

桐子林水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)對(duì)于機(jī)組假甩工況具備一定的識(shí)別能力：機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài)下，當(dāng)調(diào)速器控制系統(tǒng)采集到的功率反饋小于20%Pn（30 MW）時(shí)，若GCB（Generator Circuit Breaker，發(fā)電機(jī)出口斷路器）或主變低壓側(cè)斷路器輔助接點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，調(diào)速器控制系統(tǒng)才會(huì)判斷認(rèn)定機(jī)組甩負(fù)荷，進(jìn)而會(huì)退出“發(fā)電態(tài)”進(jìn)入“空載”態(tài)，調(diào)速器控制系統(tǒng)將進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。桐子林水電站單臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)后的最低允許負(fù)荷為10 MW，根據(jù)以上防假甩邏輯判斷依據(jù)，存在機(jī)組帶小于30 MW 負(fù)荷時(shí)因GCB 或主變低壓側(cè)斷路器輔助接點(diǎn)誤斷開(kāi)，導(dǎo)致調(diào)速器控制系統(tǒng)誤判斷，進(jìn)而引發(fā)誤甩負(fù)荷的事故。

1.2 液壓故障判斷邏輯不完善

桐子林水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)對(duì)于導(dǎo)葉液壓故障和槳葉液壓故障的判斷邏輯及方式相同，以導(dǎo)葉液壓故障判斷邏輯為例：在本套控制器為主機(jī)、導(dǎo)葉為“自動(dòng)”方式、導(dǎo)葉反饋無(wú)故障條件下，當(dāng)導(dǎo)葉的給定和反饋偏差超過(guò)一定值且液壓故障報(bào)警計(jì)時(shí)器延時(shí)到時(shí)，液壓故障報(bào)警輸出，即若導(dǎo)葉給定與導(dǎo)葉反饋的差值大于20%持續(xù)16 s 后，在1 s 內(nèi)仍沒(méi)檢測(cè)到導(dǎo)葉相應(yīng)開(kāi)或關(guān)方向動(dòng)作則報(bào)液壓故障。調(diào)速器控制系統(tǒng)中對(duì)導(dǎo)葉、槳葉的液壓故障的邏輯判斷不夠細(xì)致，未根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況對(duì)故障判斷參數(shù)進(jìn)行匹配性驗(yàn)證，提取機(jī)組前期相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，現(xiàn)液壓故障判斷閾值較大，該邏輯不能很及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)出液壓故障，易導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

1.3 功率模式下，有功給定通道軟故障報(bào)警，切開(kāi)度模式功能不完善

桐子林水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)在“功率模式”下工作時(shí)，若檢測(cè)到功率給定模擬量通道故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切至“開(kāi)度模式”進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以確保機(jī)組的穩(wěn)定性，避免負(fù)荷波動(dòng)。調(diào)速器控制系統(tǒng)僅對(duì)功率給定模擬量通道斷線(xiàn)及越限故障進(jìn)行了判斷，但是無(wú)法識(shí)別有功給定模擬量通道出現(xiàn)通道偏差類(lèi)軟故障，對(duì)于故障的判斷不全面，導(dǎo)致該邏輯無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)出有功給定模擬量通道故障。

2 調(diào)速器控制系統(tǒng)邏輯優(yōu)化

2.1 完善防假甩控制邏輯

桐子林水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)在原防假甩控制邏輯的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，即考慮甩負(fù)荷工況下機(jī)組頻率的改變。機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，因故GCB 或者遠(yuǎn)方斷路器斷開(kāi)，則機(jī)組負(fù)荷會(huì)快速下降，同時(shí)導(dǎo)葉尚未回關(guān)，根據(jù)能量守恒定律，機(jī)組頻率會(huì)上升；同時(shí)機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài)下，存在機(jī)械安全自動(dòng)裝置動(dòng)作直接導(dǎo)致關(guān)導(dǎo)葉或落進(jìn)水口閘門(mén)的情況，即先機(jī)組停機(jī)后斷開(kāi)GCB 和遠(yuǎn)方斷路器，此種狀態(tài)下，機(jī)組負(fù)荷會(huì)持續(xù)下降至0 并最終導(dǎo)致機(jī)組頻率也隨之下降的后果，此種情況也可歸屬于甩負(fù)荷的工況。

圖1 防假甩控制邏輯流程

調(diào)速器控制系統(tǒng)引入頻率判據(jù)條件，優(yōu)化后的防假甩控制邏輯為：調(diào)速器控制系統(tǒng)在“發(fā)電態(tài)”下，當(dāng)GCB 或遠(yuǎn)方斷路器輔助接點(diǎn)斷開(kāi)，且機(jī)組功率反饋小于20%Pn（30 MW），且機(jī)組頻率小于49.5 Hz 或大于50.1 Hz 時(shí)，調(diào)速器控制系統(tǒng)才進(jìn)入“空載態(tài)”，否則保持“發(fā)電態(tài)”，如圖1 所示。

2.2 完善液壓故障判斷邏輯

桐子林水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)對(duì)于導(dǎo)葉、槳葉液壓故障的判斷方式無(wú)需優(yōu)化，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)葉、槳葉實(shí)際動(dòng)作過(guò)程中的一些測(cè)定值，以確定液壓故障的各個(gè)設(shè)定閾值。

根據(jù)導(dǎo)葉在各開(kāi)度下進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn)時(shí)其調(diào)節(jié)速率以及導(dǎo)葉主配開(kāi)、關(guān)方向機(jī)械限制幅度，確定導(dǎo)葉開(kāi)方向和關(guān)方向的最小動(dòng)作速度值閾值，調(diào)速器控制系統(tǒng)導(dǎo)葉液壓故障最終判斷邏輯為：當(dāng)本套控制器為主機(jī)、導(dǎo)葉為“自動(dòng)”方式、導(dǎo)葉反饋無(wú)故障時(shí)，當(dāng)導(dǎo)葉給定與導(dǎo)葉反饋的差值大于3%持續(xù)4 s 后，判斷開(kāi)啟方向?qū)~動(dòng)作速度小于0.5%/s，判斷為導(dǎo)葉液壓故障；當(dāng)導(dǎo)葉給定與導(dǎo)葉反饋的差值小于-3%持續(xù)4 s 后，判斷關(guān)閉方向?qū)~動(dòng)作速度小于0.5%/s，判斷為導(dǎo)葉液壓故障，如圖2 所示。注：槳葉液壓故障判斷邏輯及依據(jù)同導(dǎo)葉液壓故障，僅報(bào)警閾值設(shè)置不同。

2.3 完善功率模式下，有功給定通道軟故障報(bào)警，切開(kāi)度反饋模式功能

桐子林水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)在功率模式下，無(wú)法識(shí)別有功給定模擬量通道出現(xiàn)通道偏差類(lèi)軟故障。若增加監(jiān)控系統(tǒng)至調(diào)速器控制系統(tǒng)的有功給定通信量，則監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)MODBUS通信量下發(fā)有功設(shè)定值存在MODBUS 通信故障或異常，導(dǎo)致有功設(shè)定值通信量與模出量AO 出現(xiàn)偏差，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組功率模式和開(kāi)度模式之間的被動(dòng)切換的風(fēng)險(xiǎn)。因此選擇通過(guò)判斷有功給定值的變化速率來(lái)進(jìn)行軟故障判定，即在監(jiān)控側(cè)已限制每次最多只能在原有功給定的基礎(chǔ)上增加或減少50 MW 的前提下，調(diào)速器控制系統(tǒng)在“發(fā)電態(tài)”下，當(dāng)有功給定值1s 內(nèi)變化超過(guò)50 MW，報(bào)“有功給定故障”，切開(kāi)度反饋模式，可一定程度避免因有功給定模擬量通道出現(xiàn)通道偏差類(lèi)軟故障造成的機(jī)組負(fù)荷的波動(dòng)，如圖3 所示。

圖2 導(dǎo)葉液壓故障判斷邏輯流程

圖3 有功給定故障判斷邏輯流程

3 調(diào)速器控制系統(tǒng)邏輯優(yōu)化效果驗(yàn)證

根據(jù)調(diào)速器控制系統(tǒng)的最新邏輯判斷，進(jìn)行了相應(yīng)的模擬試驗(yàn)，在防假甩判斷、導(dǎo)葉和槳葉液壓故障判斷以及有功給定故障判斷上均取得良好的預(yù)期效果，有效規(guī)避了一定程度的故障誤判、錯(cuò)判、漏判風(fēng)險(xiǎn)，保證了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)桐子林水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)整治及優(yōu)化，完善了防假甩控制邏輯，完善了導(dǎo)葉。槳葉液壓故障判斷邏輯，增加了有功通道軟故障判斷邏輯，提升了調(diào)速器控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及故障識(shí)別度，對(duì)于電廠和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了很好的保障作用。進(jìn)行一系列的調(diào)速器控制系統(tǒng)的功能優(yōu)化工作，達(dá)到保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的，同時(shí)希望為同行提供借鑒意義。