巨型水電機組調(diào)速系統(tǒng)故障智能診斷方法探究

郝 輝，艾遠高

（三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌443133）

0 引言

水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)的作用是保證水輪發(fā)電機組的頻率及出力穩(wěn)定，維持電力系統(tǒng)的平衡。調(diào)速系統(tǒng)可根據(jù)控制命令自動完成機組調(diào)節(jié)，是水輪發(fā)電機組的重要控制設備。雖然調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過多年的技術發(fā)展已經(jīng)完全實現(xiàn)機組導葉開度和出力的閉環(huán)控制，但在系統(tǒng)故障分析、智能判斷方面尚有進一步發(fā)展的空間。

某電站調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)偶發(fā)性缺陷后，調(diào)速系統(tǒng)不能自動進行故障點的確認，按傳統(tǒng)故障診斷方法，需要進行大量的試驗和分析。本文通過引入故障回路監(jiān)視分析和處理，提出了一種調(diào)速系統(tǒng)故障智能診斷新方法。

1 概述

調(diào)速系統(tǒng)的形式和結構多種多樣，總體上，都是由調(diào)速控制器、電液轉(zhuǎn)換單元、主配壓閥、接力器及位移反饋等部分組成，如圖1所示。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)的構成

其中電液轉(zhuǎn)換單元的作用是將調(diào)節(jié)控制器的電信號轉(zhuǎn)換為液壓信號，是機電轉(zhuǎn)換的關鍵部件，其性能直接關系到調(diào)速系統(tǒng)控制的精度和速度。目前水輪發(fā)電機組電液轉(zhuǎn)換單元普遍使用的是伺服閥類和電機類設備。

經(jīng)過多年的技術發(fā)展，水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)的控制器已經(jīng)由單片機，可編程控制器（PLC），發(fā)展到可編程計算機控制器（PCC），控制流程和控制邏輯已經(jīng)完善。系統(tǒng)自診斷功能也有所設計，常規(guī)故障判斷也比較豐富，比如控制器硬件故障、信號傳感器故障、通信故障、液壓故障等。但是要達到水輪發(fā)電機組智慧運行的目標，還需在設備故障細化和定位上加強思考和實踐。

在此對某電站出現(xiàn)的調(diào)速器大故障進行分析，進而探討調(diào)速系統(tǒng)智能運行的方向及條件。

2 調(diào)速系統(tǒng)故障分析

2.1 系統(tǒng)概況

某電站調(diào)速系統(tǒng)設計為雙套PCC控制，電液轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構選用比例閥和步進電機。其中PCC-A套控制比例閥，PCC-B套控制步進電機，比例閥和步進電機兩個通道相互間完全獨立，互為備用，采用切換閥實現(xiàn)液壓回路之間的切換（圖2）。其中步進電機采用自復中機構實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的純手動操作。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)結構

上述結構采用比例閥和步進電機非對稱結構設計，有效地避免了因同一種設備缺陷造成的調(diào)速器停運風險，系統(tǒng)可靠性較高。

2.2 缺陷出現(xiàn)

調(diào)速器在A套比例閥正常運行，機組進行負荷調(diào)整時出現(xiàn)調(diào)速器A套大故障，調(diào)速器切至B套步進電機運行，2 min后調(diào)速器B套也報大故障，調(diào)速器切至純手動方式運行。

運維人員抵達現(xiàn)場檢查A、B套調(diào)速器大故障均是液壓故障。液壓故障判斷邏輯為：導葉給定值與實際導葉開度的偏差大于8%，且導葉的動作速度小于1.6%/s，延時1.5 s報液壓跟隨故障。

現(xiàn)場檢查調(diào)速器導葉給定、導葉開度、主配壓閥、比例閥和步進電機的電氣反饋信號均正常。

因調(diào)速器已切至純手動開環(huán)運行，液壓故障的邏輯條件已經(jīng)復歸，遂將調(diào)速器A、B套大故障復歸，調(diào)速器恢復正常運行，所以調(diào)速系統(tǒng)此次缺陷的具體原因待后續(xù)繼續(xù)分析。

2.3 故障模擬

針對上述故障現(xiàn)場，運維人員進行了模擬試驗，對機組負荷進行了多次調(diào)整后，終于復現(xiàn)液壓跟隨故障：A套調(diào)速器報大故障，14 s后B套調(diào)速器也報大故障，調(diào)速器切至純手動運行。試驗波形如圖3。

圖3 A套大故障錄波1

從波形可以看出：在調(diào)節(jié)過程中，功率設定值增加后，PID通過功率給定值與實際功率的偏差進行計算，此時比例閥信號輸出后，主配并無變化，切至B套運行；B套控制電機輸出過程中，主配仍然沒有動作導致B機也報液壓故障，切至純手動運行。

將調(diào)速器恢復至正常狀態(tài)再次試驗，有功從660 MW增加至700 MW的調(diào)節(jié)過程中，A套調(diào)速器報大故障，但B套則沒有出現(xiàn)大故障現(xiàn)象，錄波曲線如圖4。

圖4 A套大故障錄波2

在此過程中，有功設定變化后，PID根據(jù)有功設定與有功的偏差，逐步計算，累計到滿足液壓跟隨故障條件后切至B套運行。B套運行時電機調(diào)節(jié)正常，主配往開方向移動，導葉快速打開，B套未出現(xiàn)液壓跟隨故障。

在此之后，多次試驗均未再出現(xiàn)A、B套液壓故障。

3 故障分析及智能故障定位

3.1 原因分析

對試驗過程中的主配壓閥位置和比例閥位置的電氣反饋信號進行提取和分析，如圖5。

圖5 關鍵信號比對

從圖3和圖5可以看出，因?qū)~給定增大，比例閥開始向開方向移動，隨著導葉給定與導葉開度的偏差變大，比例閥的開口達到了最大值，但是主配壓閥的位置沒有變化?？梢耘懦娨恨D(zhuǎn)換單元的故障，確定故障直接原因為主配壓閥拒動。

主配壓閥拒動的原因如下：

（1）主配壓閥發(fā)卡。若主配壓閥發(fā)卡則必然存在開方向或者關方向的持續(xù)偏移，導致機組負荷不能穩(wěn)定，每次故障時主配壓閥都卡在中間位置的可能性極低，所以排除主配發(fā)卡的情況。

（2）從液壓系統(tǒng)圖（圖6）可以看出電液轉(zhuǎn)換單元至主配中間還設置有急停閥和切換閥。急停閥為雙線圈電磁閥，若其故障則是永久性故障，故障現(xiàn)象可以完全復現(xiàn)，所以急停閥故障的可能較小。而切換閥為單線圈電磁閥，若其故障處于中間位置（即比例閥和電機油路均不通），控制油路則無法到達主配控制腔，可能導致主配拒動。

遂在試驗臺對切換閥進行人為控制調(diào)整，可完全復現(xiàn)切換閥閥芯處于中間位置的狀態(tài)，進一步驗證切換閥故障的可能性較大。

圖6 液壓系統(tǒng)圖（部分）

綜上所述，判斷調(diào)速器大故障是由于切換閥故障導致的，后續(xù)對切換閥進行拆解檢查并清洗后，現(xiàn)場故障再未出現(xiàn)。

3.2 智能定位方法

針對不能長期保持的瞬時、偶發(fā)性故障，目前的調(diào)速系統(tǒng)尚缺乏成熟的設計方案和判斷邏輯。在設備故障的最初階段無法根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和數(shù)據(jù)找到故障點，需要在后期進行大量試驗和數(shù)據(jù)分析，排除可能性較小的故障點，然后對疑似故障點進行逐一檢查，故障消除時效性較低，耗費資源大。

如前文所述調(diào)速系統(tǒng)大故障問題，設計在液壓控制回路中加入控制油源的壓力或流量檢測機制，進行智能故障定位，即可在第一時間判斷出故障原因在哪一級、哪一個設備。如圖7。

圖7 液壓回路故障定位

通過監(jiān)測主配壓閥控制腔油源壓力，結合比例閥位置電氣反饋信號監(jiān)視，即可通過控制器程序快速鎖定故障源：比例閥向開方向移動且主配壓閥控制腔壓力小于系統(tǒng)壓力，即報“切換閥發(fā)卡”故障。

對調(diào)速系統(tǒng)進行全過程監(jiān)視，可以對設備運行狀態(tài)進行全面分析，對于實現(xiàn)故障智能診斷有著積極的意義。如對接力器開關腔壓力、步進電機脈沖信號反饋、比例閥信號反饋、控制油路關鍵點壓力等信號的監(jiān)視，進而實現(xiàn)對調(diào)速系統(tǒng)快速故障定位及診斷，如圖8所示。

圖8 調(diào)速系統(tǒng)全過程監(jiān)視流程方法示意圖

4 結語

調(diào)速系統(tǒng)作為水輪發(fā)電機組的核心設備，其正常運行對機組和電網(wǎng)安全有著至關重要的作用，所以調(diào)速系統(tǒng)的故障判斷和預警尤為重要。而調(diào)速系統(tǒng)運行又涉及電氣部分和機械部分，其控制介質(zhì)又包括油和氣，故障判斷與定位較為復雜，目前調(diào)速器故障報警僅考慮電氣信號的閉環(huán)邏輯和機械設備的故障后果，對調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程判斷尚未考慮。

本文針對調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的無規(guī)律性、瞬時性偶發(fā)故障進行分析，提出了一種調(diào)速系統(tǒng)故障診斷全過程監(jiān)視方法，該智能診斷方法將關鍵過程信號值引入故障判斷機制，可快速準確的進行故障判斷，為調(diào)速系統(tǒng)故障處理提供有力依據(jù)，同時也為巨型水電機組的穩(wěn)定運行及智能故障診斷打下基礎。