趙 馨,陳兵陽

(浙江珊溪經(jīng)濟發(fā)展有限責任公司,浙江 溫州 325000)

珊溪水力發(fā)電廠位于浙江省文成縣境內(nèi)的飛云江上。電廠以發(fā)電為主,兼有灌溉、供水、防洪、航運、旅游等綜合社會效益。電廠裝有4臺50 MW的混流式發(fā)電機組,電廠年平均發(fā)電量3.55億kW?h,由220 kV系統(tǒng)接入華東電網(wǎng)。

機組所采用調(diào)速器為長江三峽能事達電氣股份有限公司生產(chǎn)的DFWT-100-4.0伺服電機微機調(diào)速器,電氣部分以法國Schneider Modicon M340控制器,機械部分以伺服電機式無油電液轉換器為主體,采用并聯(lián)PID適應式變參數(shù)變結構調(diào)節(jié)方式,能夠自動適應空載、大網(wǎng)、小網(wǎng)運行方式。

1 問題的提出

水輪機調(diào)速器是水電站水輪發(fā)電機組的重要輔助設備,它與電站二次回路或計算機監(jiān)控系統(tǒng)相配合,完成水輪發(fā)電機組的開機、停機、增減負荷、緊急停機等任務,擔負著調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的任務。因此,調(diào)速器的穩(wěn)定、可靠控制顯得尤為重要,現(xiàn)代水電站和電力系統(tǒng)對水輪機調(diào)速器的性能及功能提出了新的和更嚴格的要求。

隨著計算機技術的迅速發(fā)展,水輪機微機調(diào)速器得到了廣泛的應用,可編程控制器調(diào)速器是我國當前水輪機微機調(diào)速器的主導產(chǎn)品?？删幊炭刂破魇菙?shù)字式電液調(diào)速器的控制中樞,它在很大程度上決定了調(diào)速器的性能,也是調(diào)速器發(fā)展中最活躍的部件。運行實踐表明,調(diào)速系統(tǒng)的可靠性不僅取決于系統(tǒng)設計的可靠性,更多的取決于PLC等元器件的可靠性,調(diào)速器在長期實際運行過程中存在一些電氣元件本身的老化。采用技術先進、高可靠性的雙PLC冗余控制成為滿足連續(xù)生產(chǎn)要求、提高系統(tǒng)可靠性的一種手段[1]。

2 雙PLC調(diào)速器原理

調(diào)速器控制系統(tǒng)設計如圖1所示。

圖1 調(diào)速器系統(tǒng)框圖

電氣控制部分采用了2套進口的高可靠性的PLC,自動運行時,實現(xiàn)雙PLC交叉冗余控制,每1套PLC包括CPU模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊、高速計數(shù)模塊。自動運行時,1套PLC主用,另1套PLC為備用,當主用PLC出現(xiàn)故障時,自動無擾動地切換到另1套PLC,維持系統(tǒng)工況不變。

實際上,除了PLC冗余外,雙微機系統(tǒng)的主要硬件也是2套備用或冗余的系統(tǒng),主要包括電源冗余、測頻冗余以及傳感器冗余。冗余設計使系統(tǒng)關鍵部件的可靠性大大得到提高,從而也就提高了調(diào)速系統(tǒng)的可靠性。

3 雙PLC交叉冗余原理

3.1 控制權的裁決和轉移

無故障情況下,CPU控制權的轉移通過柜上按鈕的切換實現(xiàn),“A機主用”按鈕對應A控制器,“B機主用”按鈕對應B控制器。

在自動工況下,每套PLC都向另一套PLC發(fā)送2個開關量信號:本機主用信號和本機事故信號。每個PLC在備用時都不斷檢測對方PLC送來的這2個信號,當滿足以下2個條件之一時自身切為主用:①沒有收到對方發(fā)來的主用信號;②收到對方發(fā)來的事故信號且本機沒有事故。

每個PLC在主用時,滿足下列條件之一切為備用:①收到對方主用信號;②自身有事故且沒有收到對方事故信號。

當A、B機均有事故時,調(diào)速器切為手動。

3.2 2套PLC的無擾動切換[2]

備用PLC的開度給定跟蹤機組實際導葉開度,功率給定跟蹤機組的實際功率,并且能識別調(diào)速器所處工況(空載、并網(wǎng)、停機等待等),以便在A/B套切換時,能實現(xiàn)平穩(wěn)無擾動的切換。

擁有主控制權的PLC具有輸出控制權,而熱備控制器輸出到繼電器被禁止,但熱備控制機仍然采集信號和保持輸出,保持數(shù)據(jù)同步,實現(xiàn)無擾切換。切換輸出控制回路采用繼電器切換,2套 PLC輸出匯成 1路,提高輸出可靠性。

4 頻率測量冗余原理

4.1 頻率測量原理[3]

測頻方式為:①測網(wǎng)頻,信號取自電網(wǎng)PT;②機組機頻測量方式分2種,一路機組PT殘壓測頻,另一路為齒盤測頻SSG,2路測頻互為備用。正常運行時,殘壓測頻經(jīng)與齒盤測頻進行比較驗證無誤后,供調(diào)速器測頻使用。當殘壓測頻故障或比較結果超出范圍時,用齒盤測頻信號供調(diào)速器測頻使用。調(diào)速器在并網(wǎng)后,網(wǎng)頻仍可作調(diào)速器機頻單元的后備。

PLC可編程直接測頻是此調(diào)速器另外一特點。利用PLC高速計數(shù)模塊內(nèi)部的60 kHz高速脈沖直接測頻,使測頻精度達到0.001 Hz以上,避免了一般PLC因計數(shù)頻率低而用測頻模塊向可編程傳遞數(shù)據(jù),同時避免了數(shù)據(jù)傳遞過程中的延時,使測頻可靠性、實時性大大提高。用PLC直接測頻,器件少、接線少、速度快、可靠性高、測頻回路簡潔,維護方便。這種冗余方式優(yōu)點在于可靠性較高,但成本也較高。測頻原理如圖2。

圖2 測頻原理圖

被測頻率信號經(jīng)過放大、整形、硬件分頻后得到1個方波,方波的周期是原始信號頻率的整數(shù)倍。方波信號與高速計數(shù)模塊內(nèi)部的高頻脈沖相與得到1個有間歇的高頻脈沖信號,高速計數(shù)模塊對這個信號進行計數(shù),計數(shù)值Nt與原始信號的頻率F成反比。通過下式計算得到測頻值:

F=C/Nt 式中:C是一個常數(shù)。

4.2 3選2表決系統(tǒng)的實現(xiàn)方式

頻率測量的一大特點就是采用了3選2表決系統(tǒng),其構成原理如下:

PT:機端PT頻率測量 SSG:齒盤頻率測量

令SSG1探頭的測量值為:Fssg 1(Hz)

令SSG2探頭的測量值為:Fssg 2(Hz)

令PT的測量值為:Fpt 1(Hz)

則SSG1與SSG2運行時的測量偏差為:△F1=|Fssg 1-Fssg 2|

則SSG1與PT運行時的測量偏差為:△F2=|Fssg 1-Fpt 1|

則SSG2與PT運行時的測量偏差為:△F3=|Fssg 2-Fpt 1|

當機組處于正常穩(wěn)定運行的時候,不同測量值的偏差不會超過1個整定值,設該值為:σ(Hz)

正常情況下:

△F1≤σ;記為條件滿足M1為真

△F2≤σ;記為條件滿足M2為真

△F3≤σ;記為條件滿足M3為真

則此時的輸出:RO=M1‖M2‖M3,即3信號源均可作為正常的輸出,判斷結果正常。

非正常狀態(tài):

在此假設SSG2探頭輸出信號明顯異常,則:

根據(jù)上式可得:△F1和△F3的數(shù)據(jù)會明顯大于σ,則條件中的M1和M3為假。

式RO=M1‖M2‖M3=M2

即:當探頭SSG2出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)異常時,輸出就根據(jù)SSG1和PT輸出的信號作為輸出的依據(jù),極大的能夠保證裝置工作的可靠性。

當信號輸入源出現(xiàn)物理故障而沒有輸出是可以通過軟件進行判斷的,例如:SSG出現(xiàn)物理損壞,導致無脈沖信號輸出、PT信號因為保險爆裂或斷線都是可以通過軟件判斷出來的,而對于非正常輸入信號通過表決系統(tǒng)是可以使設備正常工作的。故使用了表決系統(tǒng)的裝置可以極大的提高裝置的可靠性,可以極大地減少因轉速裝置造成的非正常停機。

5 交叉冗余調(diào)速器的優(yōu)勢

(1)不影響調(diào)速器正常運行,工作機有故障后可任意切除,方便檢修、更換。

(2)外界向調(diào)速器工作機寫入非法數(shù)據(jù)或本身故障造成PLC死機、死循環(huán),備用機自動投入,維持當前工況運行。

(3)不影響調(diào)速器正常運行,備用機各種輸入輸出通訊模塊可方便擴展,增加功能。之后再切換到另一套同樣處理,從而可擴展調(diào)速器功能。

(4)冗余PLC的供電電源采用獨自供電,互不干擾,如果1套因電源干擾或電源模塊損壞而無法正常工作,備用機自動投入,同時1套自動切除。

(5)當1套測頻回路、傳感器回路等斷線或因干擾出現(xiàn)故障后,備用機自動投入,防止因信號丟失調(diào)速器長期處于手動狀態(tài),避免接力器漂移影響出力。

(6)當某些電氣元件由于長期使用老化后,測量不準,影響調(diào)速器正常出力,調(diào)節(jié)不準確。投入備用機,退換老化電氣元件。

6 結 語

本系統(tǒng)投運以來,運行情況良好,滿足調(diào)節(jié)水輪機的各種要求。采用交叉冗余技術很大程度的提高了調(diào)速器運行可靠性,達到無故障運行的目的,為電廠實現(xiàn)“無人值班、少人職守”運行方式提供了一道技術保障。

[1]魏守平.水輪機控制工程 [M].武漢:華中科技大學出版社,2009.

[2]向家安,李紅,張新華.自動復中型調(diào)速器在大型水電機組的運行和試驗[J].水電站自動化與大壩監(jiān)測,2005(4):16-18.

[3]張新華,向家安,張友江.基于可編程邏輯控制器的微機調(diào)速器測頻方法 [J].水電站自動化與大壩監(jiān)測,2008(2):17-20.