楊 云，任 剛，帥小樂，余志強(qiáng)，程 建

（三峽水力發(fā)電廠，湖北宜昌 443133）

0 引言

三峽右岸共裝額定容量700 MW的水輪發(fā)電機(jī)組12臺(tái)，其中15～18號(hào)機(jī)由東電供貨，19～22號(hào)機(jī)組由ALSTOM供貨，23～26號(hào)機(jī)由哈電供貨。12臺(tái)機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)均為哈爾濱電機(jī)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱哈電）供貨，電調(diào)控制部分采用GE公司的MicroNet TMR硬件平臺(tái)及GAP編程平臺(tái)，液壓控制部分采用S7-400PLC硬件平臺(tái)和PCS7編程平臺(tái)，主要的液壓控制元件包括德國(guó)博士公司生產(chǎn)的比例伺服閥和GE公司生產(chǎn)的帶內(nèi)部位置傳感器的主配壓閥等液壓控制元件。

本文從調(diào)速器電氣控制的角度總結(jié)了調(diào)速系統(tǒng)控制框架及系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)，分析了主配位置反饋異常及接力器位置反饋異常引起的2次調(diào)速系統(tǒng)振蕩，提出了處理方法及運(yùn)行注意事項(xiàng)。

1 電調(diào)系統(tǒng)配置及冗余

1.1 電調(diào)配置

三峽調(diào)速電調(diào)部分由一套GE公司的MicroNet TMR數(shù)字控制器構(gòu)成，該系統(tǒng)配有雙冗余的電源、雙冗余輸入、輸出模塊及三冗余（TMR）的CPU處理單元，系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 MicroNet TMR配置圖

MicroNet TMR的底框是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的六插槽模塊，每個(gè)底框上都配有風(fēng)扇和溫度開關(guān)。三個(gè)底框以及上面的所有板卡由一塊母板連接，每一部分都配有獨(dú)立的內(nèi)核電源。

1.2 MicroNet TMR冗余及信號(hào)冗余處理

MicroNet TMR冗余包括電源系統(tǒng)的冗余、CPU冗余和輸入輸出的冗余3個(gè)方面。

MicroNet TMR有兩套電源，主電源以及內(nèi)核電源，主電源由兩套電源供電，每套電源為三個(gè)控制模塊獨(dú)立供電，輸出6路24 V、6 A到控制系統(tǒng)，在每個(gè)控制模塊上由內(nèi)核電源再將24 V轉(zhuǎn)成5 V以供給其CPU和I/O模塊。

MicroNet TMR的3個(gè)CPU同時(shí)工作，正常運(yùn)行至少要求2個(gè)CPU正常工作，CPU壞的機(jī)箱，其相應(yīng)的IO模塊也將停止工作。

三峽右岸調(diào)速M(fèi)icroNet TMR系統(tǒng)的IO配置為雙冗余結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 IO雙冗余接入圖

在圖2中現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)（例如接力器A套位置傳感器信號(hào)）接入GE提供專用端子板（TMR FTM），再由兩條專用辮子分別接入A套CPU管理的IO模塊和C套CPU管理的IO模塊。在程序中根據(jù)兩塊IO板的工作狀態(tài)和信號(hào)的品質(zhì)，對(duì)輸入的兩路信號(hào)進(jìn)行選擇（例如對(duì)AI信號(hào)可進(jìn)行高選、低選或平均等選擇），用于控制的信號(hào)為選擇過后的信號(hào)。

三峽右岸接力器位置信號(hào)采用A、B兩套傳感器進(jìn)行測(cè)量，每套傳感器的信號(hào)又分為兩路IO輸入MicroNet TMR，參見圖3所示。

圖3 接力器位置測(cè)量及處理流程

對(duì)于接力器位置測(cè)量，在正常情況（信號(hào)的品質(zhì)好及IO模塊工作正常）下，程序分別對(duì)A、B套傳感器兩路IO輸入信號(hào)進(jìn)行高選得到A、B套傳感器信號(hào)，再對(duì)A、B套傳感器信號(hào)進(jìn)行高選最終得到用于控制的接力器位置信號(hào)。在后面分析接力器反饋異常造成的系統(tǒng)振蕩案例中，由于A套傳感器的滑塊脫扣，穩(wěn)定在31%（對(duì)于MicroNet TMR還認(rèn)為工作正常），在接力器實(shí)際位置≥31%時(shí)，根據(jù)高選原則，選工作正常的B套傳感器；在接力器實(shí)際位置＜31%時(shí)，根據(jù)高選原則，選工作不正常的A套傳感器，即此時(shí)用于控制計(jì)算的接力器位置固定為31%。

2 機(jī)組有功調(diào)節(jié)及控制

正常運(yùn)行時(shí)機(jī)組有功的控制及調(diào)節(jié)需要監(jiān)控LCU和調(diào)速器配合。對(duì)LCU包括有功閉環(huán)投退，對(duì)調(diào)速包括功率模擬和開度模式切換。

在監(jiān)控LCU部分同有功控制有關(guān)的為：有功閉環(huán)和有功設(shè)定方式。LCU在有功閉環(huán)投入情況下，將操作員的設(shè)定或AGC設(shè)定下發(fā)調(diào)速器；在有功閉環(huán)退出時(shí)將實(shí)發(fā)的有功下發(fā)調(diào)速器，即LCU不參與有功控制及調(diào)節(jié)。

調(diào)速器在機(jī)組并網(wǎng)時(shí)對(duì)有功的調(diào)節(jié)有兩種工作模式：功率模式和開度模式，其PID計(jì)算參見圖4 a和4 b，從圖中可以看出在功率模式下，將功率轉(zhuǎn)換為開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但在調(diào)速器部分存在功率閉環(huán)，在開度模式下功率閉環(huán)完全由LCU實(shí)現(xiàn)。

LCU給調(diào)速的有功指令有兩種方式下發(fā)，模擬量方式和脈沖量方式。在功率模式下采用模擬量給定或脈沖量給定（即功率模擬量方式和功率脈沖量方式），在功率模擬量方式下LCU將有功指令以AO方式下發(fā)調(diào)速，調(diào)速根據(jù)指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，在功率脈沖量方式下，LCU在設(shè)定有功和實(shí)發(fā)有功的差值進(jìn)行脈沖計(jì)算，以脈沖增減的方式下發(fā)調(diào)速執(zhí)行，在功率脈沖量方式下存在LCU的有功閉環(huán)和調(diào)速內(nèi)部的有功閉環(huán)，關(guān)于此兩個(gè)有功閉環(huán)的協(xié)調(diào)另附文討論；在開度模式下只有脈沖量給定方式，LCU根據(jù)有功閉環(huán)計(jì)算開度的增減脈沖下發(fā)調(diào)速執(zhí)行。調(diào)速器接收到調(diào)節(jié)指令按圖4c的流程進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4 a開度PID計(jì)算

圖4 b功率PID計(jì)算

圖4 c有功調(diào)節(jié)的調(diào)速液壓部分框圖

圖4a,圖4b,圖4c三個(gè)圖構(gòu)成了調(diào)速有功調(diào)節(jié)及控制系統(tǒng)的4環(huán)，其中主要包括：

（1）比例閥閥芯位移反饋閉環(huán)；

（2）主配活塞位移反饋閉環(huán)；

（3）接力器位置反饋閉環(huán)（導(dǎo)葉開度反饋）；

（4）功率反饋閉環(huán)。

該4個(gè)閉環(huán)層層相套，其中比例閥閥芯反饋閉環(huán)和主配活塞反饋閉環(huán)的綜合點(diǎn)在比例閥的驅(qū)動(dòng)器中，為硬件反饋閉環(huán)；開度閉環(huán)在調(diào)速器中以軟件的形式完成；功率閉環(huán)根據(jù)調(diào)速器的工作模式不同，可以在LCU或調(diào)速器中完成。根據(jù)控制理論，內(nèi)環(huán)的反饋故障可以通過套在其外的外環(huán)進(jìn)行抑制，但振蕩將始終存在，在后面分析具體振蕩實(shí)例中將用到該結(jié)論，同時(shí)也對(duì)該理論進(jìn)行了實(shí)證。

3 接力器位置反饋導(dǎo)致接力器抽動(dòng)

3.1 抽動(dòng)過程

三峽右岸某機(jī)組在停機(jī)過程中，出現(xiàn)接力器抽動(dòng)，機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作，整個(gè)過程如下：

21:33遠(yuǎn)方操作減負(fù)荷停機(jī)；

21:48：37 遠(yuǎn)方將定機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值從250 MW設(shè)定為200 MW時(shí)，機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值從250 MW調(diào)節(jié)到-32 MW，出現(xiàn)“逆功率保護(hù)”報(bào)警（報(bào)警-3%×700=-21 MW），停機(jī)-5%×700=-35 MW），隨后機(jī)組負(fù)荷出現(xiàn)連續(xù)抽動(dòng)，最高到280 MW，最低到100 MW；

21:51:13 運(yùn)行人員退出機(jī)組有功閉環(huán)模式（LCU將調(diào)速器運(yùn)行模式置為開度模式），機(jī)組負(fù)荷停止抽動(dòng)，穩(wěn)定在230 MW；

21:53:27 “逆功率保護(hù)動(dòng)作”報(bào)警復(fù)歸；

21:55:27 運(yùn)行人員在單控室將調(diào)速器的工作方式由“遠(yuǎn)方/自動(dòng)”切換為“現(xiàn)地/自動(dòng)”，現(xiàn)地通過“功率增/減”把手減負(fù)荷；

21:56:21 機(jī)組負(fù)荷降低至-24 MW，再次出現(xiàn)“逆功率保護(hù)”報(bào)警；

21:56:32 26F“發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)停機(jī)總出口動(dòng)作”（逆功率動(dòng)作，此時(shí)有功-35.425 MW），機(jī)組電氣事故停機(jī)動(dòng)作，緊急停機(jī)流程啟動(dòng)（利用緊急停機(jī)閥停機(jī)）；

待機(jī)組全停后，F(xiàn)導(dǎo)葉開度仍然顯示為27.41%（對(duì)應(yīng)功率230 MW），隨后在水車室檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組調(diào)速器A套接力器傳感器的滑塊脫扣。

圖5 振蕩過程曲線

3.2 振蕩過程分析

通過對(duì)MicroNet程序及振蕩曲線分析，并結(jié)合A套傳感器滑塊脫扣的情況，該次振蕩過程分為以下4個(gè)階段：

第1階段:減負(fù)荷出現(xiàn)逆功率報(bào)警

該階段監(jiān)控LCU為有功閉環(huán)，調(diào)速器工作在功率調(diào)節(jié)模式下，由于監(jiān)控閉環(huán)的存在，給調(diào)速器的有功調(diào)節(jié)指令保持為200 MW，調(diào)速器按200 MW的目標(biāo)值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

21:48:37 機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值從250 MW設(shè)定為200 MW，調(diào)速器接收到新的負(fù)荷設(shè)定值開始調(diào)節(jié)。此時(shí)接力器A套傳感器的反饋值穩(wěn)定在31%，而接力器B套傳感器反饋值在實(shí)時(shí)變化中，因此判斷此時(shí)接力器A套傳感器滑塊已經(jīng)脫扣。

由于MicroNet程序中對(duì)接力器A、B套傳感器的信號(hào)進(jìn)行了高通選擇，再進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算，故用于功率PID計(jì)算的接力器實(shí)際反饋值為較高的A套傳感器數(shù)據(jù)31%（對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉開度為27.4%）。調(diào)速器按照監(jiān)控LCU下發(fā)的200 MW設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于調(diào)速器功率PID算法計(jì)算輸出的導(dǎo)葉開度設(shè)定值為25%，通過調(diào)速器接力器位置閉環(huán)的作用，將通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉導(dǎo)葉至25%的開度，但是因?yàn)閷?dǎo)葉開度反饋值始終穩(wěn)定在27.4%左右，所以調(diào)節(jié)器始終認(rèn)為導(dǎo)葉開度沒有關(guān)閉到位，于是就一直輸出關(guān)閉導(dǎo)葉的信號(hào)，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷最低降至-32 MW，“逆功率保護(hù)動(dòng)作”報(bào)警。

第2階段：負(fù)荷出現(xiàn)連續(xù)抽動(dòng)

該階段監(jiān)控LCU為有功閉環(huán)，調(diào)速器工作在功率調(diào)節(jié)模式下，給調(diào)速器的有功調(diào)節(jié)指令仍然保持為200 MW。

21:49:06 機(jī)組負(fù)荷降低至-32 MW，而此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)仍為有功閉環(huán)模式，調(diào)速器仍為功率調(diào)節(jié)模式，調(diào)速器仍接受監(jiān)控系統(tǒng)的功率模擬量給定信號(hào)200 MW，其功率PID算法會(huì)通過功率比較器的作用將機(jī)組有功反饋與機(jī)組有功設(shè)定調(diào)節(jié)一致，因此當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從250 MW下降至-32 MW時(shí)，機(jī)組有功反饋低于機(jī)組有功設(shè)定值，兩者之間產(chǎn)生了一個(gè)較大的差值，所以功率PID算法會(huì)重新計(jì)算導(dǎo)葉開度設(shè)定值，去迅速開啟導(dǎo)葉增加機(jī)組有功直至等于有功設(shè)定值，這樣就出現(xiàn)了機(jī)組有功從-32 MW一直增加至280 MW，而當(dāng)機(jī)組有功增加至280 MW大于有功設(shè)定值200 MW時(shí)，調(diào)速器的功率PID算法會(huì)再次計(jì)算導(dǎo)葉開度設(shè)定值，關(guān)閉導(dǎo)葉減少機(jī)組有功直至等于有功設(shè)定值，所以調(diào)節(jié)器會(huì)重復(fù)第1階段的調(diào)節(jié)過程，只要此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)不退出有功閉環(huán)模擬量給定模式，調(diào)速器不置開度調(diào)節(jié)模式，調(diào)速器就會(huì)反反復(fù)復(fù)的開/關(guān)導(dǎo)葉，調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，使得機(jī)組負(fù)荷連續(xù)的抽動(dòng)。

從反饋控制分析：此階段調(diào)節(jié)，在接力器位置＜31%時(shí)，相當(dāng)于接力器反饋環(huán)節(jié)切除，系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定，出現(xiàn)振蕩；當(dāng)＞31%，反饋有效，正常調(diào)節(jié)。

第3階段：負(fù)荷趨于穩(wěn)定

21:51:13 運(yùn)行人員在中控室退出26F機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)有功閉環(huán)模式，將調(diào)速器的控制模式置為開度調(diào)節(jié)模式，此時(shí)調(diào)速器功率PID算法退出,開度PID算法運(yùn)行，導(dǎo)葉開度設(shè)定值跟蹤導(dǎo)葉開度實(shí)際值（28%，對(duì)應(yīng)接力器位置31%），因此機(jī)組有功穩(wěn)定在235 MW左右。

從反饋控制分析：此階段調(diào)節(jié)，31%的導(dǎo)葉反饋轉(zhuǎn)換為設(shè)定，原來(lái)的給定由于跟蹤變?yōu)橛行Х答?，故該階段調(diào)節(jié)的最終穩(wěn)定值28%，對(duì)應(yīng)接力器位置31%對(duì)應(yīng)的有功。

第4階段：逆功率保護(hù)動(dòng)作，電氣事故停機(jī)

21:55:27 運(yùn)行人員在單控室將調(diào)速器的工作方式由遠(yuǎn)方/自動(dòng)切換為現(xiàn)地/自動(dòng)控制方式，現(xiàn)地通過“功率增/減”把手減負(fù)荷，但是此時(shí)調(diào)速器的接力器位置閉環(huán)仍然作用于調(diào)節(jié)過程，所以運(yùn)行人員現(xiàn)地減負(fù)荷與遠(yuǎn)方減負(fù)荷的結(jié)果是一樣的，即重復(fù)第1階段的調(diào)節(jié)過程，機(jī)組負(fù)荷不斷降低直至-24MW，（由于調(diào)速器為現(xiàn)地/自動(dòng)控制方式，所以機(jī)組負(fù)荷沒有再次回調(diào)），最后導(dǎo)致26F機(jī)組再次出現(xiàn)“逆功率保護(hù)動(dòng)作”報(bào)警，直至“發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)停機(jī)總出口動(dòng)作”，電氣事故停機(jī)動(dòng)作，緊急停機(jī)流程啟動(dòng)。

4 主配位置反饋異常導(dǎo)致振蕩分析

三峽右岸電站調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是德國(guó)BOSCH公司的帶放大器的比例閥，該比例閥內(nèi)部的集成放大電路通過比例閥閥芯位移傳感器與主配壓閥的活塞位置反饋傳感器構(gòu)成了主配位置控制閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)微機(jī)調(diào)節(jié)器的比例閥驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)主配壓閥活塞位置的比例控制（結(jié)構(gòu)框圖見圖4c）。然而這種比例閥與主配壓閥之間自成固定的位置控制閉環(huán)不能識(shí)別主配傳感器斷線故障（例如主配傳感器電氣接頭松動(dòng)或主配傳感器損壞等）。當(dāng)主配位移傳感器斷線或者主配傳感器電氣插頭松動(dòng)時(shí)，比例閥內(nèi)部放大電路均無(wú)法接收到主配閥芯位置的反饋信號(hào)，且此時(shí)比例閥內(nèi)部的控制邏輯塊會(huì)將比例閥閥芯位置反饋信號(hào)直接設(shè)定為中間位置(50%)。如果此時(shí)機(jī)組正在進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么調(diào)速器程序中的比例閥驅(qū)動(dòng)器模塊輸出的比例閥位置設(shè)定信號(hào)要么大于50%，要么小于50%，所以比例閥內(nèi)部放大電路接收到的位置設(shè)定信號(hào)不會(huì)等于50%，這樣就會(huì)使得比例閥閥芯要么向開方向動(dòng)作，要么向關(guān)方向動(dòng)作，因此實(shí)際上主配壓閥閥芯也會(huì)與之相應(yīng)動(dòng)作，由于比例閥內(nèi)部放大電路檢測(cè)不到主配傳感器位置反饋信號(hào)，比例閥自身閥芯位置反饋信號(hào)被強(qiáng)制為50%，所以主配位置閉環(huán)不能正常運(yùn)行，不能正?？刂浦髋溟y芯的實(shí)際位移量，將會(huì)造成主配要么全開，要么全關(guān)，但是由于接力器位置閉環(huán)受到調(diào)速器控制器程序監(jiān)控，因此當(dāng)主配全開導(dǎo)致導(dǎo)葉實(shí)際位置大于調(diào)速器導(dǎo)葉PID計(jì)算值時(shí)，在接力器位置閉環(huán)作用下，調(diào)速器控制器會(huì)重新計(jì)算導(dǎo)葉開度PID輸出值，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉向關(guān)方向動(dòng)作，這樣又會(huì)導(dǎo)致主配全關(guān)，導(dǎo)葉實(shí)際位置又會(huì)小于調(diào)速器導(dǎo)葉PID計(jì)算值，同樣在接力器閉環(huán)作用下，調(diào)速器控制器仍會(huì)重新計(jì)算導(dǎo)葉開度PID輸出值，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉向開方向動(dòng)作，實(shí)際上就表現(xiàn)為比例閥閥芯與主配閥芯快速振蕩，接力器頻繁抽動(dòng)。在26F機(jī)組進(jìn)行無(wú)水工況下模擬主配傳感器斷線故障及21F機(jī)組低負(fù)荷時(shí)進(jìn)行模擬主配傳感器斷線故障的錄波圖上（圖6及圖7），可以明顯的看到這種主配傳感器斷線造成的接力器的振蕩現(xiàn)象。

圖6 26F機(jī)組主配位移傳感器斷線錄波曲線

圖7 21F機(jī)組主配位移傳感器斷線錄波曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了三峽右岸調(diào)速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖，分析了信號(hào)冗余的特殊方式；結(jié)合控制框圖及信號(hào)冗余特點(diǎn)，分析了接力器傳感器故障及主配和比例閥構(gòu)成的小閉環(huán)故障導(dǎo)致的系統(tǒng)振蕩，總結(jié)了振蕩的特點(diǎn)，為研究及分析調(diào)速系統(tǒng)振蕩提供了一定基礎(chǔ)。

[1]魏守平.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.

[2]毛羽波，樸秀日.三峽右岸電站調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械液壓部分的特點(diǎn)[J].大電機(jī)技術(shù)，2007,(5):60-64.