陳 偉，符彥青

（海南蓄能發(fā)電有限公司，海南省瓊中縣 572926）

二選一容錯控制技術(shù)在抽水蓄能機組導(dǎo)葉開度反饋中的應(yīng)用

陳 偉，符彥青

（海南蓄能發(fā)電有限公司，海南省瓊中縣 572926）

導(dǎo)葉開度反饋值是調(diào)速器PID閉環(huán)控制單元的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)之一。導(dǎo)葉開度反饋容錯處理技術(shù)對于調(diào)速器系統(tǒng)至關(guān)重要。結(jié)合惠州抽水蓄能電站調(diào)速系統(tǒng)實際，本文介紹了一種優(yōu)化的導(dǎo)葉開度反饋容錯技術(shù)，即二選一容錯控制技術(shù)。該容錯技術(shù)能實時精準(zhǔn)識別開度反饋傳感器主要故障，并自動切換至備用傳感器選值。模擬測試和運行記錄表明該改進技術(shù)能有效提高調(diào)速器導(dǎo)葉開度反饋容錯能力。

二選一；調(diào)速器；容錯技術(shù)

0 引言

調(diào)速系統(tǒng)是水電站機組的核心控制設(shè)備之一，其主要功能是調(diào)節(jié)機組的有功功率、保證水輪機機組的頻率穩(wěn)定以及維持電力系統(tǒng)負(fù)荷平衡。水輪機調(diào)速器是由微機控制單元、液壓機構(gòu)和調(diào)節(jié)對象組成的PID控制系統(tǒng)。

導(dǎo)葉是PID閉環(huán)系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)對象，而導(dǎo)葉開度反饋值是該閉環(huán)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。

在每個導(dǎo)葉接力器上都安裝2個導(dǎo)葉開度反饋傳感器，用于滿足機組導(dǎo)葉開度測量的冗余性。導(dǎo)葉開度反饋容錯邏輯是保證開度值是否準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵技術(shù)之一。

結(jié)合惠州抽水蓄能電站調(diào)速器實際，本文分析了原容錯邏輯的缺陷，并介紹了一種優(yōu)化的導(dǎo)葉開度反饋容錯技術(shù)。新的二選一容錯控制技術(shù)，滿足了容錯判定的實時性和準(zhǔn)確性。

1 調(diào)速器導(dǎo)葉原開度反饋容錯邏輯介紹

惠州抽水蓄能電站，共安裝8臺30萬kW可逆式抽水蓄能發(fā)電機組。調(diào)速器采用NEYPRIC公司供貨的數(shù)字式電液調(diào)速器。

UPC是調(diào)速器的核心單元，用于給定相應(yīng)的導(dǎo)葉接力器的設(shè)定值。SPC為接力器控制器，用于接受UPC發(fā)出的接力器設(shè)定值，通過控制導(dǎo)葉接力器的動作來達(dá)到調(diào)整導(dǎo)葉開度的目的。導(dǎo)葉開度反饋值是SPC的主要反饋量。

惠州抽水蓄能電站機組為單導(dǎo)葉控制，每臺機組有20個導(dǎo)葉。在各導(dǎo)葉上均安裝有兩個開度反饋傳感器，一個為主用傳感器，另一個為備用。主備用傳感器容錯邏輯：當(dāng)主用傳感器信號丟失時（即主用傳感器工作電流在4～20mA區(qū)間之外），SPC才從備用傳感器獲取反饋值。

上述容錯邏輯忽視了多種可能發(fā)生的傳感器故障，例如傳感器反饋值跳變等現(xiàn)象，存在嚴(yán)重技術(shù)缺陷?；葜莩樗钅茈娬驹啻伟l(fā)生導(dǎo)葉開度傳感器反饋值跳變，由于主用傳感器故障時工作電流仍在工作電流區(qū)間，SPC未能及時從備用傳感器獲取反饋值，最終調(diào)速器設(shè)定值與反饋值不一致，觸發(fā)機組故障停機。

2 調(diào)速器導(dǎo)葉新開度反饋容錯邏輯介紹

導(dǎo)葉開度反饋值容錯控制，指無論機組在何種工況下運行，當(dāng)開度反饋信號出現(xiàn)故障時，調(diào)速器均應(yīng)能繼續(xù)自動調(diào)節(jié)和工況轉(zhuǎn)換控制，繼續(xù)維持機組安全運行。

容錯的目的是能容忍單個傳感器故障而導(dǎo)致的故障信號的存在，使故障信號不會或盡可能少地危及調(diào)速系統(tǒng)運行。二選一容錯技術(shù)是指當(dāng)調(diào)速器導(dǎo)葉主用傳感器發(fā)生各種故障時，導(dǎo)葉開度測控裝置SPC主動精準(zhǔn)快速識別故障，并無擾切換至備用傳感器選值。當(dāng)主用傳感器故障復(fù)歸后，SPC應(yīng)自動切回至主用傳感器選值。上述的二選一容錯技術(shù)，對傳感器故障判斷的準(zhǔn)確性和實時性有嚴(yán)格要求。

2.1 主動識別故障

主動識別是指機組運行中導(dǎo)葉開度測控單元SPC智能分析主用傳感器測量數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)快速識別傳感器各類故障。根據(jù)惠州抽水蓄能電站機組四年來運行記錄，導(dǎo)葉開度反饋傳感器故障狀態(tài)分以下三種：

2.1.1 傳感器信號丟失（Signal lost）

當(dāng)導(dǎo)葉開度反饋傳感器出現(xiàn)斷線故障時，輸出信號丟失。通常表現(xiàn)為工作電流為0，即低于最小工作電流4mA。

2.1.2 傳感器反饋值過快變化（too fast detection）

電液轉(zhuǎn)換器通過閥芯移動控制接力器，開啟腔和關(guān)閉腔的油壓是由專用油壓裝置產(chǎn)生，壓力平穩(wěn)。調(diào)整同等區(qū)間開度時，電液轉(zhuǎn)換器調(diào)整導(dǎo)葉開度的時間是一致的。例如從90%開度調(diào)整到50%與從70%調(diào)整到30%，調(diào)整區(qū)間都是40%，調(diào)整時間是一致的。導(dǎo)葉開啟或關(guān)閉過程中接力器位移速率穩(wěn)定，即導(dǎo)葉調(diào)整時開度值變化斜率是一個固定值。

若監(jiān)測到機組運行時導(dǎo)葉開度反饋值過快變化，即偏離導(dǎo)葉實際物理位移變化速率過大，則可判定導(dǎo)葉開度反饋傳感器出現(xiàn)故障。

2.1.3 傳感器反饋值過慢變化（too slow detection）

若導(dǎo)葉開度調(diào)整過程中，導(dǎo)葉開度反饋值過慢變化或停滯，可判定導(dǎo)葉開度反饋傳感器出現(xiàn)故障。

圖1是導(dǎo)葉開度反饋故障識別邏輯框圖。當(dāng)識別到主用傳感器（Main sensor）信號丟失（signal lost）、過快跳變（too fast derivation）、過慢變化或停滯（too slow derivation）時，報警變量SE1_MES為1。備用傳感器（Standby sensor）故障識別邏輯與主用傳感器完全一致。

當(dāng)主用傳感器和備用傳感器同時發(fā)生故障，即報警信號SE_MES出現(xiàn)時，機組將立即故障停機。

2.2 無擾切換

當(dāng)識別到主用傳感器發(fā)生上述任一故障情況后，導(dǎo)葉接力器控制器SPC無擾切換至備用傳感器選值，避免出現(xiàn)導(dǎo)葉調(diào)整的振蕩。主備用傳感器切換邏輯如圖2所示。

2.3 自動恢復(fù)

當(dāng)故障傳感器被人工修復(fù)并手動復(fù)位報警后，測量裝置SPC自動切回至正常傳感器選值。

3 二選一容錯邏輯測試

T-SOFT是NEYPRIC調(diào)速器配套的調(diào)試平臺。該平臺能夠調(diào)整調(diào)速器PID控制參數(shù)、查看調(diào)速器報警信息、選取參數(shù)進行錄波。該平臺具備多通道參數(shù)錄波功能，是測試二選一容錯邏輯的理想環(huán)境。

測試時隨機抽取一個導(dǎo)葉，把電流發(fā)生器接入導(dǎo)葉對應(yīng)的SPC輸入端，以便模擬主用或備用傳感器工作電流。工作電流由可設(shè)定函數(shù)的電流發(fā)生器產(chǎn)生。電流發(fā)生器能夠準(zhǔn)確模擬出開度傳感器反饋值丟失、過快或過慢變化等情況。因此，靜態(tài)測試平臺能夠驗證傳感器測量故障發(fā)生故障識別、無擾切換和自動恢復(fù)等容錯邏輯是否準(zhǔn)確。測試平臺錄波參數(shù)見表1。

SE_POS是SPC的開度反饋值，從主用傳感器SE1_SCA和SE2_SCA中選值，默認(rèn)選擇SE1_SCA。

測試平臺錄波參數(shù)見表1。

3.1 故障模擬：主用傳感器信號丟失

測試目的：驗證主用傳感器斷線故障時SPC故障識別、無擾切換和自動恢復(fù)等容錯邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導(dǎo)葉開度設(shè)定值CSC為61.0%。

測試方法：拔掉主用傳感器電源接線，模擬斷線故障。

圖3為主用傳感器斷線故障時各主要參數(shù)波形曲線。由圖可以看出，44.20s時刻，主用傳感器出現(xiàn)斷線故障，SE1_SCA從0.61階躍到0，此時調(diào)速器SPC已主動識別故障并提示小報警信號OU_R129，經(jīng)過30ms延時，導(dǎo)葉開度反饋值SE_POS自動切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.2 故障模擬：導(dǎo)葉傳感器反饋值上行過快變化

測試目的：驗證導(dǎo)葉傳感器反饋值上行過快變化時SPC故障識別、無擾切換和自動恢復(fù)等容錯邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導(dǎo)葉開度設(shè)定值CSC為61.0%。

測試方法：模擬主用傳感器反饋值上行過快變化，工作電流值從12.00mA向上階躍到15m.00A，歷時1s。

圖4為主用傳感器反饋值上行過快變化時各主要參數(shù)波形曲線。在5.67s時刻，主用傳感器反饋值SE1_SCA開始向上快速變化，持續(xù)20ms時SPC已識別故障并提示小報警信號OU_R129。跳變持續(xù)150ms后，導(dǎo)葉開度反饋值SE_POS主動切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.3 故障模擬：導(dǎo)葉傳感器反饋值下行過快變化

測試目的：驗證導(dǎo)葉傳感器反饋值下行過快變化時SPC故障識別、無擾切換和自動恢復(fù)等容錯邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導(dǎo)葉開度設(shè)定值CSC為61.0%。

測試方法：模擬主用傳感器下行快速變化，電流值由12.00mA下行階躍到8.00mA，歷時1.00s。

圖5為主用傳感器反饋值下行過快變化時各主要參數(shù)波形曲線。由圖可以看出，4.29s時刻，主用傳感器開始快速向下跳變，跳變持續(xù)20ms調(diào)速器SPC已主動識別到故障并提示小報警信號OU_R129，跳變持續(xù)150.00ms后，導(dǎo)葉開度反饋值SE_POS主動切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.4 故障模擬：導(dǎo)葉傳感器反饋值上行過慢變化

測試目的：驗證導(dǎo)葉傳感器反饋值上行過慢變化時SPC故障識別、無擾切換和自動恢復(fù)等容錯邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導(dǎo)葉開度設(shè)定值CSC為61.0%。

測試方法：主用傳感器電流值由12.00mA上行慢速變化到20.00mA，歷時10.00s。

圖6為主用傳感器反饋值過慢向上變化時各主要參數(shù)錄波曲線。由圖可以看出，52.35s時刻，主用傳感器開始過慢向上變化，持續(xù)20.00ms調(diào)速器SPC已主動識別到故障并提示小報警信號OU_R129，跳變持續(xù)20.00s后，導(dǎo)葉開度反饋值SE_POS自動切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.5 主用傳感器反饋值下行過慢變化測試

測試目的：驗證導(dǎo)葉傳感器反饋值下行過慢變化時SPC故障識別、無擾切換和自動恢復(fù)等容錯邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導(dǎo)葉開度設(shè)定值CSC為61.0%。

測試方法：主用傳感器電流值由12.00mA下行慢速變化到4.00mA，歷時10.00s。

同3.4導(dǎo)葉傳感器反饋值上行過慢變化試驗一樣，由于水電機組運行時功率調(diào)整頻繁，導(dǎo)葉開度微調(diào)使用普遍，該處容錯邏輯謹(jǐn)慎考慮，即主用傳感器反饋值過慢變化持續(xù)一定時間才應(yīng)進行選值切換。

4 結(jié)束語

導(dǎo)葉開度容錯處理技術(shù)是調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。結(jié)合惠州抽水蓄能電站調(diào)速器實際，本文提出的二選一導(dǎo)葉開度量測容錯技術(shù)，能快速準(zhǔn)確偵測開度量測傳感器常見故障，包括斷線、測量值過快跳變或/和過慢變化，并主動切換至備用傳感器選值。該技術(shù)滿足了容錯判定和決策的準(zhǔn)確性和實時性，能有效提高調(diào)速器導(dǎo)葉開度量測容錯能力。模擬測試和運行記錄證明了該方法的有效性。

[1]王福利，張穎偉． 容錯控制[M]． 沈陽： 東北大學(xué)出版社，2003．WANG Fuli，ZHANG Yingwei． Fault-tolerant Control[M]．Shenyang： Northeastern University Press，2003．

[2]魏守平．水輪機控制工程[M]． 武漢： 華中科技大學(xué)出版社，2005．WEI Shouping． Hydro turbine Control Project[M]． Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2005．

[3]陳偉．大型水電廠水輪機調(diào)速器導(dǎo)葉開度反饋容錯技術(shù)改進[C]，2012年抽水蓄能會議論文集．2012．CHEN Wei． Improvement of Fault-tolerant Technique on Feedback of the Diffuser Open of Hydroturbine Speed Regulator for Large-scale Hydropower Plant [C]，2012 Pumped Storage Conference Argumentation Collection．2012．

[4]李輝，范進喜，許丹丹．冗余技術(shù)在水輪機調(diào)速器導(dǎo)葉開度反饋中的應(yīng)用[J]．水力發(fā)電，2013（09）．LI Hui，F(xiàn)AN Jinxi，XU Dandan． Application of Redundancy in Feedback of Diffuser Open of Hydroturbine Speed Regulator[J]．Water Power，2013 (09)．

[5]田顯斌．三選二冗余測量技術(shù)在太平驛電廠調(diào)速器上的應(yīng)用[J]． 水電廠自動化，2010 （03）．TIAN Xianfu． Application of Two from Three Redundancy Technique in Speed Regulator in Taiping Station[J]． Hydropower Plant Automation，2010 (03)．

[6]潘熙和，黃業(yè)華，畢東紅，徐新民．水輪機調(diào)速器冗余方案探討與實踐[J]． 電力系統(tǒng)自動化，2009 （21）．PAN Xihe，HUANG Yehia，BI Donghong，XU Xinmin．Discussion and Practice of Redundancy Scheme of Hydroturbine Speed Regulator[J]． Power System Automation，2009 (21)．

2017-02-15

2017-05-20

陳 偉（1984—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速器控制技術(shù)等。E-mail： chenvi@163．com

符彥青（1981—），男，漢族，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站繼電保護、調(diào)速器控制技術(shù)等。E-mail：fyqqc727@163．com

Application of Redundancy Technology of Picking One from Two in Guide Vane Opening Measuring System in Pumped Storage Power station

CHEN Wei，F(xiàn)U Yanqing
（Hainan pumped storage company，Qiongzhong 572926，China）

The value of wicket gate position sensors is an important feedback to the governor closed-loop control system. The faulttolerant technology of wicket gate position measurement is essential to the governor system. In this paper，an improved guide vane measurement of fault-tolerant technology is introduced. Common fault of position sensor can be detected accurately，such as a wire lost detection on the main sensor，too fast deviation from sensors and too slow deviation from sensors. The faults caused a switchover Speed governor will automatically switch to select a value from non-fault sensor. Field tests and long time run on the speed governor show that the improved technology can effectively improve fault tolerance of wicket gate position measurement.

picking one from two; speed governor; fault tolerance

TV72

A學(xué)科代碼：570．15

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．019