楊洪濤，周建中，胡肇偉

（1.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603；2.華中科技大學(xué)，湖北武漢430072）

抽水蓄能機(jī)組非電氣量保護(hù)控制邏輯優(yōu)化

楊洪濤1，周建中2，胡肇偉2

（1.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603；2.華中科技大學(xué)，湖北武漢430072）

抽水蓄能電站機(jī)組過渡過程復(fù)雜，工況轉(zhuǎn)換頻繁，合理完善的非電氣量保護(hù)控制策略可有效避免機(jī)組保護(hù)誤動、拒動的發(fā)生，優(yōu)化電站非電氣量保護(hù)策略，對機(jī)組的安全運(yùn)轉(zhuǎn)、電站的效益輸出等具有至關(guān)重要的作用。由于控制邏輯設(shè)置不當(dāng)、自動化元件故障等會導(dǎo)致電站設(shè)備事故的發(fā)生。本文以事故原因分析入手，從判斷邏輯改進(jìn)、保護(hù)定值修正、保護(hù)動作設(shè)置等方面，就抽水蓄能機(jī)組非電氣量保護(hù)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，以提高保護(hù)動作的可靠性，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

抽水蓄能機(jī)組；非電氣量保護(hù)；控制邏輯；事故原因；優(yōu)化

1 引言

抽水蓄能機(jī)組非電氣量保護(hù)是機(jī)組發(fā)生機(jī)械故障時的保護(hù)，指非電氣量反映的故障動作或者警示信號發(fā)出的保護(hù)，保護(hù)判據(jù)包括機(jī)組及其他相關(guān)設(shè)備的溫度、壓力壓差、位置位移、液位、流量、轉(zhuǎn)速、振動擺度以及控制電源丟失和順控超時等非電氣量參數(shù)。非電氣量保護(hù)對于維持機(jī)組正常運(yùn)行，避免事故擴(kuò)大具有十分重要的作用。目前，隨著電站自動化設(shè)備和計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的日趨成熟，電站自動化程度逐步提高，使機(jī)組的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行得到了很大的提升。但是，抽水蓄能電站仍然缺乏完善統(tǒng)一的非電氣量保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，同時，部分已有保護(hù)配置不全面，保護(hù)邏輯單一，保護(hù)動作閾值不合理等，使機(jī)組保護(hù)誤動和拒動的情況時有發(fā)生，給電站的穩(wěn)定、持續(xù)、安全運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

本文針對抽水蓄能電站機(jī)組傳統(tǒng)非電氣量保護(hù)中的不足，提出了優(yōu)化機(jī)組非電氣量保護(hù)控制邏輯的改進(jìn)策略，從而規(guī)避了由控制邏輯不合理或不完善而造成的相關(guān)事故，為提高電站非電氣量保護(hù)可靠性提供了一種新的思路。

2 非電氣量保護(hù)控制策略及其缺陷

2.1 非電氣量保護(hù)控制策略概述

抽水蓄能機(jī)組主要包括水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動機(jī)、調(diào)速器、進(jìn)水閥、輔助設(shè)備等系統(tǒng)。非電氣量保護(hù)設(shè)計主要根據(jù)機(jī)組各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、布置、工作等特性設(shè)計溫度、壓力、液位、流量、振動擺度、過速等非電氣量保護(hù)策略。

非電氣量保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行時首先由自動化元件從機(jī)組被監(jiān)測部位獲取相應(yīng)的非電氣量測量參數(shù)信號，并將其傳至中央處理系統(tǒng)，中央處理系統(tǒng)將信號降噪濾波等處理，然后經(jīng)判斷邏輯回路與保護(hù)定值進(jìn)行比較。若為單一判斷回路，當(dāng)滿足設(shè)定條件時機(jī)組即執(zhí)行相關(guān)保護(hù)動作；若為多路判斷回路，則需同時滿足多路設(shè)定條件時機(jī)組方可執(zhí)行相關(guān)保護(hù)動作。根據(jù)故障嚴(yán)重程度，機(jī)組保護(hù)動作可分為報警和機(jī)械停機(jī)。故障發(fā)生時，機(jī)組自動執(zhí)行保護(hù)動作，確保電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。非電氣量保護(hù)動作流程如圖1所示。2.2非電氣量保護(hù)控制策略缺陷分析

圖1 非電氣量保護(hù)動作流程圖

通過分析現(xiàn)有非電氣量保護(hù)各環(huán)節(jié)的機(jī)制，總結(jié)電站已發(fā)生的故障事故實例，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有非電氣量保護(hù)控制策略仍存在以下幾點缺陷：

（1）保護(hù)配置不完備：部分電站因未考慮對機(jī)組抬機(jī)故障設(shè)置相應(yīng)的非電氣量保護(hù)，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)出異常聲響時未能及時查找到相應(yīng)故障，造成機(jī)組的非正常停機(jī)。

（2）自動化元件不可靠：因自動化元件選型（種類、型號等）不當(dāng)，安裝工藝（安裝位置、方式、可靠性等）設(shè)計不合理，自動化裝置功能不完善（未設(shè)置延時、閉鎖條件等）等造成的非電氣量保護(hù)不當(dāng)。其經(jīng)常造成系統(tǒng)無法獲取檢測對象監(jiān)測值或參數(shù)失實等異?，F(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組非正常報警或停機(jī)。

（3）保護(hù)邏輯不合理：部分電站在非電氣量保護(hù)設(shè)置中將跳機(jī)動作更改為報警動作，跳機(jī)邏輯過于保守，當(dāng)故障發(fā)生時會造成對機(jī)組的巨大損害。

（4）定值設(shè)置不合理：電站許多非電氣量保護(hù)定值是通過理論計算和模型試驗得出的，在理想情況下能保證機(jī)組的良好運(yùn)行。但在實際運(yùn)行過程中，由于各種原因使機(jī)組未處于最優(yōu)工況下工作，設(shè)定值不能滿足機(jī)組的實際運(yùn)行需要。

為進(jìn)一步改善以上不足，以下將從判斷邏輯改進(jìn)、保護(hù)定值修正、保護(hù)動作設(shè)置等方面入手，針對非電氣量保護(hù)對象對機(jī)組非電氣量保護(hù)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化。

3 抽水蓄能機(jī)組非電氣量保護(hù)控制邏輯優(yōu)化

控制邏輯包括測點回路判斷邏輯、機(jī)組動作時的保護(hù)定值、機(jī)組異常時的保護(hù)動作等內(nèi)容。下面將分別對非電氣量保護(hù)對象溫度、壓力、流量、液位、振動擺度、過速等，根據(jù)各自的監(jiān)測回路、保護(hù)方式特點，從控制邏輯角度考慮，對機(jī)組非電氣量保護(hù)控制邏輯作優(yōu)化改進(jìn)。

3.1 溫度保護(hù)優(yōu)化

溫度信號作為報警與機(jī)械停機(jī)的數(shù)據(jù)源，須對信號品質(zhì)進(jìn)行判斷，即設(shè)置相應(yīng)的回路判斷邏輯。對由RTD元件斷線、接觸不良造成的溫度讀數(shù)越限，通過量程上下限功能塊屏蔽信號，避免保護(hù)誤動作；對由信號干擾等造成的溫度跳變，設(shè)計采用斜率判斷功能塊濾除超過設(shè)定溫度變化率的信號。其中量程上下限模塊是通過PLC邏輯指令實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)字電路邏輯的宏功能模塊，斜率判斷模塊通過計算單位時間的溫度變化量對信號是否跳變進(jìn)行判斷，越限報警模塊通過設(shè)定兩級越限值，對輸入信號進(jìn)行數(shù)值比較后輸出高高、高、低、低低值報警。

當(dāng)溫度保護(hù)測點較多時，增設(shè)判斷冗余，對信號采用N取2出口邏輯，當(dāng)系統(tǒng)任意兩溫度測點達(dá)到停機(jī)值時便執(zhí)行停機(jī)操作。溫度保護(hù)判斷邏輯如圖2所示，其主要包括溫度信號判斷模塊、溫度報警邏輯模塊和溫度停機(jī)邏輯模塊。

圖2 溫度保護(hù)邏輯典型設(shè)計

圖2中首先對每路RTD信號進(jìn)行品質(zhì)判斷和越限報警，然后將一級越限和二級越限報警信號分別接入溫度報警邏輯和溫度停機(jī)邏輯，最終執(zhí)行停機(jī)時將機(jī)組不在停機(jī)狀態(tài)、機(jī)組不在檢修狀態(tài)、機(jī)組不在調(diào)試等預(yù)備條件相“與”后輸出。

此外，設(shè)備溫度保護(hù)定值需按照設(shè)計推薦值結(jié)合現(xiàn)場情況合理整定，并根據(jù)自動化元件工作狀態(tài)作相應(yīng)調(diào)整；保護(hù)動作宜設(shè)置為兩級或多級越限動作，即一級越限作用于報警，二級越限作用于報警和事故停機(jī)。

3.2 壓力保護(hù)優(yōu)化

針對抽水蓄能機(jī)組壓力保護(hù)，現(xiàn)有設(shè)計存在保護(hù)邏輯單一，未設(shè)置相應(yīng)的冗余判斷條件，保護(hù)動作設(shè)計不當(dāng)?shù)葐栴}。因此對機(jī)組壓力保護(hù)作以下優(yōu)化：對水泵水輪機(jī)主軸密封壓力壓差、調(diào)速器油壓裝置壓力、進(jìn)水閥壓力的保護(hù)，宜設(shè)置兩級越限相“與”的邏輯判斷方式，并在出口處設(shè)置短延時。因水輪機(jī)靜壓測點出現(xiàn)故障的可能性較小，故一般不設(shè)置報警和停機(jī)。對于水輪機(jī)脈動壓力、調(diào)相壓水氣罐壓力、機(jī)組軸承油管路壓力壓差、技術(shù)供水壓力壓差等，設(shè)置其越限信號輸出作用于報警，不作用于停機(jī)。對機(jī)組高壓油減載油壓，設(shè)置越限信號輸出作用于報警并延時作用于跳機(jī)。

3.3 流量保護(hù)優(yōu)化

機(jī)組中的水、油等流體主要完成冷卻散熱、構(gòu)建油壓的功能，系統(tǒng)流量異常將直接引起機(jī)組溫度、壓力等非電氣量監(jiān)測值的異常變化。為提高流量保護(hù)的合理性與有效性，制定以下優(yōu)化策略：

對機(jī)組技術(shù)供水冷卻水流量、機(jī)組軸承循環(huán)油路油流量、機(jī)組高壓油減載油流量，相應(yīng)監(jiān)測測點設(shè)置越下限信號輸出作用于報警，不宜作用于停機(jī)。對主軸密封冷卻水流量、迷宮環(huán)冷卻水流量的相應(yīng)測點設(shè)置越下限信號輸出作用于報警，并延時作用于停機(jī)。

3.4 液位保護(hù)優(yōu)化

抽水蓄能機(jī)組液位包括水位和油位兩部分。其中機(jī)組軸承油槽油位測點宜設(shè)置越上限和越下限信號輸出作用于報警，水輪機(jī)頂蓋水位測點宜設(shè)置越上限信號輸出作用于報警，不宜作用于停機(jī)。調(diào)速器壓力油罐油位測點、水輪機(jī)進(jìn)水閥壓力油罐油位測點應(yīng)設(shè)置越上限信號輸出作用于報警，設(shè)置兩級越下限信號輸出，其中一級越下限作用于報警，二級越下限作用于報警并延時停機(jī)。當(dāng)元件可靠性較低時，可采用一級越限和二級越限相“與”的邏輯判斷方式，出口宜設(shè)短延時。

3.5 振動、擺度保護(hù)優(yōu)化

3.5.1 振動保護(hù)優(yōu)化

抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換頻繁，振動機(jī)理復(fù)雜，振動存在隨機(jī)性與耦合性，保護(hù)設(shè)置難度大，難以及時保護(hù)和準(zhǔn)確診斷。振動保護(hù)優(yōu)化從以下幾個方面進(jìn)行考慮：

（1）振動保護(hù)測點優(yōu)化

抽水蓄能機(jī)組振動測點多，保護(hù)監(jiān)測位點布置應(yīng)按照最重要、最靈敏、最薄弱的原則選定。通常機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的重量由推力軸承所在部位的承重機(jī)架承擔(dān)，承重機(jī)架的振動情況能及時反映出機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，因此將承重機(jī)架軸向振動測點作為振動保護(hù)測點之一。大軸擺度對作用在大軸上的綜合作用力較敏感，綜合作用力的變化直接造成擺度值的改變，無時間滯后性。頂蓋是機(jī)組的重要部件之一，頂蓋振動對流體壓力波動能夠敏感、實時地作出反應(yīng)，頂蓋垂直和水平方向上振動量的變化最能反映機(jī)組水力參數(shù)變化造成的影響，是穩(wěn)態(tài)工況和過渡工況振動保護(hù)監(jiān)測的重要測點。

（2）振動保護(hù)動作判斷邏輯優(yōu)化

機(jī)組振動保護(hù)動作邏輯按振動源類型分為擺度報警邏輯、機(jī)架振動報警邏輯和定子鐵心振動報警邏輯。當(dāng)監(jiān)測參數(shù)達(dá)到停機(jī)閾值時，都將發(fā)出停機(jī)信號。為增加振動保護(hù)的可靠性，針對振擺信號共設(shè)置了4類跳閘，如下所示：

1）任意2個振動傳感器均達(dá)到二級報警值，延時45 s。

2）任意2個擺度傳感器均達(dá)到二級報警值，延時45 s。

3）任意1個氣隙傳感器所測得的實際值低于二級報警值，延時45 s。

4）任意2個定子機(jī)架振動傳感器均達(dá)到二級報警值，延時90 s。

以上任一類的跳閘條件滿足時，經(jīng)延時后便輸出動作信號作用于主跳繼電器（機(jī)械停機(jī)），同時輸出至機(jī)組控制器。

（3）振動保護(hù)定值優(yōu)化

根據(jù)GB/T 11348.1～6（ISO7919）系列標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 6075.1～6（ISO10816）系列標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組跳機(jī)值滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)定即可。然而每一臺抽水蓄能發(fā)電機(jī)組從設(shè)計、新機(jī)安裝、運(yùn)行和維護(hù)檢修等多個環(huán)節(jié)中，都可能產(chǎn)生導(dǎo)致機(jī)組振動狀況發(fā)生變化的因素。因此應(yīng)從實際出發(fā)，結(jié)合實際經(jīng)驗，與相似機(jī)組做橫向比較，獲取經(jīng)驗數(shù)據(jù)，同時根據(jù)機(jī)組自身歷史運(yùn)行狀態(tài)，綜合考慮，確定每臺機(jī)組振動狀況的最優(yōu)保護(hù)定值。

（4）振動保護(hù)頻率選擇優(yōu)化

抽水蓄能機(jī)組是流體-機(jī)械-電磁相互耦合的彈性體，振動頻率豐富，且由水力、電氣和機(jī)械方面所引起的振動頻率各不相同，常見振動頻率如表1所示，振動保護(hù)頻率選擇方案如表2所示。

表1 機(jī)組常見振動頻率

表2 振動頻率選擇方案

3.5.2 軸系空間狀態(tài)保護(hù)優(yōu)化

抽水蓄能機(jī)組軸系包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承、水輪機(jī)轉(zhuǎn)子等組件。機(jī)組在水力激勵條件下上導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)子中心、水導(dǎo)軸承和轉(zhuǎn)輪中心等處產(chǎn)生的振動擺度響應(yīng)，電網(wǎng)擾動對水輪發(fā)電機(jī)組軸系的沖擊，均有可能引發(fā)機(jī)組軸系故障。為了確保抽水蓄能機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，通過分析軸系空間運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而設(shè)計合理的保護(hù)動作，以保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）平面軸心軌跡保護(hù)

抽水蓄能機(jī)組屬于高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)，軸系擺度的大小是機(jī)組能否穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一，直接影響到機(jī)組的運(yùn)行性能和品質(zhì)。軸心軌跡作為軸系轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)的一類重要圖形征兆，含有大量的信息，它能夠形象、直觀、實時地表達(dá)設(shè)備的運(yùn)行情況。鑒于軸心軌跡在生產(chǎn)中的重要作用，應(yīng)在非電氣量保護(hù)中增加對軸心軌跡的監(jiān)測識別，并設(shè)計合理的保護(hù)動作。常見的軸心軌跡類型與后果如表3所示。

表3 機(jī)組常見軸心軌跡類型

（2）空間軸系狀態(tài)保護(hù)

空間軸系故障主要包括：主軸彎曲、軸系不對中、導(dǎo)軸承間隙過大、旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量偏心、動靜部件間碰磨、軸承支承系統(tǒng)剛度不足等，故障狀態(tài)分析如表4所示。

表4 軸系空間狀態(tài)分析方案

3.6 過速保護(hù)優(yōu)化

為防止機(jī)組在甩負(fù)荷時導(dǎo)葉拒關(guān)、調(diào)速器控制失效等故障，以保證機(jī)組正常運(yùn)行，一般配置有完善的過速保護(hù)。

（1）電氣過速保護(hù)

電氣過速保護(hù)通過裝設(shè)機(jī)組大軸齒盤測速和發(fā)電機(jī)機(jī)端PT測速，將測速信號送給電調(diào)柜轉(zhuǎn)速CPU計算處理。測量回路或裝置應(yīng)能判斷識別信號斷線、信號越限（低限、高限）、裝置異常等故障。整定值應(yīng)結(jié)合機(jī)組調(diào)節(jié)保證最大穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)轉(zhuǎn)速規(guī)定值進(jìn)行整定，當(dāng)測得轉(zhuǎn)速大于保護(hù)定值時，轉(zhuǎn)速CPU輸出過速信號，機(jī)組停機(jī)。機(jī)組運(yùn)行時丟失任何一路測速回路，均可發(fā)出電調(diào)故障報警；兩路丟失時，機(jī)組的反應(yīng)與工況有關(guān)，同時發(fā)出電調(diào)故障報警或電調(diào)故障跳機(jī)信號。

（2）機(jī)械式過速保護(hù)

機(jī)械式過速保護(hù)應(yīng)通過裝設(shè)機(jī)組大軸齒盤測速和飛擺等裝置實現(xiàn)，整定值應(yīng)結(jié)合機(jī)組調(diào)節(jié)保證最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速規(guī)定值進(jìn)行整定。動作后果應(yīng)直接作用于調(diào)速器或球閥緊急關(guān)閉回路，同時輸出電氣接點至機(jī)組LCU作用于報警和緊急事故停機(jī)。

4 結(jié)語

抽水蓄能電站非電氣量保護(hù)作為電廠機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，對維護(hù)設(shè)備安全，提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性具有關(guān)鍵性影響。考慮到其保護(hù)對象的廣泛性，測點設(shè)置的零散性與多樣性，抽水蓄能電站非電氣量保護(hù)是一項繁鎖復(fù)雜的工作。本文從現(xiàn)有非電氣量保護(hù)控制邏輯不足之處入手，通過對判斷邏輯、保護(hù)定值、保護(hù)動作的分析，分別對溫度、壓力、流量等非電氣量保護(hù)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，使監(jiān)測參數(shù)更加真實，機(jī)組動作更加合理，保護(hù)策略更加完善，對抽水蓄能電站機(jī)組的穩(wěn)定安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

5 解決方法

將PLC軟件的控制脈沖頻率參數(shù)減為合適的值，即對緩沖存儲器BFM#20和#19運(yùn)行速度設(shè)置為10 000，此時，經(jīng)計算，在事故停機(jī)的情況下，所需要的時間是222 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大PLC的掃描周期，同時選擇合適的PID參數(shù)，順利通過甩負(fù)荷試驗，至今調(diào)速器工作正常，運(yùn)行良好。

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10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.009

2016-07-12

楊洪濤（1968-），男，教授級高級工程師，從事抽水蓄能電站建設(shè)管理工作。