靳光永，錢 鳳

[南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

烏東德水電站是金沙江下游河段四個水電梯級中的最上游梯級，也是中國長江三峽集團公司開發(fā)的金沙江下游河段梯級的第一級電站。烏東德水電站的開發(fā)任務以發(fā)電為主，兼顧防洪、攔沙、改善下游航運條件和發(fā)展庫區(qū)通航等綜合效益，是“西電東送”的骨干電源點之一，在系統(tǒng)中承擔基荷、腰荷和部分峰荷，并承擔少量事故備用。電站共裝設12臺（左、右岸各6臺）單機容量為850MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為10200MW。

水輪機調速系統(tǒng)對于水電站的正常運行有著重要的作用，調速系統(tǒng)不但要保持水輪發(fā)電機組穩(wěn)定地以額定轉速運行，而且要承擔機組的正常開停機、負荷增減、工況轉換、緊急停機等任務。根據(jù)巨型電站的特征需求和電網(wǎng)未來的發(fā)展趨勢，研究調速系統(tǒng)的應用模式，進而優(yōu)化設計，提升功能，對于保持水輪機組和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有著重要的意義。同時在調速系統(tǒng)的設計階段構建三維模型，可以更直觀地表達設計意圖，更好地溝通設計需求，為優(yōu)質產(chǎn)品打下堅實的基礎。

1 系統(tǒng)組成

水輪機調速系統(tǒng)的硬件組成主要分為電氣控制設備和機械液壓裝置。電氣控制設備接受外部輸入的各種信號量，綜合分析后輸出控制信號給機械液壓裝置，通過機械液壓裝置的有效執(zhí)行進而控制導葉接力器的動作。

1.1 電氣控制設備

調速系統(tǒng)的電氣控制設備主要包括：電源裝置、控制器PCC、PLC、觸摸屏、綜合模塊和繼電器等，這些器件分別安裝到電氣控制柜和液壓操作柜內。電氣控制柜布置在發(fā)電機層，主要用于調速器的自動控制；液壓操作柜布置在出線層，機械液壓裝置附近，主要用于調速器的現(xiàn)地操作，方便調試、實驗。

1.1.1 電源裝置

為了保障調速系統(tǒng)所有器件電源的穩(wěn)定性和可靠性，電氣控制柜和液壓操作柜內均設置了兩套獨立的電源系統(tǒng)，每套電源系統(tǒng)同時采用交、直流雙重供電。兩套電源系統(tǒng)轉換的24V分別給兩套獨立的控制器提供電源，控制柜內的共用器件則采用兩套電源系統(tǒng)轉換后的24V公共電源?？刂乒耠娫聪到y(tǒng)的結構如圖1所示。

1.1.2 控制器

調速系統(tǒng)采用了貝加萊X20-PCC作為核心控制器，X20-PCC的分時多任務特點、獨立的測頻功能和較快的運算速度能極好的滿足調速系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定精準的控制。

電氣控制柜內配置了兩套獨立的PCC控制器作為雙冗余熱備用，兩套控制器之間的主從狀態(tài)可通過第三方PLC進行判斷，當主機PCC出現(xiàn)故障而另一套PCC正常運行時，PLC會自動將正常運行的PCC切換為主機。因兩套控制器同步采集相同的信號量，也同步輸出相同的控制量，故PCC之間能夠實現(xiàn)智能無擾動切換。

圖1 電源系統(tǒng)結構Fig.1 Power system structure

1.1.3 觸摸屏

電氣控制柜的人機界面選用貝加萊PPC2100系列的15寸高亮度液晶觸摸顯示屏。作為調速器整個控制系統(tǒng)的監(jiān)控顯示和操作界面，該觸摸屏和PCC控制器具有同一套軟件開發(fā)平臺，兩者之間通信無需編程，兼容性好，且采樣速度快、內存大，實時性好，可實現(xiàn)實時通信，實時錄波。方便實用的人機界面集調試與運行功能于一體，能自動錄制試驗曲線。

1.1.4 智能綜合控制模塊

為配合調速系統(tǒng)液壓裝置的伺服比例閥控制、主配壓閥反饋控制及手動閉環(huán)控制，南瑞研發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權的智能綜合控制模塊。該模塊引入了伺服比例閥反饋、主配壓閥反饋和接力器行程反饋，增強了系統(tǒng)的速動性和穩(wěn)定性；此外，模塊還具備這三種反饋的在線監(jiān)視和斷線報警及保護功能。

液壓操作柜配置了兩臺獨立的智能綜合控制模塊，分別對應控制液壓系統(tǒng)的兩個伺服比例閥，兩套伺服系統(tǒng)互為冗余，其主從狀態(tài)可通過主機PCC自動選擇切換。

1.2 液壓系統(tǒng)組成

液壓系統(tǒng)原理圖詳見圖2。

液壓系統(tǒng)主要包括油壓裝置和調速系統(tǒng)兩部分組成。其中油壓裝置采用四臺油泵臥式布置的方式，油泵吸油口過濾器及閥門等均布置在回油箱外部，方便檢修。調速系統(tǒng)主要包括主配壓閥及其先導控制部分，隔離閥、事故配壓閥、分段關閉裝置及鎖錠裝置等。原理圖不僅表示了系統(tǒng)的原理，同時表明了系統(tǒng)的連接，閥門、開關等各個元件的布置情況。

2 設計特點

2.1 水輪機調速系統(tǒng)設計特性

隨著科學的不斷創(chuàng)新，技術的不斷發(fā)展，電網(wǎng)和水電廠對水輪機調速系統(tǒng)的功能特性提出了越來越高的要求，為了滿足新形勢的需求，調速系統(tǒng)在傳統(tǒng)調節(jié)功能的基礎上，不斷開發(fā)、完善和提升了一次調頻、功率閉環(huán)、直流小網(wǎng)運行、孤網(wǎng)運行、實時對時、實時通信等功能。

2.1.1 一次調頻功能

一次調頻即機組并網(wǎng)后，當外界負荷變化引起電網(wǎng)頻率改變時，調速系統(tǒng)調節(jié)機組所帶負荷，使之與外界負荷相平衡。

烏東德左岸調速系統(tǒng)預留一次調頻投入和一次調頻退出的開關量輸入通道，當調速系統(tǒng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的一次調頻投入令時，自動投入一次調頻功能，調用一次調頻的PID參數(shù)，同時上報一次調頻功能投入反饋信號給監(jiān)控系統(tǒng)。一般的，機組一次調頻頻率死區(qū)控制在±0.05Hz以內，永態(tài)轉差率不大于 4%。當調速系統(tǒng)測量的機頻與網(wǎng)頻之間的差值超過一次調頻頻率死區(qū)時，調速系統(tǒng)自動調節(jié)機組負荷，同時上報一次調頻動作信號給監(jiān)控系統(tǒng)。調速系統(tǒng)一次調頻的調節(jié)過程將持續(xù)到頻率差值回復到頻率死區(qū)范圍內。

2.1.2 功率閉環(huán)功能

機組在發(fā)電態(tài)時，一般的調速系統(tǒng)常采用開度調節(jié)模式，即調速系統(tǒng)接收監(jiān)控下發(fā)的增功令、減功令，改變導葉開度，以達到調節(jié)有功功率的目的。這種調節(jié)模式比較穩(wěn)定，也是目前國內比較常用的調節(jié)模式。

功率閉環(huán)模式是指調速系統(tǒng)接收監(jiān)控下發(fā)的功率給定值信號，對比當前采集的功率反饋值，根據(jù)兩者之間的功率偏差自動調節(jié)導葉開度，使功率反饋值達到給定值，實現(xiàn)閉環(huán)調節(jié)功率的目的。功率閉環(huán)模式具有更快的響應速度和更小的超調量，近年來越來越多的大型電站采用這樣的功率調節(jié)模式。

烏東德左岸調速系統(tǒng)同時具備開度調節(jié)和功率閉環(huán)兩種模式，能可靠實現(xiàn)模式切換。其中功率閉環(huán)模式又預留有兩種實施方案：

（1）通信方式：監(jiān)控系統(tǒng)以通信的方式將功率給定值下發(fā)給調速系統(tǒng)，調速系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)確認過數(shù)值后，自動調節(jié)有功功率。

（2）模擬量方式：監(jiān)控系統(tǒng)以模擬量信號的方式將功率給定值發(fā)送給調速系統(tǒng)，調速系統(tǒng)接受模擬量信號后再將讀取值通過模擬量方式或通信方式反饋給監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)對比下發(fā)值和反饋值，確認一致后下發(fā)功率閉環(huán)執(zhí)行令給調速系統(tǒng)，調速系統(tǒng)即可以此值為目標自動調節(jié)機組有功功率。

2.1.3 大網(wǎng)、小網(wǎng)、孤網(wǎng)運行模式

考慮到烏東德左岸電站投運后將并入的西南電網(wǎng)有異步聯(lián)網(wǎng)的需求，故調速系統(tǒng)預設置了大網(wǎng)、小網(wǎng)和孤網(wǎng)三種運行模式。

（1）大網(wǎng)運行模式：機組發(fā)電并入交流大電網(wǎng)運行，并網(wǎng)后調速系統(tǒng)可選擇開度調節(jié)或功率閉環(huán)調節(jié)方式，一次調頻功能也可根據(jù)需求投入、退出。

（2）小網(wǎng)運行模式：機組發(fā)電并入直流小網(wǎng)運行，并網(wǎng)后調速系統(tǒng)以調功為主，采用開度調節(jié)方式。

（3）孤網(wǎng)運行模式：機組帶地區(qū)小電網(wǎng)或廠用電運行，此時調速系統(tǒng)是以調頻為主。

機組正常運行時，調速系統(tǒng)可結合外部指令進行三種運行模式的切換。

2.1.4 對時

調速系統(tǒng)作為機組的核心控制設備，其內部及外部產(chǎn)生的重要信號變化都需要記錄較精確的時鐘信息，其對時功能也顯得日益重要。

調速系統(tǒng)控制器X20-PCC自身具有以太網(wǎng)通信接口，可直接采用網(wǎng)絡對時的方式，通過SNTP協(xié)議與GPS時鐘源進行通信對時。

根據(jù)巨型電站的特點，會要求參與對時的設備均采用統(tǒng)一的對時方式，B碼對時，而PPC不具備B碼對時接口，無法直接獲取GPS裝置下發(fā)的B碼時間信息，故調速系統(tǒng)配置了一臺B碼解碼器，將時間信息解碼后再通信給PCC，PCC可結合內部時鐘提高對時精度。

圖3 主配壓閥控制原理圖Fig.3 Principle of main distributing valve control

2.1.5 通信

調速系統(tǒng)常用的通信方式有RS232、RS485和網(wǎng)絡通信，在烏東德左岸電站中，調速系統(tǒng)采用的是網(wǎng)絡通信。調速系統(tǒng)內配置了網(wǎng)絡交換機，以此為中介，對內連接兩套PCC控制器和觸摸屏，對外連接到監(jiān)控系統(tǒng)。PCC與觸摸屏之間通信，兩套PCC之間通信，以及PCC與監(jiān)控系統(tǒng)的通信均通過以太網(wǎng)的方式進行。

2.2 液壓系統(tǒng)原理優(yōu)化

2.2.1 液壓系統(tǒng)回路介紹

調速系統(tǒng)主配壓閥控制回路主要包括自動回路、手動閉環(huán)控制回路、純機械手動控制回路、急?；芈?。

（1）自動控制回路：自動回路由伺服比例閥SV1、SV2和切換閥10EM1組成。正常運行時，通過伺服比例閥SV1對主配壓閥10MDV進行控制，當伺服比例閥SV1出現(xiàn)故障時，則通過切換閥10EM1切換到SV2，實現(xiàn)了自動回路的冗余控制。

（2）手動閉環(huán)控制回路：手動閉環(huán)控制回路通過伺服比例閥SV1和SV2實現(xiàn)。

（3）純機械手動回路：純手動切換電磁閥10EM3線圈失電，復中油缸控制腔通壓力油，同時輔助液控閥機能切換，主配壓閥控制腔通回油，實現(xiàn)了主配壓閥的復中功能，通過操作手動增加閥10HM1手柄，使得主配壓閥控制腔通壓力油，主配往開方向動作，通過操作手動減少發(fā)10HM2手柄，復中油缸控制腔通回油，在主配壓閥恒壓腔壓力油的作用下，主配壓閥往關方向動作。原理的設計避免了在純手動切換電磁閥沒有投入的情況下，誤操作手動增加和減少閥帶來的風險。

2.2.2 MDV1250主配壓閥

主配壓閥作為調速系統(tǒng)的核心執(zhí)行元件，對主配壓閥的設計計算等具有很高的要求。

MDV1系列主配壓閥為南瑞新型單端控制主配壓閥，主配壓閥上端為恒壓腔，通恒壓油，下端為控制腔，控制腔面積較恒壓腔大。其中MDV1250主配壓閥通徑為250，屬于巨型主配壓閥。

為了滿足巨型電站對主配的使用要求，MDV1250主配壓閥在傳統(tǒng)設計的基礎上進行了優(yōu)化，主要包括以下幾方面：

（1）主配壓閥對外接口法蘭采用方法蘭替代傳統(tǒng)的圓法蘭，連接管采用插焊方式連接，減少了空間，同時對連接法蘭的螺栓強度進行了校核計算。

（2）采用雙主配反饋傳感器，實現(xiàn)兩套控制系統(tǒng)完全冗余控制；圖4為主配壓閥。

圖4 主配壓閥Fig.4 The main distributing valve

（3）主配壓閥布置在回油箱頂部，采用側邊和底部回油相結合的方式，優(yōu)化了回油結構。

2.2.3 壓力罐設計優(yōu)化

壓力油罐和壓力氣罐作為整個系統(tǒng)的壓力源，對其穩(wěn)定可靠設計尤為重要，主要從以下幾個方面進行優(yōu)化。

（1）自動化控制元件（壓力開關和壓力變送器）油源從磁翻板液位計下端取油。

（2）輔助供油從主供油管路上取，避免在罐體開孔，降低了系統(tǒng)的泄露可能性。

（3）回油箱頂部設置擋腳板。

2.2.4 隔離閥裝置

機組開機時，將隔離閥打開，機組關機時，將隔離閥關閉。隔離閥布置在壓力罐主供油閥后很好地避免了當接力器部分管路出現(xiàn)損壞造成系統(tǒng)壓力急劇下降，保證了機組穩(wěn)定關閉的同時，也保證了油壓裝置壓力油罐液壓油，防止導葉關閉后仍然造成液壓油的大量損耗。

3 三維模型的設計

通過對關鍵部件主配壓閥、隔離閥、事故配壓閥和分段關閉裝置進行詳細的三維設計以及按照1∶1實際反映整個液壓系統(tǒng)的整體三維裝配，直觀真實地反映了系統(tǒng)的布置情況，對現(xiàn)場的實際施工和管路走向優(yōu)化提供參考。具體詳見圖5油壓裝置廠房總裝圖。

圖5 油壓裝置廠房總裝圖Fig.5 Layout of oil pressure unit

整個系統(tǒng)盡可能采用明管設計，保證巨型電站對產(chǎn)品質量要求的前提下，對后期的維護檢修提供了便利同時更直觀地反映了系統(tǒng)的原理走向。

4 總結

通過對烏東德左岸電站調速系統(tǒng)的設計，主要進行了以下幾方面的優(yōu)化提升：

（1）基于傳統(tǒng)調速系統(tǒng)控制功能的基礎上，不斷開發(fā)、完善和提升了一次調頻、功率閉環(huán)、直流小網(wǎng)運行、孤網(wǎng)運行、實時對時、實時通信等功能。

（2）調速系統(tǒng)的功率閉環(huán)模式設置了兩種實施方案。

（3）調速系統(tǒng)設置了大網(wǎng)、小網(wǎng)和孤網(wǎng)三種發(fā)電運行模式，并能安全穩(wěn)定的進行模式切換。

（4）根據(jù)整個系統(tǒng)的布置實際，優(yōu)化了MDV1250主配壓閥回油結構以及對外的法蘭接口。

（5）壓力油罐和壓力氣罐結合用戶的需求，減少了罐體閥門的開孔，盡可能采用明管布置，便于檢修和觀察。

（6）設置隔離閥裝置，為系統(tǒng)油源提供了保護，避免了誤動作等油大量損耗的情況，降低了對環(huán)境污染的可能。

（7）電氣和機械系統(tǒng)用三維進行設計，直觀簡潔。