盧舟鑫，常中原，鄧 勇，池成虎，劉 歡

（中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓644612）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，必須根據(jù)負(fù)荷的變化不斷地調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組的有功功率輸出，以維持機(jī)組轉(zhuǎn)速（頻率）在規(guī)定范圍內(nèi)，這就是水輪機(jī)調(diào)速器的基本任務(wù)。其中，水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣關(guān)系到水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，隨著水電廠無人值班、少人值守的趨向性，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能可靠度已經(jīng)成為水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

控制系統(tǒng)的冗余分為硬件冗余和軟件冗余。其中，硬件冗余主要由兩部分組成，其一是控制器本身的冗余，其二是傳感器和執(zhí)行器的冗余。軟件冗余也由兩部分組成，其一是執(zhí)行次數(shù)冗余，其二是軟邏輯冗余[1]。

本文基于冗余控制的可靠性分析，針對(duì)目前大型水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的實(shí)際控制方式，通過調(diào)速系統(tǒng)控制器冗余、電源冗余、傳感器冗余以及執(zhí)行器冗余等，討論分析了冗余控制的必要性，對(duì)于調(diào)速器可靠性研究有著十分重要的意義。

1 冗余控制可靠性研究

可靠性是安全性的一個(gè)方面，它與系統(tǒng)處于危險(xiǎn)方式下的隨機(jī)故障有關(guān)。假設(shè)為單元件系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)某一元件發(fā)生故障時(shí)，是不能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線更換的，因此有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行冗余控制。冗余系統(tǒng)由元件并聯(lián)構(gòu)成，并聯(lián)的元件應(yīng)具有完全一致的功能，只有這樣，才能確保冗余控制的有效性。

可靠性常用的指標(biāo)可用單元系統(tǒng)可靠度R（t）、平均無故障時(shí)間MTBF來表示[2]。

單元系統(tǒng)可靠度R（t）和平均無故障時(shí)間MTBF表示公式為：

其中：λ為單元件失效率。

n次冗余系統(tǒng)的可靠性計(jì)算公式為：

表1 冗余系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

由表1可知，隨著冗余次數(shù)的增加，MTBF值相應(yīng)增大。從單冗余系統(tǒng)到雙冗余系統(tǒng)，其平均無故障時(shí)間MTBF增幅為：

（3（/2λ）-1/λ）（/1/λ）×100%=50%

從雙冗余系統(tǒng)到三冗余系統(tǒng)，其平均無故障時(shí)間MTBF增幅為：

（11/（6λ）-3/（2λ））/3/（2λ）×100%=22%

由圖1可知，隨著冗余次數(shù)的增加，平均無故障時(shí)間MTBF增幅值明顯變小，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)冗余度的同時(shí)，不能無限的增加冗余次數(shù)。假設(shè)λt=0.1，并定義工作可靠度要求不小于99.9%，由公式（3）可得n≥2.937[3]。故選擇三冗余系統(tǒng)就能很好的滿足系統(tǒng)工作可靠度的要求。

圖1 平均無故障時(shí)間增幅曲線圖

2 冗余設(shè)計(jì)在水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 微機(jī)冗余控制設(shè)計(jì)

目前大型水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)均設(shè)計(jì)為冗余雙微機(jī)調(diào)節(jié)器，其中CPU、電源模塊、輸入模塊、輸出模塊、測(cè)頻單元均為雙冗余結(jié)構(gòu)。微機(jī)調(diào)節(jié)器采用兩套獨(dú)立的微機(jī)控制器（A+B）實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)雙機(jī)數(shù)據(jù)交換和雙機(jī)無擾切換，切換前后調(diào)速器狀態(tài)及工況保持不變，且切換前后導(dǎo)葉位置反饋無明顯波動(dòng)。

目前，冗余雙微機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略大體相同，均采用主、備運(yùn)行方式。當(dāng)主機(jī)工作故障時(shí)，自動(dòng)無擾切換至備用機(jī)工作，當(dāng)兩套控制系統(tǒng)均故障時(shí)，調(diào)速器自動(dòng)切換至機(jī)手動(dòng)運(yùn)行模式，此時(shí)可以通過步進(jìn)電機(jī)手輪純手動(dòng)操作導(dǎo)葉位置。

雙微機(jī)調(diào)節(jié)器（A+B）分別與其相對(duì)應(yīng)的液壓系統(tǒng)相配合，其方式基本分為2類：步進(jìn)電機(jī)式無油自復(fù)中伺服系統(tǒng)+比例閥伺服系統(tǒng)組成的電液隨動(dòng)系統(tǒng)和雙比例閥伺服系統(tǒng)組成的電液隨動(dòng)系統(tǒng)。

2.2 電源冗余控制設(shè)計(jì)

為確保機(jī)組運(yùn)行安全可靠，降低機(jī)組運(yùn)行時(shí)非計(jì)劃停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)調(diào)速器電源冗余的設(shè)計(jì)要求較高。針對(duì)調(diào)速器電源可靠性的問題，分別對(duì)調(diào)速器電氣柜和控制柜設(shè)置了級(jí)別較高的電源冗余控制系統(tǒng)。

某大型水電站，調(diào)速器電氣柜提出采用1交2直交叉冗余的電源配置方式，即輸入電源為一路交流供電AC 220 V，兩路直流供電DC 220 V，輸入交直流電源220 V互為備用，開關(guān)電源交叉冗余合成控制和公共DC 24 V電源，其DC 24 V電源與外部供電電源為完全隔離，保證調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部電源可靠性。雙機(jī)控制實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立供電，任何1套微機(jī)控制器出現(xiàn)電源故障，不影響另外1套微機(jī)控制器正常運(yùn)行。調(diào)速器電氣柜1交2直交叉冗余的電源配置如圖2所示。

圖2 一交兩直交叉冗余電源配置結(jié)構(gòu)圖

調(diào)速器控制柜采用1交1直交叉冗余的電源配置方式，其交直流電源220 V互為備用，開關(guān)電源交叉冗余合成雙套控制器電源和公共供電電源，其中，RIO遠(yuǎn)程子站配置2塊可累加電源模塊，配置在機(jī)架的左右兩側(cè)，進(jìn)行左右冗余配置。

2.3 傳感器冗余控制設(shè)計(jì)

導(dǎo)葉位置傳感器是調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行情況的重要判據(jù)，也是調(diào)速器開度調(diào)節(jié)結(jié)果的最終反映。機(jī)組頻率測(cè)量的準(zhǔn)確性是維持機(jī)組轉(zhuǎn)速（頻率）在規(guī)定范圍內(nèi)的重要保障。故通過冗余控制實(shí)現(xiàn)測(cè)量環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性和可靠性顯得尤為重要。

某大型水電站，目前導(dǎo)葉位置傳感器結(jié)構(gòu)布置為“一對(duì)一”結(jié)構(gòu)，即A套導(dǎo)葉位置傳感器采樣值上送A套控制器，B套導(dǎo)葉位置傳感器采樣值上送B套控制器，監(jiān)控系統(tǒng)導(dǎo)葉位置傳感器單獨(dú)上送監(jiān)控系統(tǒng)。此配置方法可以保證單套傳感器故障不影響另1套傳感器的數(shù)據(jù)采樣，2套控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全的相互獨(dú)立。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 導(dǎo)葉位置傳感器配置結(jié)構(gòu)圖

某大型水電站，整個(gè)測(cè)頻部分有4路輸入：1路機(jī)端PT信號(hào)、1路電網(wǎng)PT信號(hào)、齒盤雙探頭測(cè)頻信號(hào)，輸出為兩路測(cè)值量：機(jī)頻和網(wǎng)率。其中機(jī)端PT信號(hào)與雙探頭測(cè)頻信號(hào)為測(cè)量機(jī)組頻率而設(shè)，它們之間相互冗余配置。機(jī)組開機(jī)時(shí)優(yōu)先使用齒盤測(cè)頻，另外兩路測(cè)頻信號(hào)作為后備，同樣，機(jī)組并網(wǎng)時(shí)優(yōu)先使用機(jī)端PT信號(hào)測(cè)頻，另外兩路測(cè)頻信號(hào)作為后備。

2.4 執(zhí)行器冗余控制設(shè)計(jì)

由于國內(nèi)水電站現(xiàn)場(chǎng)液壓油清潔度難以保證，因此，解決隨動(dòng)系統(tǒng)的可靠性是關(guān)鍵問題。因液壓油清潔度的問題，可能造成調(diào)速器液壓系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)換器件，如比例閥發(fā)卡、堵塞的現(xiàn)象發(fā)生，即有可能出現(xiàn)偶然性故障。為了使液壓系統(tǒng)運(yùn)行可靠，故采用冗余的容錯(cuò)控制系統(tǒng)，加入對(duì)液壓油清潔度要求不高的步進(jìn)電機(jī)控制方式，并綜合比例閥形成雙執(zhí)行器冗余控制系統(tǒng)，對(duì)于大型水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制是一種適宜的選擇。

對(duì)于電液轉(zhuǎn)換部件的冗余 ，以比例伺服閥+步進(jìn)電機(jī)為例說明具體配置：某大型水電廠，采用德國BOSCH高性能比例閥+日本三洋五相步進(jìn)電機(jī)作為電液轉(zhuǎn)換單元，冗余電－液轉(zhuǎn)換，控制調(diào)速器的自動(dòng)、電手動(dòng)運(yùn)行方式。

在比例伺服閥自動(dòng)運(yùn)行工況時(shí)，比例伺服閥是輸出信號(hào)壓力油的主要元件，控制主配壓閥活塞運(yùn)動(dòng)輸出壓力能，來操縱接力器。在步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行工況時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械的直線位移輸出，驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)閥上下運(yùn)動(dòng)，通過主配壓閥液壓放大輸出壓力能，來操縱接力器。

當(dāng)調(diào)速器交、直流電源發(fā)生故障時(shí)，電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器能保證主配壓閥自復(fù)中，維持水輪機(jī)導(dǎo)葉在故障前的位置，并可使用純機(jī)械手動(dòng)安全停機(jī)。

3 冗余控制的建議及改進(jìn)措施

3.1 微機(jī)冗余控制改進(jìn)建議

目前大多數(shù)調(diào)速器控制系統(tǒng)均為雙冗余結(jié)構(gòu)，其反饋信號(hào)與控制器為“一對(duì)一”結(jié)構(gòu)。調(diào)速器正常工作時(shí)，2套控制器中1套主用，另1套備用，由于二者內(nèi)部程序、參數(shù)及從外部采集的數(shù)字量、模擬量信號(hào)以及頻率信號(hào)完全一致，如果雙機(jī)采集信息不一致，則會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的可靠性?；谏鲜銮闆r，通過引入觸摸屏作為協(xié)處理器，對(duì)調(diào)速器電調(diào)部分主備雙機(jī)采集的數(shù)字量和模擬量信號(hào)進(jìn)行一致性判斷，以提高數(shù)據(jù)采集和機(jī)組控制的可靠性和準(zhǔn)確性[4]。

為了更近一步提高調(diào)速器控制系統(tǒng)的可靠性，可以采用交叉冗余的控制結(jié)構(gòu)。通過不同控制器模塊之間狀態(tài)標(biāo)志位進(jìn)行邏輯異或判斷，狀態(tài)位為“1”表示該模塊工作正常，狀態(tài)位為“0”表示該模塊故障，如若出現(xiàn)雙機(jī)模塊狀態(tài)位不一致，則異或結(jié)果為“真”，表明該模塊故障，通過觸摸屏向操作人員報(bào)警，并進(jìn)行雙套控制器隸屬模塊的重新匹配。交叉冗余控制結(jié)構(gòu)可以容忍雙機(jī)隸屬的不同名模塊故障，通過交叉構(gòu)成1套正常的控制器，使控制器能正常工作。交叉冗余控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 交叉冗余控制結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 傳感器冗余控制改進(jìn)的建議及實(shí)現(xiàn)

3.2.1 導(dǎo)葉位置傳感器的冗余改造

針對(duì)目前“一對(duì)一”導(dǎo)葉位置傳感器的結(jié)構(gòu)布置，當(dāng)發(fā)生傳感器連接底座滑塊脫落或者松動(dòng)時(shí)，則可能造成雙機(jī)模擬量采集信息全失效的情況，此時(shí)無法判斷采集信息的真?zhèn)危M(jìn)而造成機(jī)組運(yùn)行可靠性大幅降低。

“三選二”控制邏輯是比較合理的選擇方式，它能克服二重系統(tǒng)不辯真?zhèn)蔚娜毕荩浒踩院涂煽啃跃３衷谳^高的水平。

改造后的導(dǎo)葉位置傳感器結(jié)構(gòu)布置如下：將監(jiān)控系統(tǒng)導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)C通過二分器引一路至調(diào)速器控制器，再經(jīng)二分器送至A、B套控制器，A、B套控制器各自均設(shè)有獨(dú)立的導(dǎo)葉位置傳感器A和B進(jìn)行信號(hào)采集。“三選二”導(dǎo)葉位置傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 “三選二”導(dǎo)葉位置傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 測(cè)頻信號(hào)選擇的冗余改造

某大型水電站，轉(zhuǎn)速裝置原程序中，當(dāng)采集到某一探頭信號(hào)超過1.9 Hz后，即進(jìn)入轉(zhuǎn)速裝置開機(jī)態(tài)，此時(shí)即有轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出。此種配置方法會(huì)造成機(jī)組停機(jī)，轉(zhuǎn)速降為零轉(zhuǎn)速后，由于傳感器本體或齒帶加工精度的原因，其產(chǎn)生的不穩(wěn)定信號(hào)造成強(qiáng)制開機(jī)的異常結(jié)果。

通過對(duì)轉(zhuǎn)速裝置開/停機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件做“三選二”冗余選擇處理，即在機(jī)頻、齒盤1、齒盤2三路頻率信號(hào)中有兩路滿足開/停機(jī)條件，轉(zhuǎn)速裝置才會(huì)進(jìn)入開/停機(jī)狀態(tài)，并且在停機(jī)狀態(tài)執(zhí)行后，屏蔽頻率輸出通道，以此規(guī)避因某一路測(cè)頻出現(xiàn)異常導(dǎo)致轉(zhuǎn)速裝置異常輸出的情況。通過頻率“三選二”冗余選擇處理后，機(jī)組運(yùn)行至今均未發(fā)生過因轉(zhuǎn)速跳變而造成轉(zhuǎn)速裝置異常開機(jī)的現(xiàn)象。傳感器冗余選擇控制邏輯流程圖如圖6所示。

圖6 傳感器冗余選擇控制邏輯流程圖

3.3 中間元件冗余控制的改造實(shí)現(xiàn)

中間元件，如中間繼電器、熱繼電器、定時(shí)器等在調(diào)速器控制回路中有著十分重要的功能。

基于某水電站實(shí)際改造為例，某水電站機(jī)組調(diào)速器電氣柜停機(jī)報(bào)警輸出信號(hào)和控制柜直流公用24 V電源監(jiān)視為單一跳閘出口信號(hào)，該跳閘信號(hào)來源于單一繼電器接點(diǎn)輸出（繼電器常勵(lì)磁，常閉接點(diǎn)輸出），存在控制電源失電或繼電器故障導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

此前，該水電站調(diào)速器停機(jī)報(bào)警信號(hào)跳閘出口條件為：調(diào)速器停機(jī)報(bào)警（非并網(wǎng)態(tài)延時(shí)5 s或并網(wǎng)態(tài)非機(jī)手動(dòng)控制方式延時(shí)5 s）。通過改造后，增加A、B套兩路繼電器接點(diǎn)輸出，動(dòng)作出口邏輯優(yōu)化方法為：2套調(diào)速器停機(jī)報(bào)警信號(hào)均為1時(shí)，非并網(wǎng)態(tài)延時(shí)5 s或并網(wǎng)態(tài)非機(jī)手動(dòng)控制方式延時(shí)5 s觸發(fā)二類機(jī)械事故停機(jī)。通過增加中間繼電器個(gè)數(shù)，采用雙元件冗余控制方法，進(jìn)而避免因單一元件本體故障而導(dǎo)致的異常事故發(fā)生。

4 結(jié)語

隨著水電機(jī)組單機(jī)容量的逐步增大，相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求更加嚴(yán)格，目前絕大多數(shù)大型水電站在調(diào)速器的硬件配置上均設(shè)有冗余控制邏輯，但在控制策略上還存在著不足和急需改進(jìn)的地方。本文分別對(duì)控制器冗余、電源冗余、傳感器冗余以及執(zhí)行器冗余配置方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并通過改造建議和實(shí)例應(yīng)用，對(duì)冗余控制的邏輯完善做了更進(jìn)一步的闡述，希望對(duì)水電站調(diào)速器相關(guān)專業(yè)的維護(hù)人員有一定的借鑒意義。