李尹罡，黃安國

(湖北清江水電開發(fā)有限責任公司，湖北 宜昌 443000)

湖北清江高壩洲水電站位于湖北省宜都市境內(nèi)，為清江梯級電站的最后一級，上距隔河巖水電站50 km，下距清江與長江匯合處12 km。是隔河巖水電站的反調(diào)節(jié)電站。河床式廠房內(nèi)安裝有3臺單機容量90 MW的水輪發(fā)電機組。機組額定水頭均為32.5 m，額定轉(zhuǎn)速125 r/m，導葉接力器行程890 mm，槳葉接力器行程240 mm，是典型的高水頭軸流轉(zhuǎn)槳式雙調(diào)機組[1]。水輪機為東方電機股份有限公司生產(chǎn)的ZZD231-LH-580型機組，調(diào)速器系統(tǒng)機調(diào)柜與電調(diào)柜分離布置，電調(diào)柜安裝于副廠房單控室，位于發(fā)電機層，機調(diào)柜安裝于廠房水輪機層，兩柜間電纜敷設距離約40 m[2]。電調(diào)柜內(nèi)控制器為Modicon Premium系列PLC，采用A/B兩套熱備冗余控制。調(diào)速器導葉、槳葉電液轉(zhuǎn)換裝置均為自復中伺服電機，伺服系統(tǒng)為Panasonic MINAS A4系列伺服驅(qū)動器及電機。

1 高壩洲電廠機組調(diào)速器系統(tǒng)現(xiàn)狀

1)伺服驅(qū)動器至伺服電機控制電纜過長，機組長時間并網(wǎng)運行時經(jīng)常發(fā)生控制脈沖丟失、控制指令不準確的問題。控制脈沖丟失會進一步導致調(diào)速器控制精度變差，機組導葉、槳葉和有功功率都無法達到目標值，難以滿足華中電網(wǎng)兩個細則中關于調(diào)節(jié)精度方面的考核要求，在每年汛期機組連續(xù)并網(wǎng)運行期間，該問題尤為突出，嚴重影響到了機組的安全、穩(wěn)定和高效運行。

2)一次調(diào)頻PID調(diào)節(jié)參數(shù)無法單獨設置，改善一次調(diào)頻的響應特性和動作特性困難，難以滿足《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術導則》中5.3.9水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻階躍響應的要求。

3)電源設計存在缺陷，采用兩路交流加一路直流的供電方式，但實際運行中發(fā)現(xiàn)交流電源易混入直流電源中，對整個廠用直流系統(tǒng)產(chǎn)生危害，并導致直流絕緣監(jiān)測裝置報警。

4)作為調(diào)速器關鍵元器件的頻率采樣板故障率高，且廠家對殘壓測頻板件及齒盤測頻板件已升級，備品備件只能定制，采購周期長，成本高，品質(zhì)無法保障。使用的Modicon Premium型PLC已停產(chǎn)，后續(xù)的備件采購困難，該款PLC通訊功能較差，曾多次出現(xiàn)通訊卡故障。調(diào)速器電調(diào)柜觸摸屏備件無法購置，舊型號觸摸屏已停產(chǎn)。長時間運行導致觸摸屏老化、響應慢、死機情況嚴重。

2 高壩洲電廠調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化改造

1)更換機組調(diào)速器電調(diào)柜，含柜內(nèi)全部電氣元器件，新系統(tǒng)采用施耐德Modicon M340系列PLC。新增調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)LCU的Modbus TCP/IP通信功能，對調(diào)速器的信號進行雙重化上送，使監(jiān)控系統(tǒng)能夠得到更加全面的調(diào)速器的信息。

2)優(yōu)化了電源設計，交、直流電源冗余供電，交流電源經(jīng)過隔離變壓器和整流元件后可實現(xiàn)與廠用直流系統(tǒng)物理隔離，徹底避免了交流竄入直流系統(tǒng)的可能。

3)增加了試驗功能，在現(xiàn)地觸摸屏上就可以完成檢修試驗。導葉、槳葉的零位和滿度調(diào)校。調(diào)速器導葉、槳葉控制指令跟蹤試驗，調(diào)速器可根據(jù)在觸摸屏上輸入的指令自動調(diào)整導葉和槳葉的開度至指定開度。調(diào)速器空載擾動試驗也可以通過觸摸屏操作來完成。

4)優(yōu)化一次調(diào)頻PID調(diào)節(jié)參數(shù)設計結構。將空載、負載和孤網(wǎng)模式下的一次調(diào)頻參數(shù)分別設置，以滿足各種工況下的運行要求。優(yōu)化測頻板的配置，將殘壓測頻和齒盤測頻功能集成在一塊電路板上，提高其穩(wěn)定性并降低了造價。調(diào)速器A、B套之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。可進行A、B套齒盤測頻、殘壓測頻的數(shù)據(jù)實時比較，若其中一組采樣頻率與其他三組有明顯差異時，程序?qū)⑵帘伪窘M采樣頻率的使用，能夠使調(diào)速器頻率采樣更加準確和穩(wěn)定。

5)更換機組調(diào)速器機調(diào)柜柜體及伺服系統(tǒng)，將正在使用的松下伺服驅(qū)動器、伺服電機整體更換。因高壩洲電廠機組調(diào)速器電調(diào)柜與機調(diào)柜距離超過40 m，為防止脈沖衰減和受到干擾，伺服系統(tǒng)安裝了專用的金屬線槽并敷設了高屏蔽電纜。伺服系統(tǒng)選用施耐德伺服系統(tǒng)，在調(diào)速器PLC至伺服驅(qū)動器間增加一個差分放大模塊。該系列伺服系統(tǒng)支持超過100 m的長距離運行。差分放大模塊接線圖1所示。

圖1 差分放大模塊接線圖

差分放大模塊可以將PLC輸出的24 V集電極開路信號轉(zhuǎn)換成RS422標準的差分信號，提供給伺服驅(qū)動器所需的差分脈沖信號，差分信號抗干擾能力比集電極信號抗干擾能力強?？梢匀綦x，也可以不全隔離。該模塊安裝在靠近PLC的地方，這樣可以發(fā)揮差分信號傳輸距離遠且抗干擾能力強的優(yōu)勢。

3 高壩洲電廠調(diào)速器系統(tǒng)優(yōu)化改造后的效果

高壩洲水電站調(diào)速器系統(tǒng)優(yōu)化后采用施耐德Modicon M340型PLC，該系列PLC與同系列大型PLC平臺Modicon Quantum一樣從屬于Unity軟件平臺。而電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用的是Modicon Quantum系列PLC。這樣的配置大大方便了后期的維護和檢修工作。并且電站維護人員自主完成了施耐德Modicon M340型PLC與監(jiān)控系統(tǒng)LCU施耐德Quantum之間的Modbus TCP/IP通信調(diào)試，優(yōu)化了機組調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)間的信號上送的形式，在不增加電纜的情況下，豐富了上送信號的類型和數(shù)量，且可維護性更好，使監(jiān)控系統(tǒng)能夠得到更加全面的調(diào)速器信息，便于運行維護人員的監(jiān)視和控制。

優(yōu)化了程序編寫方式，采用參數(shù)化結構編寫調(diào)速器控制流程，現(xiàn)場維護人員可以實時在人機界面上對空載、負載、孤網(wǎng)三種工況的一次調(diào)頻和PID參數(shù)分別進行設置，方便現(xiàn)場試驗和調(diào)試。在投產(chǎn)試驗時邀請湖北電科院對調(diào)速器系統(tǒng)開展了建模試驗和一次調(diào)頻試驗[3]。試驗結果顯示電站調(diào)速系統(tǒng)各參數(shù)設置正確，一次調(diào)頻功能性能良好?？蛰d、負載、孤網(wǎng)各種模式下的性能均滿足國家能源局《水輪機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置調(diào)整試驗導則》中的相關要求[4]。

采用的差分放大模塊運行穩(wěn)定，性能良好，提高了脈沖信號的定位控制準確性和可靠性。3臺機組調(diào)速器系統(tǒng)運行正常，機組頻率及有功控制穩(wěn)定，未出現(xiàn)伺服系統(tǒng)脈沖丟失、控制指令錯誤等異常狀況，導葉、槳葉協(xié)聯(lián)關系正確。徹底解決了調(diào)速器導葉、槳葉伺服電機控制電纜過長控制脈沖易丟失的問題。

電源結構優(yōu)化后調(diào)速器采用一路交流一路直流的供電方式，電源經(jīng)過交直隔離，運行良好。在投產(chǎn)試驗中對增加的試驗功能進行了充分的驗證，其功能滿足日常維護中的試驗要求。尤其是空載擾動試驗，在舊的系統(tǒng)中做空載擾動試驗需要修改控制程序，存在誤改程序、機組飛逸的風險。改造后在調(diào)速器觸摸屏上即可完成試驗，數(shù)值一目了然，并且在程序中對目標頻率進行了限制，設置超出限制的值時，系統(tǒng)將會報警并拒絕執(zhí)行指令。提高了調(diào)速器系統(tǒng)的防誤能力。對頻率比較程序也進行了多次驗證，模擬各種頻率采樣故障，控制程序均能夠發(fā)現(xiàn)問題，屏蔽故障，并選擇正確的頻率采樣通道穩(wěn)定調(diào)速器控制。大大提高了調(diào)速器頻率采樣的準確性和穩(wěn)定性。

高壩洲水電站調(diào)速系統(tǒng)在完成了優(yōu)化后，解決了之前存在的所有問題。是一次成功的系統(tǒng)優(yōu)化。其中伺服系統(tǒng)中差分放大模塊的應用可以為其他同類伺服系統(tǒng)提供改造經(jīng)驗。