楊丹丹，毛 琦，吳 輝，向 歡

（1.貴州清水江水電有限公司三板溪水電廠，貴州 錦屏 556700；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

0 引言

三板溪水電廠位于貴州省沅水干流上游河段的清水江下游錦屏縣內(nèi)，電廠總裝機(jī)容量100 萬kW，安裝4 臺25 萬kW 混流式水輪發(fā)電機(jī)組，年發(fā)電量24.28 億kW·h，2006 年底全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，是國家西電東送“十五”重點工程，擔(dān)負(fù)著華中電網(wǎng)基荷、調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用等重要任務(wù)。

三板溪水電廠調(diào)速器系統(tǒng)采用武漢能事達(dá)電氣有限公司生產(chǎn)的PFWT-100-6.3-STARS 型比例伺服閥微機(jī)調(diào)速器，采用兩套完全冗余控制系統(tǒng)設(shè)計，于2006 年投入運(yùn)行。投產(chǎn)后針對調(diào)速器系統(tǒng)出現(xiàn)的各種故障和缺陷進(jìn)行了一系列功能性改造，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀況，電廠于2017 年開始啟動調(diào)速器系統(tǒng)電氣控制部分改造，分別于2017 年5 月完成2 號機(jī)組改造，2018 年1 月完成1 號機(jī)組改造，2018 年5月完成4 號機(jī)組改造，改造時均保留了原調(diào)速器系統(tǒng)的機(jī)械液壓部分，3 號機(jī)組未進(jìn)行改造。

1 問題概述

2018 年8 月9 日14：42，三板溪電廠3 號機(jī)組帶200 MW 負(fù)荷運(yùn)行，1 號、2 號、4 號機(jī)組停備，3 號機(jī)組調(diào)速器遠(yuǎn)方自動開度模式運(yùn)行，勵磁系統(tǒng)遠(yuǎn)方自動方式運(yùn)行，調(diào)節(jié)方式為五凌集控遠(yuǎn)方控制。14：42：35，上位機(jī)報“1 號、2 號、3 號4 號機(jī)機(jī)組故障錄波裝置啟動”，同時報“3 號機(jī)組主配動作 動作”，42：39，上位機(jī)報“SBXTD1 3 號機(jī)組有功功率調(diào)節(jié)命令 203 MW”，3 號機(jī)組主配動作 復(fù)歸；14：42：41，上位機(jī)報“3 號機(jī)組有功功率266 MW 越上上限”。出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象后，五凌集控遠(yuǎn)方下達(dá)3 號機(jī)組有功功率調(diào)節(jié)命令199.99 MW，2 min 后機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行帶20 萬負(fù)荷。

2 有功調(diào)節(jié)模型

三板溪水電廠調(diào)速器有功調(diào)節(jié)采用開度模式，調(diào)節(jié)原理如圖1 所示：

圖1 調(diào)速器調(diào)節(jié)原理

監(jiān)控功率給定Py、機(jī)組有功P，調(diào)速器開度給定Ky、開度PID 跟蹤值Ypid，機(jī)組導(dǎo)葉開度Y。機(jī)組處靜態(tài)時，Py=P，Ky=Ypid=Y。機(jī)組有功調(diào)節(jié)的過程如下所示：

（1）上位機(jī)下達(dá)有功功率Py1，Py1≠P調(diào)節(jié)令動作；

（2）機(jī)組LCU 發(fā)調(diào)功脈沖至調(diào)速器；

（3）調(diào)速器Ky（開度給定）隨調(diào)功脈沖改變，Ky≠Ypid，Ypid隨Ky改變，直到Ky=Ypid；

（4）Ypid改變后，Ypid≠Y，偏差值經(jīng)比例放大送調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)；

（5）調(diào)速器液壓系統(tǒng)調(diào)整導(dǎo)葉開度，Y改變，有功P改變。

（6）當(dāng)機(jī)組LCU 再次檢測到Py1=P1，調(diào)功令復(fù)歸。

3 有功波動原因分析

3.1 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

事件發(fā)生時，廠房內(nèi)無任何作業(yè)，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)3 號機(jī)組有功功率設(shè)值與五凌集控有功功率給定值一致，說明五凌集控調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)遙調(diào)通道正常，3號機(jī)組調(diào)速器有功功率設(shè)值與監(jiān)控系統(tǒng)有功功率設(shè)值一致，說明計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU 脈沖閉環(huán)調(diào)節(jié)通道正常，并且計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)未下發(fā)有功調(diào)節(jié)令，說明計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行正常。

3.2 故障錄波報告

從故障錄波報告圖分析，8 月9 日14：42：35 在主變高低壓側(cè)的電壓量中出現(xiàn)了大量的諧波分量，如圖2 所示。調(diào)取對側(cè)白市電廠同時段PMU 中三白線線路電壓波形圖，系統(tǒng)電壓也出現(xiàn)波動，如圖3所示。事件發(fā)生當(dāng)天，我廠處于雷電天氣，500 kV母線避雷器C 相2018 年8 月3 日至9 日共計動作6 次。綜合分析，判定諧波分量是受雷擊產(chǎn)生。

圖2 發(fā)電機(jī)出口諧波

圖3 白市側(cè)PMU 三白線線路電壓

3.3 雷擊干擾

事件發(fā)生時，保護(hù)未動作、勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)正常、機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)正常，機(jī)組故障錄波裝置啟動、系統(tǒng)出現(xiàn)諧波、避雷器動作與3 號機(jī)組調(diào)速器動作時間一致，調(diào)速器殘壓測頻取自A、C 相PT 信號，因此雷擊干擾的可能性較高。

3.4 導(dǎo)葉開度

由于異常開導(dǎo)度葉持續(xù)6 s，比例閥控制信號本身受干擾造成電量突變且持續(xù)6 s 的可能性太小，故可排除。調(diào)速器比例閥控制信號等于Ypid運(yùn)算值與當(dāng)前導(dǎo)葉開度差值乘放大系數(shù)，Ypid與導(dǎo)葉開度都有可能受干擾影響突變，但導(dǎo)葉開度未發(fā)現(xiàn)持續(xù)6 s 突變，故排除導(dǎo)葉開度異常。

3.5 調(diào)速器Ypid 突變分析

3 號機(jī)組調(diào)速器PID 運(yùn)算公式如下：

式中：

Ypid（k-1）——前一周期PID 調(diào)節(jié)量；在并網(wǎng)時，Ypid（k）=Ypid（k-1）+ΔYp（k）+ΔYI（k）。

ΔYp（k）——PID 調(diào)節(jié)的比例增量。

ΔYI（k）——PID 調(diào)節(jié)的積分增量。

ΔYD（k）——PID 調(diào)節(jié)的微分增量。

ΔYc/ΔPc（k）——PID 調(diào)節(jié)的開環(huán)增/減分量，即遠(yuǎn)方/現(xiàn)地操作時的增量。

ΔF（k）——頻差，電網(wǎng)頻率Fn（k），機(jī)組頻率Fg（k），跟蹤頻率50 Hz，并網(wǎng)前ΔF（k）=Fn（k）-Fg（k），并網(wǎng)后ΔF（k）=50 Hz-Fg（k）。

ΔΔF（k）——本周期k頻差ΔF（k）與上周期k-1 頻差ΔF（k-1）之差，即ΔΔF（k）=[ΔF（k）-ΔF（k-1）]。

ΔY/P（k）——在開度頻率模式下，開度給定ΔYC與上周期采樣PID 總量Ypid（k-1）之差；在功率模式下，是功率給定與機(jī)組功率之差。

（1）并網(wǎng)正常運(yùn)行時無調(diào)節(jié)令，調(diào)速器為開度模式，頻率正常，程序執(zhí)行第k-1 周期，頻差ΔF（k-1）小于頻率死區(qū)，頻差置0，Ypid值等于導(dǎo)葉開度值Y（為56%開度），輸出比例閥控制信號Yg=0，保持當(dāng)前開度；

（2）第k周期，頻率大幅突變增加（根據(jù)調(diào)速器參數(shù)估算約70 Hz），ΔF（k）=50 Hz-Fg（k）=-20 Hz（死區(qū)0.05 Hz 可忽略），ΔF（k-1）=0，則[ΔF（k）-ΔF（k-1）]=-20 Hz，則ΔYP（k）計算值為-80%，則Ypid（k-1）=-30%，但程序設(shè)置的Ypid（k）下限為0，故此時Ypid（k）=0，輸出Yg為負(fù)，發(fā)關(guān)閉導(dǎo)葉令；

（3）第k+n周期時頻率恢復(fù)正常（n應(yīng)為較小的整數(shù)），故ΔF（k+n）=0，ΔF（k+n-1）=ΔF（k）-20 Hz，則ΔΔF（k+n）=30 Hz，ΔYP（k）計算值則為80%，故Ypid（k+1）=80%（小于Ypid的上限值90%），比例閥控制輸出信號Yg=24%，故開啟導(dǎo)葉；（k周期發(fā)出的關(guān)導(dǎo)葉令持續(xù)到k+n周期未達(dá)到調(diào)速器不動時間0.2 s，故其影響可忽略不計）

（4）由于此后頻率已正常，ΔΔF=0，故在監(jiān)控系統(tǒng)未發(fā)調(diào)節(jié)令前調(diào)速器Ypid將維持80%持續(xù)開啟導(dǎo)葉（積分作用較小可先忽略），一次調(diào)頻限制不會動作，比例閥控制信號為正（因?qū)~開度在增加，此信號持續(xù)衰減），導(dǎo)葉繼續(xù)開啟。

（5）開啟導(dǎo)葉過程中，有功大于220 MW 時AGC發(fā)減功令，同時開度給定YC與Ypid偏差增大使ΔYI累計約-2%時，減小Ypid=78%，導(dǎo)葉開度Y 也增加至78%，比例閥控制信號為0，導(dǎo)葉開啟過程結(jié)束，此時有功功率約266 MW 大于AGC 目標(biāo)功率200 MW，監(jiān)控繼續(xù)發(fā)減功令，Ypid繼續(xù)減小，比例閥控制信號變?yōu)樨?fù)，導(dǎo)葉開始關(guān)閉。

（6）當(dāng)有功減至200 MW，監(jiān)控不再發(fā)減功令，此時Ypid=44%不再向下減小，導(dǎo)葉開度Y=52%，比例閥控制信號仍然為負(fù)，故繼續(xù)關(guān)閉導(dǎo)葉，當(dāng)有功小于180 MW 時，AGC 發(fā)增有功令，ΔYI為正，Ypid開始增加。當(dāng)有功減至166 MW，導(dǎo)葉開度Y=47%，Ypid=47%，比例閥控制信號為0，導(dǎo)葉停止關(guān)閉。

（7）由于有功未達(dá)到目標(biāo)，AGC 發(fā)增有功令，Ypid增加，導(dǎo)葉開啟，當(dāng)有功再次達(dá)到200 MW 時，AGC停止動作，Ypid與導(dǎo)葉開度Y也基本接近，比例閥控制信號為0，機(jī)組有功保持穩(wěn)定。

從以上分析可知，當(dāng)調(diào)速器殘壓測頻因干擾發(fā)生大跳變極短時間恢復(fù)時，頻率增加YP減小，頻率恢復(fù)YP增加，這兩個擾動量絕對值相等，但因減小過程，Ypid受限置0，所以頻率恢復(fù)后，Ypid較擾動前增加且會保持，造成了此次3 號機(jī)組有功異常調(diào)節(jié)。

4 解決方案

由于測頻元件的設(shè)計缺陷，在3 號機(jī)組未進(jìn)行改造換型前，無法消除干擾對測頻造成的影響，因此需在PLC 內(nèi)進(jìn)行程序補(bǔ)償優(yōu)化，過濾異常測頻數(shù)據(jù)對調(diào)速器有功調(diào)節(jié)造成的影響。

機(jī)組正常負(fù)載運(yùn)行時，系統(tǒng)頻率干擾的主要來自感應(yīng)雷電和并網(wǎng)合閘沖擊，感應(yīng)雷電干擾持續(xù)不超過30 ms，并網(wǎng)合閘沖擊干擾持續(xù)不超過100 ms。因此程序補(bǔ)償優(yōu)化邏輯為在開度模式下，測頻頻率超出500.25 Hz 范圍，頻差清零，200 ms 后取消清零；測頻頻率超出501 Hz 范圍，頻差清零，300 ms 后取消清零。即：頻率在500.25 Hz 內(nèi)，頻差不作處理；頻率在500.25 Hz 外，501 Hz 內(nèi)，則頻差清零，延時200 ms 后取消清零；頻率在501 Hz 外，則頻差清零，延時300 ms 后取消清零。

由于每個掃描周期，真實頻率變化不超過0.25 Hz，因此對每次頻差進(jìn)行限制，即最大為0.25 H z。

5 結(jié)論

本文通過對3 號機(jī)組有功功率波動的過程進(jìn)行詳細(xì)分析，分析結(jié)果表明，此次有功功率波動是由諧波產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致調(diào)速器控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常調(diào)節(jié)。并根據(jù)實際情況，提出了可行的解決方案，經(jīng)優(yōu)化調(diào)速器PLC 程序后，3 號機(jī)組未再出現(xiàn)同類事件，有效的保障了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為行業(yè)內(nèi)其他水電廠有功波動事故提供了分析和解決的參考經(jīng)驗。