翟玉杰，陳 浩，艾遠(yuǎn)高

（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

水電機(jī)組導(dǎo)葉位置傳感器反映了水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度的大小，決定了機(jī)組頻率（轉(zhuǎn)速），其信號(hào)可靠性對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1]。某巨型水電站安裝有多臺(tái)單機(jī)容量700MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，調(diào)速器選用可編程微機(jī)調(diào)速器[2]。接力器位移經(jīng)現(xiàn)地傳感器采集，通過(guò)屏蔽電纜直接輸入調(diào)速器模擬量采集模件，導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)能快速直接反映接力器行程，換算得到的導(dǎo)葉開(kāi)度值是參與調(diào)速器PID運(yùn)算和控制的關(guān)鍵控制量[3]。該水電站調(diào)速器由多個(gè)廠家提供，有3種不同的調(diào)速器控制結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)葉位置傳感器選擇控制邏輯也存在差異。

1 “三選二”控制邏輯

目前，該電站左岸機(jī)組調(diào)速器控制器采用貝加萊X20系列PCC雙機(jī)冗余系統(tǒng)，電液轉(zhuǎn)換單元采用非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其中A機(jī)控制比例閥，B機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，組成雙電液轉(zhuǎn)換器冗余結(jié)構(gòu)。該機(jī)組共設(shè)置3套導(dǎo)葉位置傳感器，分別為A套、B套、C套，3套導(dǎo)葉位置傳感器都安裝在接力器側(cè)面，屬于拉桿式磁致伸縮位移傳感器，其中A套導(dǎo)葉位置傳感器供調(diào)速器A機(jī)使用，B套導(dǎo)葉位置傳感器供調(diào)速器B機(jī)使用，C套導(dǎo)葉位置傳感器作為公共參考傳感器使用[4]。調(diào)速器A、B機(jī)控制器接收到導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)后通過(guò)A、B機(jī)通信互送導(dǎo)葉位置信號(hào)。C套導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)通過(guò)二分器分別引入調(diào)速器A機(jī)和B機(jī)控制器[5]。這樣每個(gè)控制器都收到3套導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)，并通過(guò)“三選二”邏輯判斷，用于確認(rèn)調(diào)速器所收到的導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)是否可信?！叭x二”邏輯控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 “三選二”邏輯控制結(jié)構(gòu)圖Figure 1 “Two out of three”logic control structure diagram

為表述方便，現(xiàn)將A套傳感器采樣值簡(jiǎn)寫(xiě)為A，B套傳感器采樣值簡(jiǎn)寫(xiě)為B，C套參考傳感器采樣值簡(jiǎn)寫(xiě)為C。調(diào)速器A機(jī)控制器使用A套傳感器采樣值，增加A機(jī)傳感器故障判斷，“三選二”判斷邏輯框圖如圖2所示。

圖2 某機(jī)組“三選二”邏輯框圖Figure 2 “Two out of three”logic block diagram of a unit

在3個(gè)傳感器都沒(méi)有故障的情況下，|A-B|＜偏差設(shè)定值或|A-C|＜偏差設(shè)定值，則選擇A套主用，若|A-B|＞偏差設(shè)定值或|A-C|＞偏差設(shè)定值或|B-C|＞偏差設(shè)定值進(jìn)行傳感器超差報(bào)警；|A-B|＞偏差設(shè)定值且|A-C|＞偏差設(shè)定值，則判斷A套傳感器故障，并進(jìn)行A、B機(jī)控制器主從切換。在程序運(yùn)算過(guò)程中，導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)仍然是A機(jī)控制器采用A套主接傳感器信號(hào)作為主信號(hào)源，“三選二”的選擇邏輯只對(duì)主信號(hào)源的可靠性進(jìn)行判斷，并不對(duì)模擬量輸出結(jié)果進(jìn)行綜合計(jì)算。B機(jī)傳感器故障判斷邏輯與A機(jī)相同。

導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)“三選二”判斷邏輯，大幅提高了主用傳感器的可信度，故障判斷依據(jù)合理，對(duì)以往“二選一”邏輯提出了補(bǔ)充，但此判斷邏輯需外加1套硬件予以配合，對(duì)3套傳感器安裝精度要求較高，后期維護(hù)和傳感器校驗(yàn)工作量較大?！叭x二”的選擇邏輯只對(duì)主用傳感器可信度進(jìn)行判斷，并不改變主用傳感器的輸出結(jié)果。傳感器本體損壞后，仍需調(diào)速器A、B機(jī)切換來(lái)降低故障影響。

2 “高選”控制邏輯

該類(lèi)機(jī)組調(diào)速器控制器采用GE公司3機(jī)冗余MICRONET TMR系列，電液轉(zhuǎn)換單元采用雙比例閥，組成雙電液轉(zhuǎn)換器冗余結(jié)構(gòu)[6]。該機(jī)組共配備2套導(dǎo)葉位置傳感器，分別為1號(hào)導(dǎo)葉位置傳感器和2號(hào)導(dǎo)葉位置傳感器，屬于拉桿式磁致伸縮位移傳感器，其中1號(hào)導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)通過(guò)現(xiàn)地采集板FTM實(shí)現(xiàn)輸入冗余，供調(diào)速器A機(jī)和C機(jī)103模擬量采集板使用，2號(hào)供調(diào)速器A機(jī)和C機(jī)104模擬量采集板使用，最后經(jīng)控制器內(nèi)部總線將1號(hào)和2號(hào)導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)送至B機(jī)CPU，這樣每個(gè)CPU都接收到兩套導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)，再通過(guò)判斷邏輯選擇出可靠的導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)?！案哌x”邏輯控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 “高選”邏輯控制結(jié)構(gòu)圖Figure 3 “High selection”logic control structure diagram

該機(jī)組每套導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)輸入采集板，首先通過(guò)調(diào)速器控制程序進(jìn)行模擬量越限故障判斷（電流型4～20mA），對(duì)于4～20mA模擬量通道，均可以采用越限判斷[7]。這種方法比較簡(jiǎn)單、有效，但需要防止外部干擾影響判斷的結(jié)果。其次，在調(diào)速器控制程序中對(duì)2套導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)采樣值采用高選邏輯，最終輸出采樣值較大的導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)供3個(gè)控制器使用。為防止1號(hào)和2號(hào)導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)采樣值出現(xiàn)較大偏差，該調(diào)速器程序在進(jìn)行兩路信號(hào)高選時(shí)，增加了差值判斷，即當(dāng)1號(hào)和2號(hào)導(dǎo)葉位置傳感器采樣值偏差大于3%時(shí)，調(diào)速器報(bào)“1號(hào)、2號(hào)導(dǎo)葉位置偏差過(guò)大”，并將調(diào)速器切至純手動(dòng)模式，維持導(dǎo)葉開(kāi)度不變，“高選”邏輯框圖如圖4所示。

圖4 “高選”邏輯框圖Figure 4 Logic block diagram of“high selection”

該導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)選擇判斷邏輯簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)便，信號(hào)輸出結(jié)果由兩套傳感器“高選”獲得，傳感器不存在主備關(guān)系、完全對(duì)等，對(duì)于輸入、輸出冗余結(jié)構(gòu)較高的控制系統(tǒng)，該選擇邏輯可行。但如果其中一路傳感器故障或傳感器連桿滑塊脫落時(shí)，調(diào)速器控制器會(huì)鎖存故障前傳感器采樣值，并繼續(xù)維持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，直至2套傳感器采樣值偏差大于3%，調(diào)速器才切至純手動(dòng)模式。當(dāng)2套傳感器線性度較差或響應(yīng)特性不一致時(shí)，“高選”邏輯輸出結(jié)果會(huì)出現(xiàn)小幅跳變，尤其是在機(jī)組開(kāi)機(jī)或停機(jī)等導(dǎo)葉快速變化過(guò)程中。

3 “一對(duì)一”控制邏輯

該類(lèi)機(jī)組調(diào)速器控制器采用2套貝加萊2005系列PCC雙機(jī)冗余系統(tǒng)，電液轉(zhuǎn)換單元采用非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其中A機(jī)控制比例閥，B機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，組成雙電液轉(zhuǎn)換器冗余結(jié)構(gòu)。機(jī)組共配備2套導(dǎo)葉位置傳感器，其中A套導(dǎo)葉位置傳感器供調(diào)速器A機(jī)使用，B套導(dǎo)葉位置傳感器供調(diào)速器B機(jī)使用，并對(duì)采樣值進(jìn)行差值與反饋?zhàn)兓俣扰袛郲8]?！耙粚?duì)一”邏輯控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 “一對(duì)一”控制結(jié)構(gòu)圖Figure 5 “One to one”control structure diagram

該機(jī)組每套導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)輸入調(diào)速器，首先由調(diào)速器控制程序進(jìn)行模擬量越限故障判斷（電流型4～20mA），其次控制器程序中還對(duì)每套導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)采用差值與反饋?zhàn)兓俣冗M(jìn)行比較，該差值為導(dǎo)葉給定與導(dǎo)葉位置傳感器反饋值進(jìn)行比較，同樣，在調(diào)速器程序中增加了對(duì)導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)采樣值濾波及其波動(dòng)異常的判斷邏輯，通過(guò)上述方法，可以有效地判別出每套導(dǎo)葉位置傳感器的運(yùn)行情況。當(dāng)判別出傳感器本體損壞時(shí)，需調(diào)速器A、B機(jī)切換來(lái)消除故障傳感器的影響，為防止此方法誤判，一般將其條件放寬，但這會(huì)在一定程度上犧牲響應(yīng)速度。“一對(duì)一”邏輯框圖如圖6所示。

圖6 “一對(duì)一”邏輯框圖Figure 6 “One to one”logic block diagram

4 導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)故障分析

4.1 故障現(xiàn)象

電站某機(jī)組處于負(fù)載態(tài)功率模式運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)：“機(jī)組接力器傳感器A、B套偏差大”，隨即復(fù)歸。機(jī)組有功功率設(shè)定666MW，實(shí)際有功功率在647～671MW之間波動(dòng)，趨勢(shì)數(shù)據(jù)如圖7所示。運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，A套導(dǎo)葉位置傳感器連桿萬(wàn)向節(jié)軸套磨損，從緊固螺桿脫落，A、B套導(dǎo)葉位置傳感器滑塊位置出現(xiàn)偏差。

圖7 導(dǎo)葉位置傳感器連桿脫落趨勢(shì)分析Figure 7 Analysis on falling off trend of connecting rod of guide vane position sensor

根據(jù)原機(jī)組導(dǎo)葉接力器位置傳感器高選邏輯，當(dāng)B套導(dǎo)葉開(kāi)度小于A套時(shí)造成導(dǎo)葉開(kāi)度保持不變，選取A套導(dǎo)葉開(kāi)度值，此時(shí)進(jìn)入PID運(yùn)算的接力器位置反饋值大于實(shí)際導(dǎo)葉開(kāi)度值，與功率給定與功率反饋值作差值后，再進(jìn)入PID運(yùn)算，功率模式下的PID框圖如圖8所示。當(dāng)有功反饋大于有功功率給定，導(dǎo)葉進(jìn)行回關(guān)時(shí)，而接力器位置反饋值不變，進(jìn)入PID運(yùn)算無(wú)法消除差值，導(dǎo)葉無(wú)法穩(wěn)定，繼續(xù)回關(guān)，直至有功功率給定大于有功反饋，綜合接力器位置反饋值，進(jìn)入PID運(yùn)算后，開(kāi)啟導(dǎo)葉，而接力器位置反饋值保持不變，造成超調(diào)，當(dāng)有功功率反饋大于有功給定，導(dǎo)葉又繼續(xù)回關(guān)。反復(fù)來(lái)回調(diào)整，最終導(dǎo)致導(dǎo)葉開(kāi)度波動(dòng)，有功功率出現(xiàn)“拉鋸”。

圖8 功率模式下的PID框圖Figure 8 PID block diagram in power mode

上述缺陷應(yīng)急處理時(shí)，嚴(yán)禁切開(kāi)度模式或電手動(dòng)。因?yàn)楫?dāng)控制方式由功率模式切至開(kāi)度模式或電手動(dòng)模式后，調(diào)速器控制器認(rèn)為導(dǎo)葉開(kāi)度閉環(huán)仍然正常，結(jié)果當(dāng)導(dǎo)葉回關(guān)時(shí)，B套導(dǎo)葉開(kāi)度小于A套，造成導(dǎo)葉開(kāi)度保持不變假象，開(kāi)度給定與開(kāi)度反饋差值一直存在，此時(shí)經(jīng)PID運(yùn)算后，導(dǎo)葉繼續(xù)回關(guān)，而此時(shí)由于沒(méi)有功率閉環(huán)的存在，導(dǎo)葉會(huì)持續(xù)回關(guān)，最終造成逆功率停機(jī)。當(dāng)導(dǎo)葉打開(kāi)時(shí)，B套導(dǎo)葉開(kāi)度大于A套，此時(shí)高選邏輯會(huì)保證導(dǎo)葉正常動(dòng)作，導(dǎo)葉開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，會(huì)有回調(diào)可能，當(dāng)導(dǎo)葉有回關(guān)趨勢(shì)，且出現(xiàn)導(dǎo)葉開(kāi)度拒動(dòng)假象，最終會(huì)導(dǎo)致停機(jī)。

4.2 邏輯優(yōu)化

有功功率異常波動(dòng)故障暴露出了原接力器位置傳感器的選擇邏輯存在一定缺陷，后期對(duì)某導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)選擇邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，增加2套導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)偏差大于閾值切純手動(dòng)邏輯，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該判斷邏輯有效地控制了傳感器滑桿脫落對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

從上述對(duì)各種導(dǎo)葉位置傳感器選擇邏輯的總結(jié)及對(duì)比分析，機(jī)組導(dǎo)葉位置傳感器信號(hào)選取，應(yīng)根據(jù)電站的自身特點(diǎn)，選用合適的選擇判斷邏輯，以滿足調(diào)速系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度、接力器位移等關(guān)鍵量的要求，提高重要模擬量的可靠性，重點(diǎn)關(guān)注故障狀態(tài)下設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，并盡可能維持機(jī)組原有的運(yùn)行狀態(tài)。