涂 勇，陳自然，陸勁松，李志祥

（向家壩水力發(fā)電廠，四川宜賓644612）

0 引 言

水力發(fā)電過(guò)程中，水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器控制系統(tǒng)需要精準(zhǔn)完成機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、開(kāi)度調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)及工況輪轉(zhuǎn)控制等重要核心任務(wù)［1］，其通過(guò)控制接力環(huán)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作來(lái)控制水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)通過(guò)水輪機(jī)蝸殼水流流量的目標(biāo)，最終使被控對(duì)象的電能質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)，即頻率和有功輸出滿足電網(wǎng)要求［2］。調(diào)速器調(diào)節(jié)性能好壞與電網(wǎng)能否安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運(yùn)行密切相關(guān)。特別是800 MW 單機(jī)大容量機(jī)組，一旦水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳，將嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。如何保障巨型機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)值得關(guān)注和研究的課題［3］。為提升調(diào)速器控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制性能和品質(zhì)，增強(qiáng)調(diào)速器糾錯(cuò)容錯(cuò)能力，科研小組對(duì)調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，提出了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡理論，在明確主配頻繁調(diào)節(jié)原因的基礎(chǔ)上探索出了主配電氣中位自動(dòng)診斷方法、自動(dòng)整定方法、直接整定方法及改進(jìn)型直接整定方法等一系列可精確快速整定主配電氣中位的技術(shù)方法，并將其成功應(yīng)用于調(diào)速器現(xiàn)場(chǎng)檢修作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和投運(yùn)效果表明，該技術(shù)方法有效解決了調(diào)速器系統(tǒng)主配頻繁調(diào)節(jié)這一長(zhǎng)期困擾調(diào)速專業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)難題。

1 主配頻繁調(diào)節(jié)問(wèn)題簡(jiǎn)介

當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度給定值穩(wěn)定不變時(shí)，實(shí)際導(dǎo)葉開(kāi)度在調(diào)速器調(diào)節(jié)穩(wěn)定后出現(xiàn)持續(xù)增大或減小趨勢(shì)，調(diào)速器主配出現(xiàn)周期性單方向調(diào)節(jié)，若主配調(diào)節(jié)周期小于某一閾值，則將這種現(xiàn)象稱為主配頻繁調(diào)節(jié)現(xiàn)象［4］。

為了從理論上對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行定性的分析和定量的計(jì)算，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型［5］。經(jīng)對(duì)調(diào)速器液壓跟隨系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，深入研究，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象與以下兩個(gè)因素有關(guān)［4］：①比例閥電氣中位未整定準(zhǔn)確；②主配壓閥電氣中位未整定準(zhǔn)確。

主配頻繁調(diào)節(jié)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致調(diào)速器出現(xiàn)一系列設(shè)備問(wèn)題，嚴(yán)重影響機(jī)組正常運(yùn)行。若在機(jī)組處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)情況下，讓設(shè)備維護(hù)人員處理該問(wèn)題，將面臨很高的風(fēng)險(xiǎn)，但如果將機(jī)組解列或停機(jī)處理，又不可避免會(huì)導(dǎo)致水電站棄水，從而影響整個(gè)電站的發(fā)電效益和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2 主配電氣中位自動(dòng)診斷及整定技術(shù)

從根源入手，對(duì)調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行專項(xiàng)研究，探索出一種調(diào)速器主配中位自動(dòng)診斷及智能整定方法［4］。該方法不僅廣泛適用于使用比例閥、主配作為電液轉(zhuǎn)換和液壓放大環(huán)節(jié)的水輪發(fā)電機(jī)組，通過(guò)技術(shù)升級(jí)，也適用于采用其他裝置作為電液轉(zhuǎn)換和液壓放大環(huán)節(jié)的水輪發(fā)電機(jī)組。該方法可廣泛應(yīng)用于機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)，調(diào)速器主配電氣中位的自動(dòng)整定。

2.1 主配電氣中位整定原理

調(diào)速系統(tǒng)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)由電液轉(zhuǎn)換元件、液壓控制元件和執(zhí)行元件等組成［6］。為了使控制系統(tǒng)的表示既簡(jiǎn)單又明了，在控制工程中一般繪制控制系統(tǒng)的框圖進(jìn)行分析研究［7］。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，水輪機(jī)控制系統(tǒng)自身也是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)［8］。采用閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1在導(dǎo)葉開(kāi)度控制模塊輸出的主配位置給定M給定疊加一個(gè)主配試驗(yàn)信號(hào)M試驗(yàn)，用以調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量主配動(dòng)作死區(qū)，未進(jìn)行主配動(dòng)作死區(qū)測(cè)量時(shí)，M試驗(yàn)=0。

設(shè)主配電氣中位設(shè)定值為M中，△Y為Y給定和Y之差，開(kāi)度死區(qū)為Y死區(qū)，主配死區(qū)為［M關(guān)，M開(kāi)］，M關(guān)＜0 且M開(kāi)＞0。當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)Y給定穩(wěn)定不變，系統(tǒng)靜態(tài)平衡時(shí)，比例閥閥芯位置設(shè)為B0平衡。比例閥死區(qū)很小，故可以理想化處理，縮小成一個(gè)點(diǎn)，設(shè)比例閥的實(shí)際中位為B0實(shí)際。

當(dāng)系統(tǒng)處于靜態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，以下公式關(guān)系成立：

由公式（1）～（6）可以得到：

由式（7）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)處于靜態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，若比例閥中位已設(shè)定準(zhǔn)確，進(jìn)行主配動(dòng)作死區(qū)測(cè)量，M會(huì)跟隨M試驗(yàn)，否則，M為0，物理含義為電氣控制系統(tǒng)將主配壓閥閥芯位置調(diào)節(jié)到主配電氣中位。

當(dāng)M中未準(zhǔn)確整定時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致主配位置M?［M關(guān)，M開(kāi)］，此時(shí)Y開(kāi)始變化。當(dāng)M＜M關(guān)時(shí)，Y開(kāi)始減?。划?dāng)M＞M開(kāi)時(shí)，Y開(kāi)始增大［4］。

當(dāng)︱Y給定-Y︱＞Y死區(qū)時(shí)，系統(tǒng)所處的靜態(tài)平衡狀態(tài)會(huì)被打破，調(diào)速器電控系統(tǒng)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)比例閥、主配以及接力器動(dòng)作，將Y調(diào)節(jié)至Y給定附近位置，當(dāng)︱Y給定-Y︱≤Y死區(qū)時(shí)，系統(tǒng)又重新進(jìn)入靜態(tài)平衡狀態(tài)。

在調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)主配電氣中位偏移的持續(xù)影響下，整個(gè)過(guò)程持續(xù)循環(huán)進(jìn)行，這就是調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。主配電氣中位的漂移情況越嚴(yán)重，這個(gè)過(guò)程的周期就越短，調(diào)速器主配及導(dǎo)葉調(diào)節(jié)就越頻繁。

為了解決調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)主配和比例閥中位偏移，設(shè)定不準(zhǔn)確的問(wèn)題，就需要實(shí)時(shí)對(duì)調(diào)速器主配和比例閥電氣中位進(jìn)行自動(dòng)診斷和智能整定。

自動(dòng)整定主配電氣中位方法就是確定主配開(kāi)關(guān)向死區(qū)臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的主配位置反饋通道值M開(kāi)和M關(guān)，或者通過(guò)自動(dòng)改變M中，找到使導(dǎo)葉具有關(guān)和開(kāi)趨勢(shì)的對(duì)稱調(diào)節(jié)周期點(diǎn)M1和M2，取其中間值作為M中。

2.2 主配電氣中位自動(dòng)診斷方法

系統(tǒng)自診斷功能：系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)做出判斷，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，給出故障產(chǎn)生原因的推斷［9］?？蒲行〗M基于主配電氣中位整定原理，探索出一種基于液壓隨動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡理論的自動(dòng)診斷方法，步驟如下：①采集M給定，Y給定等變量參數(shù)；②檢測(cè)主配電氣中位偏移判據(jù)條件是否滿足：當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)度給定保持不變時(shí)，閾值T大于系統(tǒng)主配位置給定的調(diào)節(jié)周期。在系統(tǒng)中位設(shè)置合理的情況下，調(diào)節(jié)周期通常還與Y死區(qū)大小和水輪機(jī)接力器漂移速度的快慢有關(guān)，基于系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用工況需求，T設(shè)定值大于或等于20 s；③若符合，則診斷環(huán)節(jié)完成，進(jìn)入自動(dòng)整定環(huán)節(jié)；若不符合，返回①。

2.3 主配電氣中位自動(dòng)整定方法

根據(jù)2.1 中主配電氣中位整定原理，可以找到一種基于液壓隨動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡的調(diào)速器主配電氣中位自動(dòng)整定方法，步驟如下：①實(shí)時(shí)采集M，Y等數(shù)據(jù)；②檢測(cè)當(dāng)∣M∣≤ε穩(wěn)定不變時(shí)，Y的變化趨勢(shì)；③若Y逐漸減小，則M試驗(yàn)以M給定的最高單位精度j為步長(zhǎng)，逐漸增大；自動(dòng)判斷Y開(kāi)始不變和開(kāi)始增大的臨界點(diǎn)，將臨界點(diǎn)的主配位置反饋通道值M通記錄為主配的關(guān)方向動(dòng)作死區(qū)M關(guān)和開(kāi)方向動(dòng)作死區(qū)M開(kāi)；④若Y逐漸增大，則M試驗(yàn)以M給定的最高單位精度j為步長(zhǎng)，逐漸減?。蛔詣?dòng)判斷Y開(kāi)始不變和開(kāi)始減小的臨界點(diǎn)，將臨界點(diǎn)的主配位置反饋通道值M通記錄為主配的關(guān)方向動(dòng)作死區(qū)M開(kāi)和開(kāi)方向動(dòng)作死區(qū)M關(guān)；⑤將M中設(shè)為（M關(guān)+M開(kāi)）/2，即完成了調(diào)速器主配電氣中位自動(dòng)整定，返回主配電氣中位自動(dòng)診斷環(huán)節(jié)。本方法示意圖如圖2所示。

2.4 主配電氣中位改進(jìn)型自動(dòng)整定方法

實(shí)際應(yīng)用中，由于導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器測(cè)量精度不夠，測(cè)量值會(huì)出現(xiàn)來(lái)回小幅往復(fù)跳變情況，很難準(zhǔn)確判斷Y變化趨勢(shì)。為此，基于主配電氣中位整定原理，在主配電氣中位自動(dòng)整定方法的基礎(chǔ)上，探索一種主配電氣中位改進(jìn)型自動(dòng)整定方法，步驟如下：①采集Y給定，M給定等變量參數(shù)；②檢測(cè)當(dāng)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)Y給定保持穩(wěn)定不變時(shí)，計(jì)算調(diào)速器電控程序中M給定的調(diào)節(jié)周期；③若閾值T大于主配調(diào)節(jié)周期，且主配為關(guān)方向調(diào)節(jié)時(shí)，則M中以最高單位精度值為步長(zhǎng)逐漸減小，且調(diào)整周期與主配的調(diào)節(jié)周期成正比例；若閾值T大于主配調(diào)節(jié)周期，且主配為開(kāi)方向調(diào)節(jié)時(shí)，則M中以最高單位精度值為步長(zhǎng)逐漸增加，且調(diào)整周期與主配的調(diào)節(jié)周期成正比例；④檢測(cè)M給定調(diào)節(jié)周期是否滿足以下判據(jù)，若M給定調(diào)節(jié)周期增大過(guò)程中首次大于閾值T′時(shí)，記錄此時(shí)M中的值為M1；若M給定調(diào)節(jié)周期減小過(guò)程中首次小于閾值T′時(shí)，記錄此時(shí)M中的值為M2；若未確定M2則返回步驟①；⑤將M中設(shè)為（M1+M2）/2，即完成了調(diào)速器主配中位自動(dòng)定位，進(jìn)入比例閥電氣中位漂移自動(dòng)診斷環(huán)節(jié)。

調(diào)速器電控程序中M中調(diào)整步長(zhǎng)越小，調(diào)整速度越慢，調(diào)整周期就越長(zhǎng)，測(cè)量計(jì)算M給定調(diào)節(jié)周期的結(jié)果就越精確，從而M中的整定結(jié)果更精確，離主配電氣中位實(shí)際值就越接近。本方法示意圖如圖3所示。

2.5 主配電氣中位直接整定方法

調(diào)速器電氣部分檢修過(guò)程中，需要整定校核主配電氣中位參數(shù)設(shè)置是否準(zhǔn)確，基于主配中位整定原理，結(jié)合調(diào)速器現(xiàn)場(chǎng)檢修需求，探索出一種無(wú)需調(diào)速器主配中位診斷，直接進(jìn)行主配電氣中位自動(dòng)整定的方法，步驟如下：①調(diào)速器主配電氣中位根據(jù)主配機(jī)械中位初設(shè)；②采集M給定，Y給定等變量參數(shù)；③檢測(cè)當(dāng)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)Y給定保持穩(wěn)定不變時(shí)，計(jì)算調(diào)速器電控程序中M給定的調(diào)節(jié)周期；④以M中最高單位精度值為步長(zhǎng)，周期性增加M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過(guò)程中首次小于閾值T’時(shí)，記錄此時(shí)M中的值為M1，M中返回主配電氣中位初設(shè)值；⑤以M中最高單位精度值為步長(zhǎng)，周期性減小M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過(guò)程中首次小于閾值T’時(shí)，記錄此時(shí)M中的值為M2；⑥將M中設(shè)為（M1+M2）/2，即完成了調(diào)速器主配中位自動(dòng)定位，整定完畢。

調(diào)速器電控程序中M中調(diào)整步長(zhǎng)越小，調(diào)整速度越慢，調(diào)整周期就越長(zhǎng)，測(cè)量計(jì)算M給定調(diào)節(jié)周期的結(jié)果就越精確，從而M中的整定結(jié)果更精確，離主配電氣中位實(shí)際值就越接近。本方法的示意圖如圖4所示。

2.6 主配電氣中位改進(jìn)型直接整定方法

主配電氣中位直接整定方法實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，M中調(diào)整周期越長(zhǎng)，整定耗時(shí)越長(zhǎng)；M中調(diào)整周期越短，M中整定結(jié)果準(zhǔn)確度越低。為減少整定時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)提高整定結(jié)果準(zhǔn)確度，根據(jù)2.1 中主配中位整定原理，在2.5 主配電氣中位直接整定方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，找到一種主配電氣中位改進(jìn)型直接整定方法，步驟如下：①調(diào)速器主配電氣中位根據(jù)主配機(jī)械中位初設(shè)；②采集M給定，Y給定等變量參數(shù)；③檢測(cè)當(dāng)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)Y給定保持穩(wěn)定不變時(shí)，計(jì)算調(diào)速器電控程序中M給定的調(diào)節(jié)周期；④以M中最高單位精度值為步長(zhǎng)，周期性快速增加M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過(guò)程中首次小于閾值T′，然后周期性慢速減小M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過(guò)程中首次大于閾值T″時(shí)，記錄此時(shí)M中的值為M1，M中返回主配電氣中位初設(shè)值；⑤以M中最高單位精度值為步長(zhǎng)，周期性快速減小M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過(guò)程中首次小于閾值T′，然后周期性慢速增加M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過(guò)程中首次大于閾值T″時(shí)，記錄此時(shí)M中的值為M2；⑥將M中設(shè)為（M1+M2）/2，即完成了調(diào)速器主配中位自動(dòng)定位，整定完畢。

快速調(diào)整M中階段，適當(dāng)減小調(diào)整周期，可以縮短整個(gè)主配中位整定過(guò)程消耗時(shí)長(zhǎng)。

慢速調(diào)整M中階段，適當(dāng)增大調(diào)整周期，可以提高主配調(diào)節(jié)周期的測(cè)量精度，最終整定結(jié)果越接近主配電氣中位實(shí)際值。本方法的示意圖如圖5所示。

3 主配中位自動(dòng)診斷及整定功能開(kāi)發(fā)

3.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面一般用于同PLC 等控制器進(jìn)行信息通訊，用于顯示控制器中采集或計(jì)算出的數(shù)據(jù)，并把需要控制的設(shè)定數(shù)值或設(shè)備的開(kāi)關(guān)信號(hào)送入PLC 等控制器中［10］。觸摸屏畫(huà)面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

3.2 主配電氣中位自動(dòng)診斷及整定功能軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)主配電氣中位自動(dòng)診斷和整定方法，繪制軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

實(shí)際應(yīng)用中，由于很難準(zhǔn)確判斷Y變化趨勢(shì)，為此探索了一種改進(jìn)優(yōu)化的方法，即對(duì)稱確定使M給定互為反向，M給定調(diào)節(jié)周期均為T′的主配位置反饋中位值M1和M2，取其中間值作為M中。優(yōu)化改進(jìn)后，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

3.3 主配電氣中位直接整定功能軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)2.5 中一種主配電氣中位直接整定方法，繪制軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

為減少整定時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)提高整定結(jié)果準(zhǔn)確度，根據(jù)2.6 中一種主配電氣中位改進(jìn)型直接整定方法。繪制軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖10所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試

調(diào)速器增加主配電氣中位整定功能后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

將試驗(yàn)機(jī)組調(diào)速器控制方式切為電手動(dòng)運(yùn)行方式，比例閥和主配、接力器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成比例閥中位調(diào)整，并已準(zhǔn)確設(shè)定比例閥中位。導(dǎo)葉開(kāi)度開(kāi)至40%，模擬機(jī)組并網(wǎng)負(fù)載態(tài)，強(qiáng)制輸入機(jī)組轉(zhuǎn)速50 Hz信號(hào)，開(kāi)度給定值保持穩(wěn)定不變，主配電氣中位根據(jù)主配機(jī)械中位設(shè)定為16 595 后，進(jìn)行試驗(yàn)，M中調(diào)整周期初始階段為1 s，在整定過(guò)程中M給定調(diào)節(jié)周期小于T′后，調(diào)整為M給定調(diào)節(jié)周期，T′設(shè)為10 s，T″設(shè)為30 s，M給定調(diào)節(jié)周期初始值為25 s。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)波形圖見(jiàn)圖11。圖11中，藍(lán)色為M給定調(diào)節(jié)周期曲線，紅色為M中曲線。

4.3 試驗(yàn)分析

由圖11可見(jiàn)，第19.1 s，啟動(dòng)整定功能，M中以每1 s增加1個(gè)碼值的速度變化，第154.7 s檢測(cè)到T′大于主配調(diào)節(jié)周期后，M中以主配調(diào)節(jié)周期為周期，1 個(gè)碼值為步長(zhǎng)，逐漸減小，實(shí)時(shí)計(jì)算主配調(diào)節(jié)周期，直到第605.5 s，閾值T″開(kāi)始小于主配調(diào)節(jié)周期，記錄M1為16 689，M中恢復(fù)初設(shè)值16 595，然后M中以每1 s 減小1個(gè)碼值的速度變化，第949.9 s檢測(cè)到T′大于主配調(diào)節(jié)周期后，M中以主配調(diào)節(jié)周期為周期，1 個(gè)碼值為步長(zhǎng)，逐漸增加，實(shí)時(shí)計(jì)算主配調(diào)節(jié)周期，直到第1 527.7 s，閾值T″開(kāi)始小于主配調(diào)節(jié)周期，記錄M2為16 324，主配電氣中位最終的整定計(jì)算結(jié)果為16 506，整定結(jié)束。M中調(diào)整周期越長(zhǎng)，最終試驗(yàn)結(jié)果越精準(zhǔn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本技術(shù)成果革新了調(diào)速器檢修作業(yè)方法，替代了人工，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化作業(yè)，根本解決了機(jī)組運(yùn)行中，調(diào)速器主配和比例閥中位整定不準(zhǔn)確導(dǎo)致的主配頻繁調(diào)節(jié)問(wèn)題，提高了調(diào)速器智能化水平，實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)機(jī)制，提高檢修作業(yè)精度和檢修效率，為實(shí)現(xiàn)精益檢修，推動(dòng)水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，避免缺陷處理導(dǎo)致電站棄水和機(jī)組等效可用系數(shù)下降做出了貢獻(xiàn)。同時(shí)，對(duì)于提高發(fā)電效益，避免因設(shè)備問(wèn)題導(dǎo)致發(fā)生電網(wǎng)停電等影響社會(huì)民生的電力事故也有積極和深遠(yuǎn)的意義。