潘軍偉，蔡衛(wèi)江

（1.河南新華五岳抽水蓄能發(fā)電有限公司，河南 信陽 465450；2.南瑞集團有限公司(國網(wǎng)電力科學研究院)，江蘇 南京 211106）

0 引言

水電站調速器是控制水輪發(fā)電機組頻率和功率的核心設備，是機組穩(wěn)定和電網(wǎng)安全的重要保障。隨著水電廠智能化的發(fā)展及安全防措方面的要求，對大中型水電站調速器的技術要求越來越高。在某大型水電站調速器改造過程中，電站采用了多項新技術。根據(jù)能源局2014版《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》大中型水電站應具備“ 失電保護關機” 功能[1]，以及控制設備重要的反饋系統(tǒng)應采用三冗余配置[2]。本次改造在調速器主配壓閥保留的基礎上，對先導閥進行了優(yōu)化設計，保證了“失電保護關機”功能的實現(xiàn)。其次，在可靠性方面，增加了導葉及頻率反饋系統(tǒng)“三選一”冗余設計；針對機械式蠕動監(jiān)測裝置不可靠，改為電氣式雙齒盤探頭測量方案；在雙機切換方面，增加了第三方智能切換單元，保證切換的可靠性。同時，根據(jù)智能水電廠技術的發(fā)展，水輪機調速器作為單元層設備，必須具備與水電廠站控層的智能網(wǎng)絡通信功能[3]，設計了IEC 61850網(wǎng)絡通信接口以及數(shù)據(jù)建模方法，改造后設備依據(jù)國家標準進行了詳細的試驗和測試，以驗證調速器功能滿足設計要求。

1 掉電保護關機設計

根據(jù)《二十五項重點要求》規(guī)定：在水輪發(fā)電機組的保護和控制回路電壓消失時，使相關保護和控制裝置能夠自動動作關閉機組導水機構，即“ 失電動作” 規(guī)則。該水電站調速器原先設計為掉電自復中，即維持導葉不動的規(guī)則，后來通過方案優(yōu)化設計，在保證液壓系統(tǒng)原有功能不變的基礎上，只更換了一只切換閥，就實現(xiàn)了“ 失電動作”規(guī)則，具體如下：

該水電站調速器失電動作優(yōu)化設計液壓原理如圖1所示，方案是只更換現(xiàn)有切換閥，閥位機能如圖1所示，當切換閥線圈不得電時，選用比例伺服閥控制，切換閥線圈得電時，選用步進電機控制。當系統(tǒng)失電時，切換閥選通比例伺服閥，比例伺服閥則切換到掉電保護位，A、B控制腔均通回油，則主配壓閥上控制腔通回油，由于主配壓閥下控制腔通恒壓力油，實現(xiàn)主配壓閥掉電關閉。

圖1 水電站調速器失電動作優(yōu)化設計液壓原理圖

本方案簡單方便，不需要對液壓系統(tǒng)做較大改動，也不需要加工外部集成塊，且不存在電磁閥長期通電的情況，可靠性更高。

2 反饋三選一冗余設計

調速器反饋系統(tǒng)主要包括導葉接力器反饋和頻率反饋，反饋系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性和可靠性對調速器的控制和調節(jié)至關重要，在《二十五項重點要求》里也明確提出了反饋系統(tǒng)應該考慮“三選二”或“三選中”冗余模式[4]。電站調速器反饋系統(tǒng)原先只是按照雙冗余模式，本次改造按照新的要求反饋系統(tǒng)采用三冗余方式，具體如圖2、圖3所示。

圖2 測頻三選一原理圖

圖3 導葉變送器三選一輸入結構

圖2為測頻系統(tǒng)三冗余方式，主要采用機組PT、電網(wǎng)PT測頻、齒盤測頻三路信號，由于現(xiàn)場這些信號均可以獲取，只需要在程序上進行優(yōu)化，比較方便。目前主要考慮如下：開機、停機時，齒盤測頻和機組PT測頻互相冗余，90%以上高頻時采用PT，90%以下低頻采用齒盤；并網(wǎng)時，齒盤探頭、機組PT、電網(wǎng)PT測頻形成三冗余，且采用“三選優(yōu)”方式，如圖4所示，即正常情況下，優(yōu)先選擇機組PT，僅當機組PT故障時（越限、中斷等），才切換到電網(wǎng)PT測頻，同理，當電網(wǎng)PT也出現(xiàn)故障時，才切換到齒盤測頻。與“三選二”、“三選中”方式不同，這兩種方式正常情況下會存在信號頻繁切換，“三選優(yōu)”采用優(yōu)先級順序，正常時不切換，僅在主用信號故障時才進行切換?，F(xiàn)場由于齒盤加工精度和振動影響，探頭測值有微小跳動，不如PT信號穩(wěn)定，會影響測頻效果，故優(yōu)先級最低。

圖4 測頻信號三選一流程圖

圖3為導葉反饋三冗余方式，主要安裝3只導葉變送器A、B、C形成三冗余方式，其中控制器A和控制器B具有雙機網(wǎng)絡通信，可以互相交換導葉變送器A和B的數(shù)據(jù)，這樣控制器A和B均可以采集到變送器A、B、C的數(shù)值，軟件處理上同樣采用“三選優(yōu)”方式，其中直接采樣的導葉變送器做主用，優(yōu)先級最高，如A機優(yōu)先選擇變送器A，其次優(yōu)先級為公用變送器C，最后為雙機通信的變送器B數(shù)據(jù)（對A機來講）。考慮導葉變送器信號非常重要，若A機做主機運行時，變送器A和C均發(fā)生故障時，調速器將切換到手動運行。

3 機組蠕動監(jiān)測設計

水輪發(fā)電機組在靜止狀態(tài)下，導葉不可能完全密封，會存在少量漏水，使機組發(fā)生蠕動。如果不能及時捕捉到機組的這種潛動，并采取制動措施，就可能使機組長時間低速轉動而軸瓦燒壞，因此在靜止狀態(tài)下及時檢測機組的蠕動非常重要。原來的機組蠕動監(jiān)測裝置由1個可以轉動的探測桿和1個觸點組成，停機時一旦機組發(fā)生蠕動，大軸靠摩擦力帶動探測桿旋轉，探測桿則通過相關機構使觸點閉合，從而發(fā)出蠕動信號。其缺點是存在機械摩擦，時間長了會有磨損產(chǎn)生，且蠕動檢測精度不高[5]。

本次改造專門設計了一種無接觸式的蠕動檢測方法，見圖5所示，利用機組已有的測速齒盤，增加兩只蠕動檢測探頭，兩個探頭的安裝距離s小于1個齒間距，大于1個齒寬。信號分別輸入調速器電氣控制器A和控制器B的兩個開關量輸入口DI1、DI2，當機組靜止后，啟動蠕動監(jiān)測程序，監(jiān)測DI1和DI2輸入口的電平（高或低），并進行記錄；當檢測到DI1和DI2口的電平發(fā)送變化（高變低、低變高），則發(fā)出機組蠕動報警信號。

圖5 機組蠕動檢測示意圖

蠕動檢測的角度θ可以通過調整兩個探頭的距離s來確定：

可見，根據(jù)兩個探頭信號變化對機組在靜止狀態(tài)下的蠕動進行無接觸式檢測，可以解決機械式蠕動監(jiān)測方法精度不高、運行磨損等問題，具有可靠性高、精度好、調整方便等優(yōu)點，已經(jīng)在現(xiàn)場進行了測試和試驗。

4 第三方智能切換及邏輯設計

水電調速器控制一般都采用雙機冗余模式，雙機之間的切換和選擇非常重要，部分廠家采用簡單的繼電器邏輯來實現(xiàn)，存在切換邏輯簡單，難以適應復雜工況的情況。該水電站調速器電調柜選用兩套B&R公司X20系列的PCC模塊作為調速器的控制核心，選用歐姆龍的ZEN可編程智能繼電器作為仲裁單元，組成的A、B雙機冗余切換系統(tǒng)結構如圖6所示。所有的PCC模塊均為冗余配置，兩個調節(jié)器之間通過以太網(wǎng)接口進行通信，保證兩個調節(jié)器之間的信息冗余和相互切換時穩(wěn)定工作。控制器A和B同時各自處理采集的信號，一套處于主控模式，一套處于熱備用模式，當其中一套發(fā)生故障或需要檢修時，通過智能切換繼電器ZEN使另一套立即自動投入，實現(xiàn)無擾切換。

圖6 智能切換單元原理圖

智能切換單元切換邏輯設計如下：

（1）兩套系統(tǒng)狀態(tài)相同，可以手動選擇切換，例：A、B套均無故障，或A、B套均有較輕故障，或A、B套均處于調試態(tài)；

（2）一套系統(tǒng)故障、一套正常，裝置自動選擇正常一套（手動選擇無效），例：A套正常，B套有較輕故障，選擇A做主機；

（3）兩套系統(tǒng)均故障，裝置自動（按一般、嚴重故障）選擇故障較輕的一套（手選無效），例：A套有較輕故障，B套有較重故障，選擇A做主機；

（4）一套系統(tǒng)運行，一套在調試態(tài)，裝置自動選擇運行的一套輸出，例：A套處于運行，B套處于調試錄波狀態(tài)，選擇A做主機；

（5）一套系統(tǒng)運行正常，一套系統(tǒng)運行異常，裝置自動選擇運行正常的一套輸出。

5 智能化接口研究及設計

按照DL/T 1547-2016《智能水電廠技術導則》要求，智能調速裝置應具備獨立的IED地址，并能夠通過智能水電廠通信總線與過程層設備進行信息交互[6]。采用通信的方式進行全廠的控制、調節(jié)和運行，通過IEC 61850 標準MMS協(xié)議的應用，實現(xiàn)與其它智能電子裝置及一體化管控平臺的通信，要求調速控制設備必須具備支持IEC 61850 MMS網(wǎng)的接口[7]。

該水電站調速器改造網(wǎng)絡通信設計方案參見圖7，系統(tǒng)采用兩套X20PCC控制器和1套中間切換單元，1套人機界面為控制核心，配置IEC 61850通信網(wǎng)關（PC910工控機）,輔助網(wǎng)絡交換機等設備組成。兩套控制器和監(jiān)控上位機的通信采用IEC 61850協(xié)議接入MMS網(wǎng)，其方式為： PC910工控機作為通信網(wǎng)關設備，安裝IEC 61850服務端軟件實現(xiàn)與MMS網(wǎng)的通信，MMS以太網(wǎng)通過通信網(wǎng)關，分別連接到控制器1和2。監(jiān)控系統(tǒng)下傳調速器的信息主要包括水頭、功率設定值等，調速器上傳的信息主要包括開度、功率、頻率、故障報警信息等，均采用IEC 61950標準建立數(shù)據(jù)模型進行通信，通信效率大大提高。

圖7 調速器網(wǎng)絡通信設計方案

6 現(xiàn)場試驗

調速器改造后依據(jù)國家和電力行業(yè)標準，由大唐水電研究院開展了全面的靜態(tài)、動態(tài)現(xiàn)場試驗，包括靜特性、開停機、空載擾動、甩負荷等，這里介紹比較典型的靜特性試驗和動態(tài)甩負荷試驗。

6.1 靜特性試驗

調速器靜態(tài)特性試驗主要用于檢測調速系統(tǒng)靜態(tài)情況下的綜合性能，通過輸入穩(wěn)定的頻率偏差信號，逐次增大或減小輸入控制信號，測量相應的導葉接力器輸出位移，繪制其靜態(tài)特性曲線，求取調速器的轉速死區(qū)，校核轉差系數(shù)Bp等指標?，F(xiàn)場調速器靜特性試驗情況見圖8、圖9，參數(shù)整定如下：Kp=10(中間值)，Ki=10(最大值)，Kd=0，bp(調差系數(shù))=4%，F(xiàn)g(頻給)=50.00 Hz，L（開限）=100%，E（死區(qū)）=0，導葉開度初始值為50%，

圖8 靜特性曲線（A機伺服比例閥）

圖9 靜特性曲線（B機步進電機）

圖8為A機主用采用比例伺服閥控制的情況，圖9為B機主用采用步進電機控制的情況。測試結果如下：關方向非線性度0.20%，永態(tài)轉差系數(shù)bp=6.01%；開方向非線性度0.20%，永態(tài)轉差系數(shù)bp=5.99%，轉速死區(qū)ix=0.004 8%。GB/T 9652.1-2019規(guī)定，對于大中型水輪機調節(jié)系統(tǒng)，在轉差系數(shù)Bp等于6%條件下，轉速死區(qū)應小于0.02%。A、B機測試結果均符合最新國家標準中相關要求。

6.2 機組甩負荷試驗

甩負荷試驗主要考察機組在遇到電網(wǎng)事故、或機組本身事故突然與系統(tǒng)解列時，調速器在大波動過程中的調節(jié)性能。一般方法為：將調速器空載及負載調節(jié)參數(shù)置于選定值，在額定負荷的25%、50%、75%、100%下分別進行甩負荷試驗，記錄機組轉速、接力器行程、蝸殼進口水壓、尾水管進口水壓及發(fā)電機定子電流等信號的過渡過程?，F(xiàn)場調速器甩負荷試驗共進行了3次，進行了甩25%、75%、100%負荷試驗，詳細記錄見表1及圖10、圖11。

表1 甩負荷試驗記錄結果

圖10為機組甩25%負荷過程，按照國家標準GB/T 9652.1-2019要求，甩負荷不動時間應不超過0.2 s，本次試驗，從機組定子電流消失到導葉接力器動作的時間為0.2 s，沒有超過國家標準規(guī)定。圖11為機組甩100%負荷情況，記錄了機組轉速、開度、蝸殼水壓等變化信息，從錄波圖可以看出，調節(jié)次數(shù)為0.5次，調節(jié)時間為31 s，各項指標均優(yōu)于國標GB/T 9652.1-2019相關規(guī)定（調節(jié)次數(shù)小于2次，調節(jié)時間小于40 s）。

圖10 甩25%負荷試驗錄波

圖11 甩100%負荷試驗錄波

7 結語

本次改造實現(xiàn)了掉電自動保護關機、反饋系統(tǒng)三選一冗余、機組蠕動監(jiān)測、第三方智能切換、調速器智能化通信及建模等多項技術革新，大大提高了調速器的可靠性和技術先進性，通過現(xiàn)場靜特和動態(tài)試驗，驗證了改造后調速器的性能和功能，優(yōu)于國家標準要求，并具備智能水電廠相關接口和功能，為水輪機調速器新技術在大型水電站的示范應用奠定了良好基礎，并取得了較好的突破。