龍灘水電站調(diào)速器水頭信號處理程序優(yōu)化

蔣亮,藍(lán)義瑋,何良超

(1、龍灘水電開發(fā)有限公司，廣西天峨5473002、廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣西南寧530023)

0 前言

龍灘電站自2007年第一臺機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，至今距一期工程7臺機(jī)組全部發(fā)電已兩年多，機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)運(yùn)行情況總體穩(wěn)定，滿足設(shè)計和運(yùn)行要求。該調(diào)速器具備根據(jù)水頭信號自動識別參數(shù)功能，可以根據(jù)水頭大小自動選擇開機(jī)過程中導(dǎo)葉第一開度限制值、第二開度限制值和機(jī)組并網(wǎng)過程中逆功率導(dǎo)葉開度限制值。由于投產(chǎn)初期上、下游水位計工作不穩(wěn)定，且調(diào)速器本身的水頭信號品質(zhì)判斷和邏輯處理功能不完善，在水頭信號故障情況下會影響機(jī)組的正常開、停機(jī)操作。龍灘電站投產(chǎn)初期，調(diào)速器在開機(jī)過程中防止機(jī)組過速的兩條開機(jī)開限曲線和逆功率保護(hù)曲線只適用于某特定水頭段(額定水頭)，對于水頭變幅不大時不會產(chǎn)生影響。而龍灘水電站水輪機(jī)最小、最大水頭分別為97 m、179m，水頭變幅達(dá)到82m，即使在龍灘一期375m正常蓄水水位下，近年來的水頭變化也在100m～155m之間，水頭變幅特別大。另外，龍灘電站在南方電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)，日負(fù)荷峰谷相差巨大，最大時達(dá)到4500MW，尾水水位日變化明顯，高峰時段與低谷時段比較尾水水位變幅達(dá)到6～8m，造成機(jī)組水頭隨全站負(fù)荷變化明顯。

而不同水頭下調(diào)速器的開限值和逆功率值相差甚大，維護(hù)人員須及時根據(jù)機(jī)組水頭的變化更改額定水頭參數(shù)下對應(yīng)的開限值和逆功率值以保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，否則會影響機(jī)組正常同期并網(wǎng)和停機(jī)解列停機(jī)。特別是在上游水位變化快、全站負(fù)荷峰谷差大時，不得不安排維護(hù)人員利用夜間低谷停機(jī)時進(jìn)行此項(xiàng)工作，大大增加了維護(hù)人員的工作量和維護(hù)難度。

鑒于調(diào)速器在運(yùn)行中存在的上述問題，向調(diào)速器設(shè)備制造廠家提出優(yōu)化調(diào)速器電氣柜PLC程序，完善水頭信號采集功能，使調(diào)速器能夠自動根據(jù)水頭變化調(diào)整其導(dǎo)葉開限及逆功率參數(shù)，使問題得到了解決。

1 龍灘水電站調(diào)速器系統(tǒng)

龍灘水電站調(diào)速器系統(tǒng)由調(diào)速器電氣柜、調(diào)速器機(jī)械控制柜、接力器及其管道系統(tǒng)以及壓力油及泵站系統(tǒng)組成。其中調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)裝置由兩套T.SLG型雙冗余微機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)器、一套控制工控機(jī)和HMI觸摸屏顯示器組成。每套T.SLG型調(diào)節(jié)器由一個UPC(轉(zhuǎn)速控制單元)和一個SPC(位置控制單元)組成，其中一套主用，另一套熱備用。當(dāng)調(diào)節(jié)器發(fā)生故障時，對應(yīng)故障通道UPC故障燈被點(diǎn)亮，同時通過繼電器將該通道故障信號送給監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)行人員可在觸摸屏上看到其對應(yīng)的故障代碼。調(diào)節(jié)器故障分為大故障和小故障，小故障出現(xiàn)后，調(diào)速器故障通道能繼續(xù)運(yùn)行，待小故障(水頭故障除外)在故障消除后小故障燈自動熄滅，故障報警消除；大故障出現(xiàn)后，調(diào)速器故障通道退出運(yùn)行，進(jìn)行切換，且大故障在故障消除后故障燈仍然保持，需要通過UPC模塊上的故障復(fù)歸按鈕來將故障復(fù)歸。由于水頭信號其容錯功能主要靠軟件來實(shí)現(xiàn)，且只要在軟件上保證不會因?yàn)樗^信號發(fā)生故障而影響導(dǎo)葉開度變化較大，則水頭信號不會對調(diào)速器的運(yùn)行產(chǎn)生惡劣影響，故將水頭故障列為小故障，由于此信號較為重要，故故障時需要人員確認(rèn)后手動復(fù)歸。

2 龍灘機(jī)組水頭參數(shù)的作用

龍灘機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量巨大，為了避免機(jī)組在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時間偏長，可能破壞推力瓦與推力鏡板間的油膜導(dǎo)而致推力瓦受損，導(dǎo)葉必須能迅速開啟到較大開度，使機(jī)組能快速通過低轉(zhuǎn)速區(qū)，導(dǎo)葉啟動開度應(yīng)較大；同時為了能使機(jī)組在開啟后能較快穩(wěn)定在50Hz，縮短開機(jī)并網(wǎng)時間，導(dǎo)葉開啟時開度也不能過大，否則會導(dǎo)致機(jī)組在前期開機(jī)速度過快，出現(xiàn)大的超調(diào)，導(dǎo)致調(diào)節(jié)時間偏長而影響開機(jī)過程，甚至?xí)霈F(xiàn)開機(jī)過程中機(jī)組過速等情況。為此，龍灘調(diào)速器在開機(jī)過程中也對導(dǎo)葉開度進(jìn)行了限制，即導(dǎo)葉實(shí)際開度不能超過其相應(yīng)階段的開限參數(shù)值。其他電站機(jī)組一般采用開機(jī)后保持啟動開限，直到機(jī)組頻率達(dá)到45Hz，再轉(zhuǎn)入調(diào)速器PID控制計算調(diào)節(jié)。龍灘調(diào)速器開機(jī)控制有所不同，它采用兩段式開機(jī)模式，即在調(diào)速器獲得開機(jī)令后，迅速將導(dǎo)葉打開至第一開度(也稱啟動開度，相應(yīng)的開度限制叫啟動開限)，待機(jī)組頻率到達(dá)35Hz時，轉(zhuǎn)入第二開限(也稱空載開限)，參數(shù)設(shè)置上第二開限較第一開限小，故機(jī)組在進(jìn)入第二開限后頻率上升速度較前一段慢，但第二開限又比空載開度大，使機(jī)組頻率仍然能較快上升，在機(jī)組頻率達(dá)到48.5Hz后，轉(zhuǎn)入調(diào)速器PID控制計算調(diào)節(jié)，這樣能夠使機(jī)組很快穩(wěn)定在額定頻率50Hz，為機(jī)組迅速并網(wǎng)發(fā)電做好準(zhǔn)備。

由于機(jī)組在不同水頭下的啟動開限和空載開限不同，為了使機(jī)組在各個水頭下均能迅速開機(jī)、并網(wǎng)，調(diào)速器內(nèi)部設(shè)置各水頭下對應(yīng)的第一開限和第二開限兩條曲線參數(shù)，通過統(tǒng)計機(jī)組在各個水頭下開機(jī)過程，將各水頭下對應(yīng)的第一開限和第二開限輸入數(shù)據(jù)表中，軟件根據(jù)輸入數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)自動擬合兩條開限曲線。

為了防止機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行和減負(fù)荷時導(dǎo)葉開度低于空載開度導(dǎo)致機(jī)組逆功率運(yùn)行，調(diào)速器增加了逆功率保護(hù)功能，即在調(diào)速器內(nèi)部設(shè)置各水頭下對應(yīng)的逆功率曲線，此曲線中某一水頭下對應(yīng)的逆功率保護(hù)開度值略大于機(jī)組在該水頭下的導(dǎo)葉空載開度值，這樣在機(jī)組并網(wǎng)使調(diào)速器獲得并網(wǎng)令時機(jī)組實(shí)際的導(dǎo)葉開度不能低于對應(yīng)水頭下的逆功率曲線開度值，這樣在機(jī)組并網(wǎng)和調(diào)整負(fù)荷時都能使機(jī)組在發(fā)出有功模式運(yùn)行，不會出現(xiàn)逆功率運(yùn)行，保障機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 水頭參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)

針對機(jī)組調(diào)速器存在的問題，提出修改電氣柜PLC程序要求，以增加水頭自動識別功能。增加此功能后對機(jī)組正常運(yùn)行主要存在以下風(fēng)險:機(jī)組并網(wǎng)時，由于水頭信號不穩(wěn)定使機(jī)組導(dǎo)葉開度變化從而導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷不穩(wěn)定。針對此風(fēng)險采取的主要措施是通過以下控制邏輯圖(如圖1)進(jìn)行優(yōu)化完善水頭信號的容錯邏輯功能，保障水頭信號真實(shí)、可靠，且在發(fā)生故障時，水頭突變量較小。

圖1 調(diào)速器水頭功能控制邏輯圖

水頭信號首先由機(jī)組公用監(jiān)控部分分別采集上、下游水位信號，并通過濾波、延時后在變化速度、突變量等方面對采集到的水位信號正確性進(jìn)行判斷，若信號均正確則做差值計算機(jī)組當(dāng)前水頭，并將該水頭值輸出至AGC，AGC根據(jù)當(dāng)前水頭值對機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷優(yōu)化和調(diào)節(jié)，當(dāng)運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)AGC水頭值異常時，可將其切為由運(yùn)行人員手動輸入水頭值至AGC，機(jī)組LCU正確讀取AGC中的水頭值，并將機(jī)組當(dāng)前水頭信號以4～20mA模擬量方式輸出至調(diào)速器。

為了防止信號回路斷線后無水頭信號可用，在接收監(jiān)控水頭信號后，調(diào)速器水頭參數(shù)CH_RAW開始對4～20mA模擬量水頭信號開始實(shí)時采集，并將采集電流量與3mA進(jìn)行比較，若低于3mA表示信號錯誤，調(diào)速器報“HEADFAULT”水頭小故障，同時調(diào)速器水頭值切換為CH_REPLI(顯示為默認(rèn)水頭值135m)。若采集量大于3mA時認(rèn)為水頭信號正確，并將采集的電流信號轉(zhuǎn)換為水頭值，通過邏輯圖中參數(shù)IN_AM_LV(4mA時對應(yīng)水頭為90m)和IN_AM_HV(20mA時對應(yīng)水頭為180 m)確定，同時為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)比較和計算，調(diào)節(jié)器內(nèi)部將水頭值轉(zhuǎn)換成一小數(shù)參與程序運(yùn)算，通過邏輯圖中參數(shù)IN_AM_LC(90m水頭時對應(yīng)數(shù)值為0)和IN_AM_HC(180m水頭時對應(yīng)數(shù)值為1)確定。為了防止水頭信號因受干擾等因素導(dǎo)致信號不穩(wěn)、突變量大等情況出現(xiàn)，須經(jīng)過濾波(濾波時間參數(shù)IN_CH_TF)和延時(延時時間參數(shù)CH_TDY)處理后將水頭值儲存(Valuestored)，待下次采集水頭值到達(dá)時與先前存儲水頭值進(jìn)行差值運(yùn)算并取絕對值(Abs)，將絕對值與參數(shù)CH_DB(水頭變化速率)進(jìn)行比較，若絕對值大，則認(rèn)為水頭偏差大，調(diào)速器報“HEADFAULT”水頭小故障，同時將前一時刻儲存水頭值輸出(即保持之前水頭值不變，不響應(yīng)當(dāng)前水頭變化)。圖中“ACK”為UPC面板上的故障復(fù)歸按鈕，當(dāng)調(diào)速器報水頭小故障后水頭信號恢復(fù)正常時，按此按鈕即可將故障復(fù)歸，并將調(diào)速器水頭顯示切換為調(diào)速器當(dāng)前實(shí)時采集水頭。

4 水頭參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)后的效果

通過修改水頭參數(shù)控制邏輯后的模擬試驗(yàn)及隨后的實(shí)際運(yùn)行表明，完善后的根據(jù)水頭信號自動識別參數(shù)的功能完全能滿足調(diào)速器自動根據(jù)水頭變化調(diào)整其導(dǎo)葉開限使機(jī)組能安全、穩(wěn)定地開、停機(jī)的要求，保障機(jī)組正常運(yùn)行。

但通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該邏輯圖仍然存在一個小的缺陷:即在機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時若水頭變化偏差過大，調(diào)速器報“HEADFAULT”水頭小故障，并保持先前水頭不變，若此時直接將水頭故障復(fù)歸，由于水頭變化引起機(jī)組導(dǎo)葉在并網(wǎng)情況下的逆功率限制開度值變化導(dǎo)致導(dǎo)葉開度會出現(xiàn)變化，從而改變機(jī)組的出力，負(fù)荷變化大小由水頭變化量決定。對此，通過2號機(jī)組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出其變化關(guān)系。在機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷約130MW情況下，模擬水頭變化(水頭由監(jiān)控手動寫值后發(fā)出)，其中機(jī)組實(shí)際水頭為113m，機(jī)組導(dǎo)葉開度及負(fù)荷隨水頭變化表如表1:

以上水頭變化后調(diào)速器均報“HEADFAULT”水頭小故障，水頭、導(dǎo)葉開度和機(jī)組負(fù)荷均保持故障前值，手動按調(diào)速器＂ACK＂按鈕復(fù)歸小故障后水頭、導(dǎo)葉開度和機(jī)組負(fù)荷相應(yīng)變?yōu)楸碇屑^后數(shù)據(jù)。從以上數(shù)據(jù)表中可以看出，當(dāng)水頭變化約10m時導(dǎo)葉開度變化約1%，負(fù)荷變化不到10MW，此負(fù)荷變化相對于龍灘機(jī)組來說，是很小的，是可以接受的。此外，由于調(diào)速器水頭參數(shù)是從監(jiān)控AGC中讀取，AGC已能準(zhǔn)確反映當(dāng)前實(shí)時水頭，而且運(yùn)行人員會一直監(jiān)視AGC水頭值，故調(diào)速器水頭參數(shù)出現(xiàn)大的跳變的可能性不大。因此上述的小缺陷在實(shí)際中對機(jī)組運(yùn)行幾乎沒有影響。

5 結(jié)語

從對水頭參數(shù)信號優(yōu)化改進(jìn)后的實(shí)際情況看，龍灘機(jī)組未出現(xiàn)過因水頭信號導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷波動和開、停機(jī)異常情況，不用再根據(jù)水頭修改機(jī)組的開限參數(shù)，大大減輕了維護(hù)人員和運(yùn)行人員工作量。這說明龍灘機(jī)組水頭參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)是成功的，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。