二選一容錯(cuò)控制技術(shù)在抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度反饋中的應(yīng)用

陳 偉，符彥青

（海南蓄能發(fā)電有限公司，海南省瓊中縣 572926）

二選一容錯(cuò)控制技術(shù)在抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度反饋中的應(yīng)用

陳 偉，符彥青

（海南蓄能發(fā)電有限公司，海南省瓊中縣 572926）

導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值是調(diào)速器PID閉環(huán)控制單元的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)之一。導(dǎo)葉開(kāi)度反饋容錯(cuò)處理技術(shù)對(duì)于調(diào)速器系統(tǒng)至關(guān)重要。結(jié)合惠州抽水蓄能電站調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際，本文介紹了一種優(yōu)化的導(dǎo)葉開(kāi)度反饋容錯(cuò)技術(shù)，即二選一容錯(cuò)控制技術(shù)。該容錯(cuò)技術(shù)能實(shí)時(shí)精準(zhǔn)識(shí)別開(kāi)度反饋傳感器主要故障，并自動(dòng)切換至備用傳感器選值。模擬測(cè)試和運(yùn)行記錄表明該改進(jìn)技術(shù)能有效提高調(diào)速器導(dǎo)葉開(kāi)度反饋容錯(cuò)能力。

二選一；調(diào)速器；容錯(cuò)技術(shù)

0 引言

調(diào)速系統(tǒng)是水電站機(jī)組的核心控制設(shè)備之一，其主要功能是調(diào)節(jié)機(jī)組的有功功率、保證水輪機(jī)機(jī)組的頻率穩(wěn)定以及維持電力系統(tǒng)負(fù)荷平衡。水輪機(jī)調(diào)速器是由微機(jī)控制單元、液壓機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)對(duì)象組成的PID控制系統(tǒng)。

導(dǎo)葉是PID閉環(huán)系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)對(duì)象，而導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值是該閉環(huán)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。

在每個(gè)導(dǎo)葉接力器上都安裝2個(gè)導(dǎo)葉開(kāi)度反饋傳感器，用于滿足機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度測(cè)量的冗余性。導(dǎo)葉開(kāi)度反饋容錯(cuò)邏輯是保證開(kāi)度值是否準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵技術(shù)之一。

結(jié)合惠州抽水蓄能電站調(diào)速器實(shí)際，本文分析了原容錯(cuò)邏輯的缺陷，并介紹了一種優(yōu)化的導(dǎo)葉開(kāi)度反饋容錯(cuò)技術(shù)。新的二選一容錯(cuò)控制技術(shù)，滿足了容錯(cuò)判定的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

1 調(diào)速器導(dǎo)葉原開(kāi)度反饋容錯(cuò)邏輯介紹

惠州抽水蓄能電站，共安裝8臺(tái)30萬(wàn)kW可逆式抽水蓄能發(fā)電機(jī)組。調(diào)速器采用NEYPRIC公司供貨的數(shù)字式電液調(diào)速器。

UPC是調(diào)速器的核心單元，用于給定相應(yīng)的導(dǎo)葉接力器的設(shè)定值。SPC為接力器控制器，用于接受UPC發(fā)出的接力器設(shè)定值，通過(guò)控制導(dǎo)葉接力器的動(dòng)作來(lái)達(dá)到調(diào)整導(dǎo)葉開(kāi)度的目的。導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值是SPC的主要反饋量。

惠州抽水蓄能電站機(jī)組為單導(dǎo)葉控制，每臺(tái)機(jī)組有20個(gè)導(dǎo)葉。在各導(dǎo)葉上均安裝有兩個(gè)開(kāi)度反饋傳感器，一個(gè)為主用傳感器，另一個(gè)為備用。主備用傳感器容錯(cuò)邏輯：當(dāng)主用傳感器信號(hào)丟失時(shí)（即主用傳感器工作電流在4～20mA區(qū)間之外），SPC才從備用傳感器獲取反饋值。

上述容錯(cuò)邏輯忽視了多種可能發(fā)生的傳感器故障，例如傳感器反饋值跳變等現(xiàn)象，存在嚴(yán)重技術(shù)缺陷?；葜莩樗钅茈娬驹啻伟l(fā)生導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器反饋值跳變，由于主用傳感器故障時(shí)工作電流仍在工作電流區(qū)間，SPC未能及時(shí)從備用傳感器獲取反饋值，最終調(diào)速器設(shè)定值與反饋值不一致，觸發(fā)機(jī)組故障停機(jī)。

2 調(diào)速器導(dǎo)葉新開(kāi)度反饋容錯(cuò)邏輯介紹

導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值容錯(cuò)控制，指無(wú)論機(jī)組在何種工況下運(yùn)行，當(dāng)開(kāi)度反饋信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)速器均應(yīng)能繼續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)和工況轉(zhuǎn)換控制，繼續(xù)維持機(jī)組安全運(yùn)行。

容錯(cuò)的目的是能容忍單個(gè)傳感器故障而導(dǎo)致的故障信號(hào)的存在，使故障信號(hào)不會(huì)或盡可能少地危及調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行。二選一容錯(cuò)技術(shù)是指當(dāng)調(diào)速器導(dǎo)葉主用傳感器發(fā)生各種故障時(shí)，導(dǎo)葉開(kāi)度測(cè)控裝置SPC主動(dòng)精準(zhǔn)快速識(shí)別故障，并無(wú)擾切換至備用傳感器選值。當(dāng)主用傳感器故障復(fù)歸后，SPC應(yīng)自動(dòng)切回至主用傳感器選值。上述的二選一容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)傳感器故障判斷的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性有嚴(yán)格要求。

2.1 主動(dòng)識(shí)別故障

主動(dòng)識(shí)別是指機(jī)組運(yùn)行中導(dǎo)葉開(kāi)度測(cè)控單元SPC智能分析主用傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)快速識(shí)別傳感器各類故障。根據(jù)惠州抽水蓄能電站機(jī)組四年來(lái)運(yùn)行記錄，導(dǎo)葉開(kāi)度反饋傳感器故障狀態(tài)分以下三種：

2.1.1 傳感器信號(hào)丟失（Signal lost）

當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度反饋傳感器出現(xiàn)斷線故障時(shí)，輸出信號(hào)丟失。通常表現(xiàn)為工作電流為0，即低于最小工作電流4mA。

2.1.2 傳感器反饋值過(guò)快變化（too fast detection）

電液轉(zhuǎn)換器通過(guò)閥芯移動(dòng)控制接力器，開(kāi)啟腔和關(guān)閉腔的油壓是由專用油壓裝置產(chǎn)生，壓力平穩(wěn)。調(diào)整同等區(qū)間開(kāi)度時(shí)，電液轉(zhuǎn)換器調(diào)整導(dǎo)葉開(kāi)度的時(shí)間是一致的。例如從90%開(kāi)度調(diào)整到50%與從70%調(diào)整到30%，調(diào)整區(qū)間都是40%，調(diào)整時(shí)間是一致的。導(dǎo)葉開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)程中接力器位移速率穩(wěn)定，即導(dǎo)葉調(diào)整時(shí)開(kāi)度值變化斜率是一個(gè)固定值。

若監(jiān)測(cè)到機(jī)組運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值過(guò)快變化，即偏離導(dǎo)葉實(shí)際物理位移變化速率過(guò)大，則可判定導(dǎo)葉開(kāi)度反饋傳感器出現(xiàn)故障。

2.1.3 傳感器反饋值過(guò)慢變化（too slow detection）

若導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)整過(guò)程中，導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值過(guò)慢變化或停滯，可判定導(dǎo)葉開(kāi)度反饋傳感器出現(xiàn)故障。

圖1是導(dǎo)葉開(kāi)度反饋故障識(shí)別邏輯框圖。當(dāng)識(shí)別到主用傳感器（Main sensor）信號(hào)丟失（signal lost）、過(guò)快跳變（too fast derivation）、過(guò)慢變化或停滯（too slow derivation）時(shí)，報(bào)警變量SE1_MES為1。備用傳感器（Standby sensor）故障識(shí)別邏輯與主用傳感器完全一致。

當(dāng)主用傳感器和備用傳感器同時(shí)發(fā)生故障，即報(bào)警信號(hào)SE_MES出現(xiàn)時(shí)，機(jī)組將立即故障停機(jī)。

2.2 無(wú)擾切換

當(dāng)識(shí)別到主用傳感器發(fā)生上述任一故障情況后，導(dǎo)葉接力器控制器SPC無(wú)擾切換至備用傳感器選值，避免出現(xiàn)導(dǎo)葉調(diào)整的振蕩。主備用傳感器切換邏輯如圖2所示。

2.3 自動(dòng)恢復(fù)

當(dāng)故障傳感器被人工修復(fù)并手動(dòng)復(fù)位報(bào)警后，測(cè)量裝置SPC自動(dòng)切回至正常傳感器選值。

3 二選一容錯(cuò)邏輯測(cè)試

T-SOFT是NEYPRIC調(diào)速器配套的調(diào)試平臺(tái)。該平臺(tái)能夠調(diào)整調(diào)速器PID控制參數(shù)、查看調(diào)速器報(bào)警信息、選取參數(shù)進(jìn)行錄波。該平臺(tái)具備多通道參數(shù)錄波功能，是測(cè)試二選一容錯(cuò)邏輯的理想環(huán)境。

測(cè)試時(shí)隨機(jī)抽取一個(gè)導(dǎo)葉，把電流發(fā)生器接入導(dǎo)葉對(duì)應(yīng)的SPC輸入端，以便模擬主用或備用傳感器工作電流。工作電流由可設(shè)定函數(shù)的電流發(fā)生器產(chǎn)生。電流發(fā)生器能夠準(zhǔn)確模擬出開(kāi)度傳感器反饋值丟失、過(guò)快或過(guò)慢變化等情況。因此，靜態(tài)測(cè)試平臺(tái)能夠驗(yàn)證傳感器測(cè)量故障發(fā)生故障識(shí)別、無(wú)擾切換和自動(dòng)恢復(fù)等容錯(cuò)邏輯是否準(zhǔn)確。測(cè)試平臺(tái)錄波參數(shù)見(jiàn)表1。

SE_POS是SPC的開(kāi)度反饋值，從主用傳感器SE1_SCA和SE2_SCA中選值，默認(rèn)選擇SE1_SCA。

測(cè)試平臺(tái)錄波參數(shù)見(jiàn)表1。

3.1 故障模擬：主用傳感器信號(hào)丟失

測(cè)試目的：驗(yàn)證主用傳感器斷線故障時(shí)SPC故障識(shí)別、無(wú)擾切換和自動(dòng)恢復(fù)等容錯(cuò)邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值CSC為61.0%。

測(cè)試方法：拔掉主用傳感器電源接線，模擬斷線故障。

圖3為主用傳感器斷線故障時(shí)各主要參數(shù)波形曲線。由圖可以看出，44.20s時(shí)刻，主用傳感器出現(xiàn)斷線故障，SE1_SCA從0.61階躍到0，此時(shí)調(diào)速器SPC已主動(dòng)識(shí)別故障并提示小報(bào)警信號(hào)OU_R129，經(jīng)過(guò)30ms延時(shí)，導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值SE_POS自動(dòng)切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.2 故障模擬：導(dǎo)葉傳感器反饋值上行過(guò)快變化

測(cè)試目的：驗(yàn)證導(dǎo)葉傳感器反饋值上行過(guò)快變化時(shí)SPC故障識(shí)別、無(wú)擾切換和自動(dòng)恢復(fù)等容錯(cuò)邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值CSC為61.0%。

測(cè)試方法：模擬主用傳感器反饋值上行過(guò)快變化，工作電流值從12.00mA向上階躍到15m.00A，歷時(shí)1s。

圖4為主用傳感器反饋值上行過(guò)快變化時(shí)各主要參數(shù)波形曲線。在5.67s時(shí)刻，主用傳感器反饋值SE1_SCA開(kāi)始向上快速變化，持續(xù)20ms時(shí)SPC已識(shí)別故障并提示小報(bào)警信號(hào)OU_R129。跳變持續(xù)150ms后，導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值SE_POS主動(dòng)切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.3 故障模擬：導(dǎo)葉傳感器反饋值下行過(guò)快變化

測(cè)試目的：驗(yàn)證導(dǎo)葉傳感器反饋值下行過(guò)快變化時(shí)SPC故障識(shí)別、無(wú)擾切換和自動(dòng)恢復(fù)等容錯(cuò)邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值CSC為61.0%。

測(cè)試方法：模擬主用傳感器下行快速變化，電流值由12.00mA下行階躍到8.00mA，歷時(shí)1.00s。

圖5為主用傳感器反饋值下行過(guò)快變化時(shí)各主要參數(shù)波形曲線。由圖可以看出，4.29s時(shí)刻，主用傳感器開(kāi)始快速向下跳變，跳變持續(xù)20ms調(diào)速器SPC已主動(dòng)識(shí)別到故障并提示小報(bào)警信號(hào)OU_R129，跳變持續(xù)150.00ms后，導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值SE_POS主動(dòng)切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.4 故障模擬：導(dǎo)葉傳感器反饋值上行過(guò)慢變化

測(cè)試目的：驗(yàn)證導(dǎo)葉傳感器反饋值上行過(guò)慢變化時(shí)SPC故障識(shí)別、無(wú)擾切換和自動(dòng)恢復(fù)等容錯(cuò)邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值CSC為61.0%。

測(cè)試方法：主用傳感器電流值由12.00mA上行慢速變化到20.00mA，歷時(shí)10.00s。

圖6為主用傳感器反饋值過(guò)慢向上變化時(shí)各主要參數(shù)錄波曲線。由圖可以看出，52.35s時(shí)刻，主用傳感器開(kāi)始過(guò)慢向上變化，持續(xù)20.00ms調(diào)速器SPC已主動(dòng)識(shí)別到故障并提示小報(bào)警信號(hào)OU_R129，跳變持續(xù)20.00s后，導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值SE_POS自動(dòng)切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.5 主用傳感器反饋值下行過(guò)慢變化測(cè)試

測(cè)試目的：驗(yàn)證導(dǎo)葉傳感器反饋值下行過(guò)慢變化時(shí)SPC故障識(shí)別、無(wú)擾切換和自動(dòng)恢復(fù)等容錯(cuò)邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值CSC為61.0%。

測(cè)試方法：主用傳感器電流值由12.00mA下行慢速變化到4.00mA，歷時(shí)10.00s。

同3.4導(dǎo)葉傳感器反饋值上行過(guò)慢變化試驗(yàn)一樣，由于水電機(jī)組運(yùn)行時(shí)功率調(diào)整頻繁，導(dǎo)葉開(kāi)度微調(diào)使用普遍，該處容錯(cuò)邏輯謹(jǐn)慎考慮，即主用傳感器反饋值過(guò)慢變化持續(xù)一定時(shí)間才應(yīng)進(jìn)行選值切換。

4 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)葉開(kāi)度容錯(cuò)處理技術(shù)是調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。結(jié)合惠州抽水蓄能電站調(diào)速器實(shí)際，本文提出的二選一導(dǎo)葉開(kāi)度量測(cè)容錯(cuò)技術(shù)，能快速準(zhǔn)確偵測(cè)開(kāi)度量測(cè)傳感器常見(jiàn)故障，包括斷線、測(cè)量值過(guò)快跳變或/和過(guò)慢變化，并主動(dòng)切換至備用傳感器選值。該技術(shù)滿足了容錯(cuò)判定和決策的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，能有效提高調(diào)速器導(dǎo)葉開(kāi)度量測(cè)容錯(cuò)能力。模擬測(cè)試和運(yùn)行記錄證明了該方法的有效性。

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2017-02-15

2017-05-20

陳 偉（1984—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速器控制技術(shù)等。E-mail： chenvi@163．com

符彥青（1981—），男，漢族，高級(jí)工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站繼電保護(hù)、調(diào)速器控制技術(shù)等。E-mail：fyqqc727@163．com

Application of Redundancy Technology of Picking One from Two in Guide Vane Opening Measuring System in Pumped Storage Power station

CHEN Wei，F(xiàn)U Yanqing
（Hainan pumped storage company，Qiongzhong 572926，China）

The value of wicket gate position sensors is an important feedback to the governor closed-loop control system. The faulttolerant technology of wicket gate position measurement is essential to the governor system. In this paper，an improved guide vane measurement of fault-tolerant technology is introduced. Common fault of position sensor can be detected accurately，such as a wire lost detection on the main sensor，too fast deviation from sensors and too slow deviation from sensors. The faults caused a switchover Speed governor will automatically switch to select a value from non-fault sensor. Field tests and long time run on the speed governor show that the improved technology can effectively improve fault tolerance of wicket gate position measurement.

picking one from two; speed governor; fault tolerance

TV72

A學(xué)科代碼：570．15

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．019