淺談冗余控制在水輪機調(diào)速系統(tǒng)中的應用

盧舟鑫，常中原，鄧 勇，池成虎，劉 歡

（中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓644612）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，必須根據(jù)負荷的變化不斷地調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組的有功功率輸出，以維持機組轉(zhuǎn)速（頻率）在規(guī)定范圍內(nèi)，這就是水輪機調(diào)速器的基本任務。其中，水輪機調(diào)速器調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣關(guān)系到水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能，隨著水電廠無人值班、少人值守的趨向性，水輪機調(diào)速系統(tǒng)的性能可靠度已經(jīng)成為水輪機調(diào)速器調(diào)節(jié)品質(zhì)的關(guān)鍵指標之一。

控制系統(tǒng)的冗余分為硬件冗余和軟件冗余。其中，硬件冗余主要由兩部分組成，其一是控制器本身的冗余，其二是傳感器和執(zhí)行器的冗余。軟件冗余也由兩部分組成，其一是執(zhí)行次數(shù)冗余，其二是軟邏輯冗余[1]。

本文基于冗余控制的可靠性分析，針對目前大型水輪機調(diào)速系統(tǒng)中的實際控制方式，通過調(diào)速系統(tǒng)控制器冗余、電源冗余、傳感器冗余以及執(zhí)行器冗余等，討論分析了冗余控制的必要性，對于調(diào)速器可靠性研究有著十分重要的意義。

1 冗余控制可靠性研究

可靠性是安全性的一個方面，它與系統(tǒng)處于危險方式下的隨機故障有關(guān)。假設為單元件系統(tǒng)，當系統(tǒng)內(nèi)某一元件發(fā)生故障時，是不能進行現(xiàn)場在線更換的，因此有必要對系統(tǒng)進行冗余控制。冗余系統(tǒng)由元件并聯(lián)構(gòu)成，并聯(lián)的元件應具有完全一致的功能，只有這樣，才能確保冗余控制的有效性。

可靠性常用的指標可用單元系統(tǒng)可靠度R（t）、平均無故障時間MTBF來表示[2]。

單元系統(tǒng)可靠度R（t）和平均無故障時間MTBF表示公式為：

其中：λ為單元件失效率。

n次冗余系統(tǒng)的可靠性計算公式為：

表1 冗余系統(tǒng)可靠性指標

由表1可知，隨著冗余次數(shù)的增加，MTBF值相應增大。從單冗余系統(tǒng)到雙冗余系統(tǒng)，其平均無故障時間MTBF增幅為：

（3（/2λ）-1/λ）（/1/λ）×100%=50%

從雙冗余系統(tǒng)到三冗余系統(tǒng)，其平均無故障時間MTBF增幅為：

（11/（6λ）-3/（2λ））/3/（2λ）×100%=22%

由圖1可知，隨著冗余次數(shù)的增加，平均無故障時間MTBF增幅值明顯變小，因此我們在設計系統(tǒng)冗余度的同時，不能無限的增加冗余次數(shù)。假設λt=0.1，并定義工作可靠度要求不小于99.9%，由公式（3）可得n≥2.937[3]。故選擇三冗余系統(tǒng)就能很好的滿足系統(tǒng)工作可靠度的要求。

圖1 平均無故障時間增幅曲線圖

2 冗余設計在水輪機調(diào)速系統(tǒng)中的應用

2.1 微機冗余控制設計

目前大型水輪機調(diào)速系統(tǒng)均設計為冗余雙微機調(diào)節(jié)器，其中CPU、電源模塊、輸入模塊、輸出模塊、測頻單元均為雙冗余結(jié)構(gòu)。微機調(diào)節(jié)器采用兩套獨立的微機控制器（A+B）實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)，通過現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)通信實現(xiàn)雙機數(shù)據(jù)交換和雙機無擾切換，切換前后調(diào)速器狀態(tài)及工況保持不變，且切換前后導葉位置反饋無明顯波動。

目前，冗余雙微機調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略大體相同，均采用主、備運行方式。當主機工作故障時，自動無擾切換至備用機工作，當兩套控制系統(tǒng)均故障時，調(diào)速器自動切換至機手動運行模式，此時可以通過步進電機手輪純手動操作導葉位置。

雙微機調(diào)節(jié)器（A+B）分別與其相對應的液壓系統(tǒng)相配合，其方式基本分為2類：步進電機式無油自復中伺服系統(tǒng)+比例閥伺服系統(tǒng)組成的電液隨動系統(tǒng)和雙比例閥伺服系統(tǒng)組成的電液隨動系統(tǒng)。

2.2 電源冗余控制設計

為確保機組運行安全可靠，降低機組運行時非計劃停運的風險，對調(diào)速器電源冗余的設計要求較高。針對調(diào)速器電源可靠性的問題，分別對調(diào)速器電氣柜和控制柜設置了級別較高的電源冗余控制系統(tǒng)。

某大型水電站，調(diào)速器電氣柜提出采用1交2直交叉冗余的電源配置方式，即輸入電源為一路交流供電AC 220 V，兩路直流供電DC 220 V，輸入交直流電源220 V互為備用，開關(guān)電源交叉冗余合成控制和公共DC 24 V電源，其DC 24 V電源與外部供電電源為完全隔離，保證調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部電源可靠性。雙機控制實現(xiàn)完全獨立供電，任何1套微機控制器出現(xiàn)電源故障，不影響另外1套微機控制器正常運行。調(diào)速器電氣柜1交2直交叉冗余的電源配置如圖2所示。

圖2 一交兩直交叉冗余電源配置結(jié)構(gòu)圖

調(diào)速器控制柜采用1交1直交叉冗余的電源配置方式，其交直流電源220 V互為備用，開關(guān)電源交叉冗余合成雙套控制器電源和公共供電電源，其中，RIO遠程子站配置2塊可累加電源模塊，配置在機架的左右兩側(cè)，進行左右冗余配置。

2.3 傳感器冗余控制設計

導葉位置傳感器是調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)執(zhí)行情況的重要判據(jù)，也是調(diào)速器開度調(diào)節(jié)結(jié)果的最終反映。機組頻率測量的準確性是維持機組轉(zhuǎn)速（頻率）在規(guī)定范圍內(nèi)的重要保障。故通過冗余控制實現(xiàn)測量環(huán)節(jié)的準確性和可靠性顯得尤為重要。

某大型水電站，目前導葉位置傳感器結(jié)構(gòu)布置為“一對一”結(jié)構(gòu)，即A套導葉位置傳感器采樣值上送A套控制器，B套導葉位置傳感器采樣值上送B套控制器，監(jiān)控系統(tǒng)導葉位置傳感器單獨上送監(jiān)控系統(tǒng)。此配置方法可以保證單套傳感器故障不影響另1套傳感器的數(shù)據(jù)采樣，2套控制系統(tǒng)實現(xiàn)完全的相互獨立。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 導葉位置傳感器配置結(jié)構(gòu)圖

某大型水電站，整個測頻部分有4路輸入：1路機端PT信號、1路電網(wǎng)PT信號、齒盤雙探頭測頻信號，輸出為兩路測值量：機頻和網(wǎng)率。其中機端PT信號與雙探頭測頻信號為測量機組頻率而設，它們之間相互冗余配置。機組開機時優(yōu)先使用齒盤測頻，另外兩路測頻信號作為后備，同樣，機組并網(wǎng)時優(yōu)先使用機端PT信號測頻，另外兩路測頻信號作為后備。

2.4 執(zhí)行器冗余控制設計

由于國內(nèi)水電站現(xiàn)場液壓油清潔度難以保證，因此，解決隨動系統(tǒng)的可靠性是關(guān)鍵問題。因液壓油清潔度的問題，可能造成調(diào)速器液壓系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)換器件，如比例閥發(fā)卡、堵塞的現(xiàn)象發(fā)生，即有可能出現(xiàn)偶然性故障。為了使液壓系統(tǒng)運行可靠，故采用冗余的容錯控制系統(tǒng)，加入對液壓油清潔度要求不高的步進電機控制方式，并綜合比例閥形成雙執(zhí)行器冗余控制系統(tǒng)，對于大型水輪機調(diào)速系統(tǒng)的控制是一種適宜的選擇。

對于電液轉(zhuǎn)換部件的冗余 ，以比例伺服閥+步進電機為例說明具體配置：某大型水電廠，采用德國BOSCH高性能比例閥+日本三洋五相步進電機作為電液轉(zhuǎn)換單元，冗余電－液轉(zhuǎn)換，控制調(diào)速器的自動、電手動運行方式。

在比例伺服閥自動運行工況時，比例伺服閥是輸出信號壓力油的主要元件，控制主配壓閥活塞運動輸出壓力能，來操縱接力器。在步進電機自動運行工況時，步進電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為機械的直線位移輸出，驅(qū)動引導閥上下運動，通過主配壓閥液壓放大輸出壓力能，來操縱接力器。

當調(diào)速器交、直流電源發(fā)生故障時，電機直線位移轉(zhuǎn)換器能保證主配壓閥自復中，維持水輪機導葉在故障前的位置，并可使用純機械手動安全停機。

3 冗余控制的建議及改進措施

3.1 微機冗余控制改進建議

目前大多數(shù)調(diào)速器控制系統(tǒng)均為雙冗余結(jié)構(gòu)，其反饋信號與控制器為“一對一”結(jié)構(gòu)。調(diào)速器正常工作時，2套控制器中1套主用，另1套備用，由于二者內(nèi)部程序、參數(shù)及從外部采集的數(shù)字量、模擬量信號以及頻率信號完全一致，如果雙機采集信息不一致，則會嚴重影響機組運行的可靠性?；谏鲜銮闆r，通過引入觸摸屏作為協(xié)處理器，對調(diào)速器電調(diào)部分主備雙機采集的數(shù)字量和模擬量信號進行一致性判斷，以提高數(shù)據(jù)采集和機組控制的可靠性和準確性[4]。

為了更近一步提高調(diào)速器控制系統(tǒng)的可靠性，可以采用交叉冗余的控制結(jié)構(gòu)。通過不同控制器模塊之間狀態(tài)標志位進行邏輯異或判斷，狀態(tài)位為“1”表示該模塊工作正常，狀態(tài)位為“0”表示該模塊故障，如若出現(xiàn)雙機模塊狀態(tài)位不一致，則異或結(jié)果為“真”，表明該模塊故障，通過觸摸屏向操作人員報警，并進行雙套控制器隸屬模塊的重新匹配。交叉冗余控制結(jié)構(gòu)可以容忍雙機隸屬的不同名模塊故障，通過交叉構(gòu)成1套正常的控制器，使控制器能正常工作。交叉冗余控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 交叉冗余控制結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 傳感器冗余控制改進的建議及實現(xiàn)

3.2.1 導葉位置傳感器的冗余改造

針對目前“一對一”導葉位置傳感器的結(jié)構(gòu)布置，當發(fā)生傳感器連接底座滑塊脫落或者松動時，則可能造成雙機模擬量采集信息全失效的情況，此時無法判斷采集信息的真?zhèn)?，進而造成機組運行可靠性大幅降低。

“三選二”控制邏輯是比較合理的選擇方式，它能克服二重系統(tǒng)不辯真?zhèn)蔚娜毕?，其安全性和可靠性均保持在較高的水平。

改造后的導葉位置傳感器結(jié)構(gòu)布置如下：將監(jiān)控系統(tǒng)導葉位置傳感器信號C通過二分器引一路至調(diào)速器控制器，再經(jīng)二分器送至A、B套控制器，A、B套控制器各自均設有獨立的導葉位置傳感器A和B進行信號采集?！叭x二”導葉位置傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 “三選二”導葉位置傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 測頻信號選擇的冗余改造

某大型水電站，轉(zhuǎn)速裝置原程序中，當采集到某一探頭信號超過1.9 Hz后，即進入轉(zhuǎn)速裝置開機態(tài)，此時即有轉(zhuǎn)速信號輸出。此種配置方法會造成機組停機，轉(zhuǎn)速降為零轉(zhuǎn)速后，由于傳感器本體或齒帶加工精度的原因，其產(chǎn)生的不穩(wěn)定信號造成強制開機的異常結(jié)果。

通過對轉(zhuǎn)速裝置開/停機狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件做“三選二”冗余選擇處理，即在機頻、齒盤1、齒盤2三路頻率信號中有兩路滿足開/停機條件，轉(zhuǎn)速裝置才會進入開/停機狀態(tài)，并且在停機狀態(tài)執(zhí)行后，屏蔽頻率輸出通道，以此規(guī)避因某一路測頻出現(xiàn)異常導致轉(zhuǎn)速裝置異常輸出的情況。通過頻率“三選二”冗余選擇處理后，機組運行至今均未發(fā)生過因轉(zhuǎn)速跳變而造成轉(zhuǎn)速裝置異常開機的現(xiàn)象。傳感器冗余選擇控制邏輯流程圖如圖6所示。

圖6 傳感器冗余選擇控制邏輯流程圖

3.3 中間元件冗余控制的改造實現(xiàn)

中間元件，如中間繼電器、熱繼電器、定時器等在調(diào)速器控制回路中有著十分重要的功能。

基于某水電站實際改造為例，某水電站機組調(diào)速器電氣柜停機報警輸出信號和控制柜直流公用24 V電源監(jiān)視為單一跳閘出口信號，該跳閘信號來源于單一繼電器接點輸出（繼電器常勵磁，常閉接點輸出），存在控制電源失電或繼電器故障導致設備誤動的風險。

此前，該水電站調(diào)速器停機報警信號跳閘出口條件為：調(diào)速器停機報警（非并網(wǎng)態(tài)延時5 s或并網(wǎng)態(tài)非機手動控制方式延時5 s）。通過改造后，增加A、B套兩路繼電器接點輸出，動作出口邏輯優(yōu)化方法為：2套調(diào)速器停機報警信號均為1時，非并網(wǎng)態(tài)延時5 s或并網(wǎng)態(tài)非機手動控制方式延時5 s觸發(fā)二類機械事故停機。通過增加中間繼電器個數(shù)，采用雙元件冗余控制方法，進而避免因單一元件本體故障而導致的異常事故發(fā)生。

4 結(jié)語

隨著水電機組單機容量的逐步增大，相應的自動控制系統(tǒng)設計需求更加嚴格，目前絕大多數(shù)大型水電站在調(diào)速器的硬件配置上均設有冗余控制邏輯，但在控制策略上還存在著不足和急需改進的地方。本文分別對控制器冗余、電源冗余、傳感器冗余以及執(zhí)行器冗余配置方法進行了詳細介紹，并通過改造建議和實例應用，對冗余控制的邏輯完善做了更進一步的闡述，希望對水電站調(diào)速器相關(guān)專業(yè)的維護人員有一定的借鑒意義。