高壩洲電廠調(diào)速器系統(tǒng)優(yōu)化改造

李尹罡，黃安國(guó)

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

湖北清江高壩洲水電站位于湖北省宜都市境內(nèi)，為清江梯級(jí)電站的最后一級(jí)，上距隔河巖水電站50 km，下距清江與長(zhǎng)江匯合處12 km。是隔河巖水電站的反調(diào)節(jié)電站。河床式廠房?jī)?nèi)安裝有3臺(tái)單機(jī)容量90 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。機(jī)組額定水頭均為32.5 m，額定轉(zhuǎn)速125 r/m，導(dǎo)葉接力器行程890 mm，槳葉接力器行程240 mm，是典型的高水頭軸流轉(zhuǎn)槳式雙調(diào)機(jī)組[1]。水輪機(jī)為東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的ZZD231-LH-580型機(jī)組，調(diào)速器系統(tǒng)機(jī)調(diào)柜與電調(diào)柜分離布置，電調(diào)柜安裝于副廠房單控室，位于發(fā)電機(jī)層，機(jī)調(diào)柜安裝于廠房水輪機(jī)層，兩柜間電纜敷設(shè)距離約40 m[2]。電調(diào)柜內(nèi)控制器為Modicon Premium系列PLC，采用A/B兩套熱備冗余控制。調(diào)速器導(dǎo)葉、槳葉電液轉(zhuǎn)換裝置均為自復(fù)中伺服電機(jī)，伺服系統(tǒng)為Panasonic MINAS A4系列伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)。

1 高壩洲電廠機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)現(xiàn)狀

1)伺服驅(qū)動(dòng)器至伺服電機(jī)控制電纜過長(zhǎng)，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常發(fā)生控制脈沖丟失、控制指令不準(zhǔn)確的問題?？刂泼}沖丟失會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致調(diào)速器控制精度變差，機(jī)組導(dǎo)葉、槳葉和有功功率都無法達(dá)到目標(biāo)值，難以滿足華中電網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則中關(guān)于調(diào)節(jié)精度方面的考核要求，在每年汛期機(jī)組連續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行期間，該問題尤為突出，嚴(yán)重影響到了機(jī)組的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行。

2)一次調(diào)頻PID調(diào)節(jié)參數(shù)無法單獨(dú)設(shè)置，改善一次調(diào)頻的響應(yīng)特性和動(dòng)作特性困難，難以滿足《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》中5.3.9水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻階躍響應(yīng)的要求。

3)電源設(shè)計(jì)存在缺陷，采用兩路交流加一路直流的供電方式，但實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)交流電源易混入直流電源中，對(duì)整個(gè)廠用直流系統(tǒng)產(chǎn)生危害，并導(dǎo)致直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置報(bào)警。

4)作為調(diào)速器關(guān)鍵元器件的頻率采樣板故障率高，且廠家對(duì)殘壓測(cè)頻板件及齒盤測(cè)頻板件已升級(jí)，備品備件只能定制，采購周期長(zhǎng)，成本高，品質(zhì)無法保障。使用的Modicon Premium型PLC已停產(chǎn)，后續(xù)的備件采購困難，該款PLC通訊功能較差，曾多次出現(xiàn)通訊卡故障。調(diào)速器電調(diào)柜觸摸屏備件無法購置，舊型號(hào)觸摸屏已停產(chǎn)。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致觸摸屏老化、響應(yīng)慢、死機(jī)情況嚴(yán)重。

2 高壩洲電廠調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化改造

1)更換機(jī)組調(diào)速器電調(diào)柜，含柜內(nèi)全部電氣元器件，新系統(tǒng)采用施耐德Modicon M340系列PLC。新增調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)LCU的Modbus TCP/IP通信功能，對(duì)調(diào)速器的信號(hào)進(jìn)行雙重化上送，使監(jiān)控系統(tǒng)能夠得到更加全面的調(diào)速器的信息。

2)優(yōu)化了電源設(shè)計(jì)，交、直流電源冗余供電，交流電源經(jīng)過隔離變壓器和整流元件后可實(shí)現(xiàn)與廠用直流系統(tǒng)物理隔離，徹底避免了交流竄入直流系統(tǒng)的可能。

3)增加了試驗(yàn)功能，在現(xiàn)地觸摸屏上就可以完成檢修試驗(yàn)。導(dǎo)葉、槳葉的零位和滿度調(diào)校。調(diào)速器導(dǎo)葉、槳葉控制指令跟蹤試驗(yàn)，調(diào)速器可根據(jù)在觸摸屏上輸入的指令自動(dòng)調(diào)整導(dǎo)葉和槳葉的開度至指定開度。調(diào)速器空載擾動(dòng)試驗(yàn)也可以通過觸摸屏操作來完成。

4)優(yōu)化一次調(diào)頻PID調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。將空載、負(fù)載和孤網(wǎng)模式下的一次調(diào)頻參數(shù)分別設(shè)置，以滿足各種工況下的運(yùn)行要求。優(yōu)化測(cè)頻板的配置，將殘壓測(cè)頻和齒盤測(cè)頻功能集成在一塊電路板上，提高其穩(wěn)定性并降低了造價(jià)。調(diào)速器A、B套之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享?？蛇M(jìn)行A、B套齒盤測(cè)頻、殘壓測(cè)頻的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比較，若其中一組采樣頻率與其他三組有明顯差異時(shí)，程序?qū)⑵帘伪窘M采樣頻率的使用，能夠使調(diào)速器頻率采樣更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

5)更換機(jī)組調(diào)速器機(jī)調(diào)柜柜體及伺服系統(tǒng)，將正在使用的松下伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)整體更換。因高壩洲電廠機(jī)組調(diào)速器電調(diào)柜與機(jī)調(diào)柜距離超過40 m，為防止脈沖衰減和受到干擾，伺服系統(tǒng)安裝了專用的金屬線槽并敷設(shè)了高屏蔽電纜。伺服系統(tǒng)選用施耐德伺服系統(tǒng)，在調(diào)速器PLC至伺服驅(qū)動(dòng)器間增加一個(gè)差分放大模塊。該系列伺服系統(tǒng)支持超過100 m的長(zhǎng)距離運(yùn)行。差分放大模塊接線圖1所示。

圖1 差分放大模塊接線圖

差分放大模塊可以將PLC輸出的24 V集電極開路信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS422標(biāo)準(zhǔn)的差分信號(hào)，提供給伺服驅(qū)動(dòng)器所需的差分脈沖信號(hào)，差分信號(hào)抗干擾能力比集電極信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)。可以全隔離，也可以不全隔離。該模塊安裝在靠近PLC的地方，這樣可以發(fā)揮差分信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)且抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

3 高壩洲電廠調(diào)速器系統(tǒng)優(yōu)化改造后的效果

高壩洲水電站調(diào)速器系統(tǒng)優(yōu)化后采用施耐德Modicon M340型PLC，該系列PLC與同系列大型PLC平臺(tái)Modicon Quantum一樣從屬于Unity軟件平臺(tái)。而電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用的是Modicon Quantum系列PLC。這樣的配置大大方便了后期的維護(hù)和檢修工作。并且電站維護(hù)人員自主完成了施耐德Modicon M340型PLC與監(jiān)控系統(tǒng)LCU施耐德Quantum之間的Modbus TCP/IP通信調(diào)試，優(yōu)化了機(jī)組調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)間的信號(hào)上送的形式，在不增加電纜的情況下，豐富了上送信號(hào)的類型和數(shù)量，且可維護(hù)性更好，使監(jiān)控系統(tǒng)能夠得到更加全面的調(diào)速器信息，便于運(yùn)行維護(hù)人員的監(jiān)視和控制。

優(yōu)化了程序編寫方式，采用參數(shù)化結(jié)構(gòu)編寫調(diào)速器控制流程，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員可以實(shí)時(shí)在人機(jī)界面上對(duì)空載、負(fù)載、孤網(wǎng)三種工況的一次調(diào)頻和PID參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)置，方便現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和調(diào)試。在投產(chǎn)試驗(yàn)時(shí)邀請(qǐng)湖北電科院對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)開展了建模試驗(yàn)和一次調(diào)頻試驗(yàn)[3]。試驗(yàn)結(jié)果顯示電站調(diào)速系統(tǒng)各參數(shù)設(shè)置正確，一次調(diào)頻功能性能良好?？蛰d、負(fù)載、孤網(wǎng)各種模式下的性能均滿足國(guó)家能源局《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置調(diào)整試驗(yàn)導(dǎo)則》中的相關(guān)要求[4]。

采用的差分放大模塊運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好，提高了脈沖信號(hào)的定位控制準(zhǔn)確性和可靠性。3臺(tái)機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)運(yùn)行正常，機(jī)組頻率及有功控制穩(wěn)定，未出現(xiàn)伺服系統(tǒng)脈沖丟失、控制指令錯(cuò)誤等異常狀況，導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系正確。徹底解決了調(diào)速器導(dǎo)葉、槳葉伺服電機(jī)控制電纜過長(zhǎng)控制脈沖易丟失的問題。

電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化后調(diào)速器采用一路交流一路直流的供電方式，電源經(jīng)過交直隔離，運(yùn)行良好。在投產(chǎn)試驗(yàn)中對(duì)增加的試驗(yàn)功能進(jìn)行了充分的驗(yàn)證，其功能滿足日常維護(hù)中的試驗(yàn)要求。尤其是空載擾動(dòng)試驗(yàn)，在舊的系統(tǒng)中做空載擾動(dòng)試驗(yàn)需要修改控制程序，存在誤改程序、機(jī)組飛逸的風(fēng)險(xiǎn)。改造后在調(diào)速器觸摸屏上即可完成試驗(yàn)，數(shù)值一目了然，并且在程序中對(duì)目標(biāo)頻率進(jìn)行了限制，設(shè)置超出限制的值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警并拒絕執(zhí)行指令。提高了調(diào)速器系統(tǒng)的防誤能力。對(duì)頻率比較程序也進(jìn)行了多次驗(yàn)證，模擬各種頻率采樣故障，控制程序均能夠發(fā)現(xiàn)問題，屏蔽故障，并選擇正確的頻率采樣通道穩(wěn)定調(diào)速器控制。大大提高了調(diào)速器頻率采樣的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

高壩洲水電站調(diào)速系統(tǒng)在完成了優(yōu)化后，解決了之前存在的所有問題。是一次成功的系統(tǒng)優(yōu)化。其中伺服系統(tǒng)中差分放大模塊的應(yīng)用可以為其他同類伺服系統(tǒng)提供改造經(jīng)驗(yàn)。