“三取二”冗余測(cè)量技術(shù)在金沙水電站調(diào)速器中的應(yīng)用

安勇

摘要：為提高水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性，以金沙水電站為例，利用“三取二”冗余技術(shù)，測(cè)量了水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組調(diào)速器轉(zhuǎn)速（頻率）、功率、開度等重要控制信號(hào)，分析了信號(hào)采集、邏輯判斷、控制方法。結(jié)果表明：在水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)應(yīng)用該方法可得到調(diào)速控制系統(tǒng)中導(dǎo)葉接力器及機(jī)組功率最真實(shí)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)中數(shù)據(jù)故障判斷處理的功能。優(yōu)化設(shè)計(jì)的調(diào)速器測(cè)量反饋系統(tǒng)比傳統(tǒng)配置方式更加可靠。研究成果可為提高水電站調(diào)速系統(tǒng)可靠性和機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定水平提供支撐。

關(guān)鍵詞：“三取二”冗余測(cè)量技術(shù); 調(diào)速器; PLC控制器; 金沙水電站

中圖分類號(hào)：TV734.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.018

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）03 - 0082 - 04

0 引 言

金沙水電站是金沙江中游十級(jí)水電樞紐規(guī)劃的第九級(jí)，位于金沙江中游攀枝花西區(qū)河段。金沙水電站為徑流引水式，安裝了4×14萬(wàn)kW的軸流轉(zhuǎn)漿式水力發(fā)電機(jī)組，于2020年11月實(shí)現(xiàn)首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，調(diào)速器采用南京南瑞集團(tuán)SAFR-2000H型雙微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。該調(diào)速器微機(jī)部分以PCCX20控制器為核心，雙CPU配置;機(jī)械液壓部分以比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，主配閥采用自動(dòng)復(fù)中功能;電源、控制模塊等均采用了雙冗余配置，尤其是調(diào)速器的轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度、有功功率等測(cè)量按照國(guó)家電網(wǎng)公司《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》要求，采用了“三取二”冗余反饋技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用使得調(diào)速器反饋采集可靠性大大提高，機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行得到了可靠保證。本文介紹了金沙水電站采用“三取二”冗余測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)的調(diào)速器轉(zhuǎn)速、功率、開度等重要控制信號(hào)。

1 “三取二”控制理念

國(guó)家電網(wǎng)公司《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》（2019年修訂版）“防止機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)事故”中，明確提出“水輪機(jī)調(diào)速器的轉(zhuǎn)速、功率、開度等重要控制信號(hào)應(yīng)冗余配置，冗余I/O測(cè)點(diǎn)應(yīng)分配在不同模件上。上述信號(hào)參與設(shè)備或機(jī)組保護(hù)時(shí)應(yīng)采用獨(dú)立測(cè)量的‘三取二’邏輯判斷方式，作用于模擬量控制時(shí)應(yīng)采用三取中值的方式進(jìn)行優(yōu)選”。根據(jù)上述要求，水電站機(jī)組調(diào)速器需滿足以下技術(shù)條件。

（1） 調(diào)速器頻率信號(hào)冗余配置，采用獨(dú)立測(cè)量的“三取二”的邏輯判斷方式，以三取中值的方式進(jìn)行優(yōu)選;

（2） 調(diào)速器導(dǎo)葉開度信號(hào)冗余配置，冗余I/O測(cè)點(diǎn)分配在不同模件上，采用獨(dú)立測(cè)量的“三取二”的邏輯判斷方式，以三取中值的方式進(jìn)行優(yōu)選;

（3） 調(diào)速器有功功率信號(hào)冗余配置，冗余I/O測(cè)點(diǎn)分配在不同模件上，采用獨(dú)立測(cè)量的“三取二”的邏輯判斷方式，以三取中值的方式進(jìn)行優(yōu)選。

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、有功功率調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量非常重要，而轉(zhuǎn)速、有功功率的控制主要由調(diào)速器來(lái)完成，其調(diào)節(jié)性能的好壞對(duì)整個(gè)電廠的供電品質(zhì)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵[1-2]，而大部分水電站調(diào)速器出現(xiàn)的事故主要與各類反饋信號(hào)異常有關(guān)，轉(zhuǎn)速、功率、導(dǎo)葉開度反饋信號(hào)故障均可能造成調(diào)速器的異常動(dòng)作或不動(dòng)作，造成機(jī)組事故擴(kuò)大。水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)均采用雙PLC加雙測(cè)量元件配置方式，即使有3套PLC的冗余配置，但仍然出現(xiàn)了單個(gè)元件故障后造成負(fù)荷波動(dòng)的情況。究其原因是調(diào)速器控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)量元件出現(xiàn)諸如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)失靈、信號(hào)失真等“軟”性缺陷缺少故障判斷。因此，有必要對(duì)此類故障進(jìn)行專題研究和預(yù)防。

在實(shí)際控制系統(tǒng)中，兩個(gè)元件同時(shí)出現(xiàn)故障的概率相對(duì)較小，但單個(gè)元件的故障是無(wú)法避免的，因此，必須盡可能確保在控制系統(tǒng)出現(xiàn)“單個(gè)元件故障”時(shí)機(jī)組能正常運(yùn)行。除了PLC外，水輪機(jī)調(diào)速器中重要的控制元件主要包括導(dǎo)葉開度傳感器、功率變送器和測(cè)頻裝置。在目前的常規(guī)配置中，這些元件均采用雙套配置，每套PLC均單獨(dú)有一套開度傳感器、功率變送器和測(cè)頻裝置，實(shí)際上相當(dāng)于兩套控制系統(tǒng)且其相互之間均有故障接點(diǎn)反饋。這種配置存在控制漏洞，特別是出現(xiàn)“軟”性缺陷時(shí)，控制系統(tǒng)將無(wú)法做出正確的判斷。

針對(duì)需求穩(wěn)定運(yùn)行的水力發(fā)電機(jī)組，“三取二”功能提出一種提高水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行可靠性的調(diào)速系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)方法，目的是使水力發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)應(yīng)用該方法得到調(diào)速控制系統(tǒng)中導(dǎo)葉接力器以及機(jī)組功率最真實(shí)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)中數(shù)據(jù)故障判斷處理的功能。為了達(dá)到“三取二”的目的，針對(duì)調(diào)速采集系統(tǒng)，采用在水力發(fā)電機(jī)組的水輪機(jī)接力器或機(jī)組功率變送器上裝設(shè)3個(gè)以上傳感器，這些傳感器用于測(cè)量水輪機(jī)運(yùn)行中實(shí)際接力器行程或機(jī)組功率，采用4～20 mA輸出信號(hào)以計(jì)算得到采樣計(jì)算值。

可靠的調(diào)速系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)方法的特征在于：選取信號(hào)y作為特征參數(shù)來(lái)描述其統(tǒng)計(jì)特性和計(jì)算特性。根據(jù)其特征在水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的反饋信號(hào)，采用“三取二”和“三取中”邏輯判斷取值方式。

采用“三取二”邏輯判斷取值， 即對(duì)3個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行“三取二”的表決方式，來(lái)綜合決定最終使用的反饋信號(hào)。調(diào)速系統(tǒng)正常運(yùn)行的主套控制系統(tǒng)和正常備用的從套均采取3個(gè)反饋信號(hào)，從中選取信號(hào)大小相近或經(jīng)計(jì)算、換算得到反饋實(shí)際信號(hào)接近的2個(gè)傳感器反饋信號(hào)，進(jìn)行平均值運(yùn)算或其他運(yùn)算，得到控制用的表征機(jī)組開度或機(jī)組功率實(shí)際位置的信號(hào)，作為最終的開度和機(jī)組功率反饋控制信號(hào)。

調(diào)速系統(tǒng)正常運(yùn)行的主套控制系統(tǒng)和正常備用的從套均采取3個(gè)傳感器反饋信號(hào)，在3個(gè)控制信號(hào)中，選取大小為中間值或經(jīng)過(guò)換算得到傳感器中間值的反饋實(shí)際信號(hào)，用該中間值反饋信號(hào)表征機(jī)組導(dǎo)葉開度或用機(jī)組功率實(shí)際位置的信號(hào)作為最終的導(dǎo)葉開度或機(jī)組功率反饋控制信號(hào)。

2 “ 三取二” 控制理念在金沙水電站的應(yīng)用

2.1 金沙水電站概況

金沙水電站是金沙江中游十級(jí)水電樞紐規(guī)劃的第九級(jí)，位于金沙江中游攀枝花西區(qū)河段，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，距攀枝花市區(qū)11.0 km，下距銀江水電站壩址21.3 km。工程以發(fā)電為主，同時(shí)兼有供水、改善城市水域景觀和取水條件等綜合效益。

金沙水電站樞紐主要建筑物由混凝土重力壩、河床式電站廠房及泄洪消能等建筑物組成。從左岸至右岸依次為：左岸非溢流壩段（含魚道）、河床式電站廠房、河床表孔溢流壩段、縱向圍堰壩段、右岸表孔溢流壩段、生態(tài)放水孔壩段、右岸非溢流壩段，共15個(gè)壩段，壩軸線長(zhǎng)392.5 m，最大壩高66 m，正常蓄水位1 022 m，死水位1 020 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容1 120萬(wàn)m3，水庫(kù)具有日調(diào)節(jié)能力，通過(guò)2條220 kV線路接入國(guó)網(wǎng)四川電網(wǎng)。主廠房中安裝4臺(tái)單機(jī)容量為14萬(wàn)kW的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為56萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量為21.77億kW·h 。

2.2 “三取二”控制理念在調(diào)速器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.2.1 “三取二”控制理念優(yōu)化原因

金沙水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)于2018年5月完成，設(shè)計(jì)初期是按雙PLC加雙測(cè)量元件進(jìn)行配置，調(diào)速器控制系統(tǒng)的兩套調(diào)節(jié)器通過(guò)信號(hào)分配模塊，分別送至兩套PLC。系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在兩套傳感器信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，由于系統(tǒng)無(wú)法正確判斷出哪一路信號(hào)出現(xiàn)了問(wèn)題，控制系統(tǒng)只能選擇保持現(xiàn)狀或直接啟動(dòng)事故停機(jī)。若要解決這一問(wèn)題，必須再增加一路傳感器信號(hào)，采用“少數(shù)服從多數(shù)”的“三取二”機(jī)制進(jìn)行綜合判斷，即控制器接入三路傳感器信號(hào)，當(dāng)任何一路信號(hào)與其他兩路的信號(hào)差值過(guò)大時(shí)，則判斷此路信號(hào)故障，控制系統(tǒng)將自動(dòng)屏蔽故障信號(hào)繼續(xù)正常運(yùn)行并報(bào)警。由此可以看出：“三取二”的控制理念能較圓滿地解決目前常規(guī)控制方式存在的缺陷。2018年11月，國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》新要求后，及時(shí)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效避免了調(diào)速器控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)量元件出現(xiàn)諸如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)失靈、信號(hào)失真等“軟”性缺陷缺少故障判斷的現(xiàn)象，滿足反事故技術(shù)要求。

2.2.2 “三取二”控制理念實(shí)施

（1） 優(yōu)化設(shè)計(jì)前調(diào)速器測(cè)量信號(hào)的配置。① 機(jī)組配置兩個(gè)導(dǎo)葉位移傳感器，通過(guò)信號(hào)分配模塊，將兩個(gè)導(dǎo)葉位移信號(hào)分別送至A套PLC以及B套PLC;② 機(jī)組配置一路功率反饋信號(hào)，由監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)，通過(guò)信號(hào)分配模塊，分別送至A套PLC以及B套PLC;③ 機(jī)組A套PLC與B套PLC分別獨(dú)立配置一路殘壓、兩路齒盤探頭。圖1為優(yōu)化設(shè)計(jì)前調(diào)速器控制系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)配置示意。

（2） 優(yōu)化設(shè)計(jì)后調(diào)速器測(cè)量信號(hào)的配置。① 機(jī)組配置3個(gè)導(dǎo)葉位移傳感器，通過(guò)信號(hào)分配模塊，將3個(gè)導(dǎo)葉位置信號(hào)分別送至A套PLC以及B套PLC;② 機(jī)組配置三路功率反饋信號(hào)，來(lái)自監(jiān)控系統(tǒng)有功功率變送器，通過(guò)信號(hào)分配模塊，分別送至A套PLC以及B套PLC;③ 機(jī)組共配置兩路殘壓，兩路齒盤探頭，其中兩路殘壓分別送至A套PLC以及B套PLC，齒盤1送至A套PLC，齒盤2送至B套PLC。圖2為優(yōu)化設(shè)計(jì)后調(diào)速器控制系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)配置示意。

（3） 優(yōu)化設(shè)計(jì)后調(diào)速器測(cè)量傳感器的調(diào)整。原設(shè)計(jì)中已經(jīng)配置2套有功功率變送器、2套導(dǎo)葉位移傳感器、3套轉(zhuǎn)速信號(hào)傳感器（2套齒盤+1套殘壓），為滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，增加1套雙路輸出的有功功率變送器，變送器電壓、電流回路取自與原有功率變送器不同的電壓互感器和電流互感器，避免測(cè)量回路斷線造成反饋故障，增加1路導(dǎo)葉位移傳感器，滿足3路導(dǎo)葉位移傳感器信號(hào)輸入。

（4） 優(yōu)化設(shè)計(jì)后控制邏輯判斷。導(dǎo)葉位移、有功功率信號(hào)，其中1號(hào)為主用，2號(hào)和3號(hào)為備用，邏輯為：① 3個(gè)傳感器均無(wú)反饋故障下，兩兩進(jìn)行差值比較，判斷偏差故障，若兩兩之間偏差均大于設(shè)定值，則開出總故障，切換主機(jī);若1號(hào)偏差故障，則選用2號(hào)傳感器主用;若2號(hào)和3號(hào)偏差故障，則選用1號(hào)傳感器主用;均無(wú)故障，選用1號(hào)傳感器主用。② 1號(hào)傳感器反饋故障下，若2號(hào)傳感器反饋無(wú)故障且3號(hào)傳感器反饋無(wú)故障且無(wú)偏差故障，則2號(hào)傳感器主用，否則上報(bào)反饋總故障，切換主機(jī)。③ 2號(hào)傳感器反饋故障下，若1號(hào)傳感器反饋無(wú)故障且3號(hào)傳感器反饋無(wú)故障且無(wú)偏差故障，則1號(hào)傳感器主用，否則上報(bào)反饋總故障，切換主機(jī)。④ 3號(hào)傳感器反饋故障下，若1號(hào)傳感器反饋無(wú)故障且2號(hào)傳感器反饋無(wú)故障且無(wú)偏差故障，則1號(hào)傳感器主用，否則上報(bào)反饋總故障，切換主機(jī)。

頻率信號(hào)，其中殘壓F1為主用，殘壓F2、齒盤探頭F3為備用，邏輯為：① 3個(gè)頻率采樣均無(wú)反饋故障下，兩兩進(jìn)行差值比較，判斷偏差故障，若兩兩之間偏差均大于設(shè)定值，則開出總故障，切換主機(jī);若殘壓F1偏差故障，則選用殘壓F2主用;若殘壓F2、齒盤F3偏差故障，則選用殘壓F1主用;均無(wú)故障，選用殘壓F1主用。② 殘壓F1反饋故障下，若殘壓F2反饋無(wú)故障且齒盤F3反饋無(wú)故障且無(wú)偏差故障，則殘壓F2主用，否則上報(bào)反饋總故障，切換主機(jī)。③ 殘壓F2反饋故障下，若殘壓F1反饋無(wú)故障且齒盤F3反饋無(wú)故障且無(wú)偏差故障，則殘壓F1主用，否則上報(bào)反饋總故障，切換主機(jī)。④ 齒盤F3反饋故障下，若殘壓F1反饋無(wú)故障且殘壓F2反饋無(wú)故障且無(wú)偏差故障，則殘壓F1主用，否則上報(bào)反饋總故障，切換主機(jī)。

3 “三取二”控制應(yīng)用試驗(yàn)及效果

完成調(diào)速器控制系統(tǒng)的完善和優(yōu)化后，每套PLC獨(dú)立采集兩路殘壓測(cè)頻，提高了測(cè)頻的可靠性，以殘壓信號(hào)作為優(yōu)先選擇，增加一路導(dǎo)葉開度信號(hào)，兩兩進(jìn)行差值比較，與傳統(tǒng)配置方式相比較，測(cè)量反饋系統(tǒng)更加可靠。中國(guó)電力科學(xué)研究院對(duì)新機(jī)并網(wǎng)調(diào)速器進(jìn)行了建模試驗(yàn)和模擬故障試驗(yàn)，并對(duì)測(cè)頻、導(dǎo)葉開度、有功功率“三取二”功能進(jìn)行邏輯測(cè)試，包括在空載、各種負(fù)荷狀態(tài)下模擬任意一路頻率、導(dǎo)葉位移、有功功率信號(hào)消失，機(jī)組導(dǎo)葉開度前后變化小于1%，頻率變化小于0.02 Hz，負(fù)荷狀態(tài)下功率變化小于1%的情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：改造后的調(diào)速器控制系統(tǒng)各項(xiàng)控制指標(biāo)滿足電網(wǎng)運(yùn)行要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組調(diào)速器控制信號(hào)采用“三取二”冗余測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究。使用“三取二”冗余測(cè)量技術(shù)后，得以下結(jié)論：① 測(cè)量反饋系統(tǒng)與傳統(tǒng)配置方式更加可靠;② 控制邏輯更加完善與清晰明了，程序結(jié)構(gòu)層次分明。

目前，絕大多數(shù)已建和在建大、中型水電站在調(diào)速器的硬件配置上均較冗余，但在控制策略上均存在或多或少的不足，水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)是其中重要的輔助控制設(shè)備之一，其運(yùn)行的可靠性對(duì)電站尤為重要，而測(cè)量反饋系統(tǒng)的可靠性對(duì)設(shè)備的安全穩(wěn)定更加關(guān)鍵，相應(yīng)的控制系統(tǒng)需要進(jìn)一步完善。

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（編輯：江 文）

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