基于水輪機調(diào)速器控制模型的故障診斷分析

熊 卓

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南長沙 410004）

水輪機調(diào)速器是調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速的重要設(shè)備［1－2］，其主要作用是根據(jù)發(fā)電機負荷的增減趨勢，調(diào)節(jié)進入水輪機的水流量，保證水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定（單機運行）。水輪機調(diào)速器自帶的故障診斷功能，如頻率故障診斷、開度故障診斷等，能夠滿足一般工作的需求，但對部分調(diào)節(jié)異常事件無法進行判斷［3－4］。

五凌電力2006年投產(chǎn)的某水電廠，共安裝4臺單機255 MW混流式水輪發(fā)電機組，采用適應式變結(jié)構(gòu)變參數(shù)并聯(lián)PID雙可編程單比例伺服閥型微機調(diào)速器（型號為FWT－100－6.3－STARS），自電廠投產(chǎn)至今多次出現(xiàn)功率調(diào)節(jié)異常的事件。筆者基于水輪機調(diào)速器的主要任務(wù)建立控制模型，以該水電廠兩起典型功率調(diào)節(jié)異常事件，研究如何快速定位和排查故障。

1 水輪機微機調(diào)速器控制模型

在比例伺服閥微機調(diào)速器構(gòu)成的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，電液隨動系統(tǒng)的閉環(huán)是在微機調(diào)節(jié)器內(nèi)實現(xiàn)的［5］。整個系統(tǒng)為經(jīng)典的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)負反饋系統(tǒng)，通過對頻率和有功測量值與給定值進行比較計算，然后輸出至執(zhí)行器，將消除偏差作為最終調(diào)節(jié)目標。

并網(wǎng)前，機組處于空載狀態(tài)，此時調(diào)速器控制水輪發(fā)電機組跟蹤給定頻率處于頻率調(diào)節(jié)模式。并網(wǎng)后，調(diào)速器主要任務(wù)是控制機組穩(wěn)定發(fā)電，此時處于開度（或功率）調(diào)節(jié)模式，頻率、功率、開度調(diào)節(jié)模式的控制切換如圖1所示。

在頻率調(diào)節(jié)模式下，調(diào)速器接收到的增／減有功令無效，只有頻率超差時才能調(diào)節(jié)；在功率（開度）模式下，調(diào)速器接收到的增／減有功令與頻率信號同時起作用?？刂葡到y(tǒng)在進行PID調(diào)節(jié)時，考慮了實際開度與給定開度的偏差，使機組能快速跟蹤給定值［6］，其調(diào)節(jié)原理如圖2所示。

2 兩個典型功率調(diào)節(jié)故障診斷

2.1 無調(diào)功令時機組負荷大幅度異常波動

上位機有功給定在200 MW時，3號機組有功由200 MW→24 MW→145 MW→30 MW→194 MW，同時機組P／Q限制動作，勵磁系統(tǒng)PSS投入／退出，勵磁系統(tǒng)欠勵動作，整個過程持續(xù)約2 min，如圖3所示。

該事件發(fā)生時，機組并網(wǎng)運行正常的調(diào)節(jié)模型是開度模式。故障發(fā)生前，負荷穩(wěn)定在200 MW，故無調(diào)功令下達，但由于導葉快速動作，有功異常波動?；诤喕{(diào)節(jié)模型分析，異常波動可能與調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)異常、微機調(diào)速器導葉開度反饋異常、監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功令誤動、監(jiān)控系統(tǒng)的實測有功異常和頻率測量異常有關(guān)。根據(jù)工況轉(zhuǎn)換模型分析（見圖1），也可能是由于負載工況與甩負荷過程來回切換導致該現(xiàn)象發(fā)生。

2.1.1 調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)異常分析

比例閥或主配卡在關(guān)機方向時，會出現(xiàn)導葉關(guān)閉現(xiàn)象，但因未達到調(diào)節(jié)目標，此時控制系統(tǒng)PLC開度給定會增加，比例閥始終加開機信號。當卡塞釋放時，導葉開度會向開機方向突變，而實際并不存在突變，其功率而是從200 MW→24 MW→145 MW→30 MW→194 MW，故可排除調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)異常的原因。

2.1.2 監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功令誤動分析

故障發(fā)生時，監(jiān)控系統(tǒng)顯示有功功率連續(xù)調(diào)節(jié)命令201.09、194.97 MW和194.97 MW。調(diào)整功率＝目標功率－實際有功功率，當調(diào)整功率為正，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)增加導葉開度令，反之，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)減少導葉開度令。在目標有功功率變化不大的情況下，機組實際有功未出現(xiàn)突變，且有功功率與導葉開度同步變化，故基本排除監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功誤動的原因。

2.1.3 頻率測量異常分析

根據(jù)機組調(diào)節(jié)特性曲線，頻率上升至52 Hz或頻率在不停波動時會導致導葉全關(guān)，且調(diào)速器有一次調(diào)頻開度限制，當一次調(diào)節(jié)幅度超過10%導葉開度時，限制動作。從導葉開度變化曲線分析，未發(fā)生限制動作情況，且調(diào)速器、監(jiān)控系統(tǒng)、PMU頻率均未持續(xù)超過50.05 Hz，故排除頻率測量異常的原因。

2.1.4 導葉開度反饋突然變大分析

由于比例閥控制輸出＝（PID給定開度－實際開度）×放大系數(shù)，導葉開度反饋信號突然變大時，PLC會輸出關(guān)閉信號，實際并未發(fā)現(xiàn)開度突變，故不是開度反饋問題。

2.1.5 負載工況與甩負荷過程切換分析

負載狀態(tài)時，GCB或TCB開關(guān)位置信號誤分將導致調(diào)速器進入甩負荷過程。甩負荷過程開度給定值，由當前開度值直接給定為第一開機開限值17.5%，此時為頻率模式控制，若此時頻率上升則導葉將直接關(guān)至全關(guān)（如圖4所示），若頻率在正?？刂品秶鷥?nèi)導葉將關(guān)至第一開機開限后不再調(diào)節(jié)（如圖3所示）。觀察故障時，錄波圖導葉開度由53%→17%（約7 s）→17%開度（約5 s）→41%（約32 s）→17%開度（約6 s）→增加開度至約50%（約40 s）。該變化過程與GCB或TCB開關(guān)位置信號動作情況相吻合（即誤分→正?！`分→正常）。

鎖定故障后，檢查3號機GCB與TCB開關(guān)信號回路，發(fā)現(xiàn)該信號接至調(diào)速器電氣柜內(nèi)一端子松動，故判斷本次故障為此端子松動造成。

2.2 上位機發(fā)減功令無效

該水電廠1號機組帶220 MW負荷運行，4 min內(nèi)（13：01：49至13：05：41）集控給定有功180、160、150 MW，單步減有功6次，機組負荷仍保持220 MW。

發(fā)生該事件時，機組并網(wǎng)運行正常的調(diào)節(jié)模型是開度模式。根據(jù)簡化調(diào)節(jié)模型判斷，可能與調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)卡塞、調(diào)速器導葉開度反饋信號異常、監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功令異常、監(jiān)控系統(tǒng)的實測有功異常、頻率測量異常等有關(guān)。也有可能是工況轉(zhuǎn)換及控制模式轉(zhuǎn)換問題，即當開度模式切至頻率模式時將導致監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功令無效。

2.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)令異常分析

1）集控發(fā)有功調(diào)節(jié)令未傳至現(xiàn)地LCU。檢查故障時，網(wǎng)絡(luò)通訊無異常報警，且多次下令數(shù)據(jù)均丟失可能性極小，此前PLC調(diào)功程序也一直運行正常。停機后，集控上位機發(fā)減有功令，檢查現(xiàn)地LCU內(nèi)部程序接收命令均正常。

2）現(xiàn)地LCU硬件回路故障。檢查LCU開出模塊、減功繼電器J21、調(diào)速器至監(jiān)控減功回路正常，現(xiàn)地強制動作J21繼電器，調(diào)速器接收信號正常，故排除現(xiàn)地LCU硬件回路故障的原因。

3）有功功率實際反饋值異常。當監(jiān)控系統(tǒng)下達有功給定時，每次實測有功值都與給定值相同，因此不進行功率調(diào)節(jié)，進而調(diào)功無效。但從過程來看，變送器采集的機組實發(fā)有功始終有值且不與有功給定值相同，故排除有功功率實際反饋值異常的原因。

2.2.2 調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)故障

若比例伺服閥卡死在中間位置，會使減有功令無效，但故障時將調(diào)速器切至現(xiàn)地操作控制正常，故排除調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)故障的原因。

2.2.3 調(diào)速器導葉開度及頻率信號擾動

1）導葉開度擾動。PID調(diào)節(jié)量正常變化時，導葉開度信號擾動，擾動量與PID調(diào)節(jié)量相同，將導致輸出比例閥調(diào)節(jié)信號為0，因此不進行調(diào)節(jié)。但從錄波圖上看，調(diào)速器導葉開度信號無異常，故排除導葉開度擾動的原因。

2）頻率信號擾動抵消上位機調(diào)功令。頻率信號擾動時，頻率增量與監(jiān)控調(diào)節(jié)減量相互抵消，導致減有功令失效。如圖5所示，頻率存在擾動，錄波顯示最小頻率小于49.95 Hz。

在檢查過程中進行了相關(guān)的模擬實驗，根據(jù)在調(diào)速器模擬PLC上試驗可知，當頻率在49.5～50 Hz之間往復變化時，PID計算給定的導葉開度會一直累加，直到頻率不再發(fā)生異常突變。但這種增量在沒有人工干預時與上位機調(diào)功減量同步變化且完全抵消的可能性較小，故排除頻率信號擾動抵消上位機調(diào)功令的原因。

2.2.4 開度模式切至頻率模式分析

當機頻在50.5～55 Hz或45～49.5 Hz頻率區(qū)間內(nèi)超過0.4 s時，調(diào)速器則會從開度模式切換至頻率模式，且頻率恢復正常后不會自動切回開度模式。檢查上位機正常開停機報警記錄，調(diào)速器控制模式切換無報警，且因監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)為秒級，頻率實際跳變幅度和時間無法監(jiān)測。隨后開機試驗，在空載運行中監(jiān)測到一次頻率擾動，實際最大頻率達到51.5 Hz，導葉開度波動達到7%，如圖6所示。表1為程序監(jiān)視時測量的頻率擾動，從表1可知最大擾動頻率達到了78.2 Hz，隨后實際導葉開度開始動作，真實頻率相應改變。故調(diào)速器頻率擾動造成開度模式切回頻率模式調(diào)功令失效的可能性最大。

表1 程序監(jiān)視時測量的頻率擾動

3 結(jié) 語

1）水輪機調(diào)速系統(tǒng)是一個經(jīng)典的負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，使用經(jīng)典PID控制，其控制模型可簡化為工況轉(zhuǎn)換模型、正常調(diào)節(jié)模型。

2）基于控制模型建立水輪機調(diào)速系統(tǒng)的故障診斷時，其診斷效果更為準確、快速。

3）監(jiān)控系統(tǒng)應優(yōu)化調(diào)速器控制的報警記錄，系統(tǒng)關(guān)鍵性報警完整性有助于更快捷的發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

4）從兩種典型功率調(diào)節(jié)異?？梢钥闯?，該水電廠老式調(diào)速器控制邏輯需要進一步優(yōu)化，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。