抽水蓄能電站調(diào)速器重要信號跳變分析及預(yù)防

金 櫓，董天剛，李小樂

（1.山東沂蒙抽水蓄能有限公司，山東 臨沂 273400；2.廣東粵電流溪河發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510956；3.中國電建貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550081）

0 引言

沂蒙抽水蓄能電站（簡稱沂蒙電站）總裝機(jī)容量為120 萬kW，安裝4 臺30 萬kW 的單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為20.08 億kW·h，年抽水電量26.77 億kW·h，該抽蓄電站也是目前國內(nèi)二次控制系統(tǒng)國產(chǎn)化率最高的抽蓄電站之一。調(diào)速器是抽水蓄能電站最重要的機(jī)電控制系統(tǒng)之一，調(diào)速器的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到抽水蓄能電站的健康穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)速器重要信號的穩(wěn)定性尤其重要。本文重點(diǎn)分析沂蒙電站兩起因重要信號跳變導(dǎo)致的事故案例及防控措施。

1 案例基本情況

1.1 水頭跳變

沂蒙電站在機(jī)組調(diào)試期間發(fā)生過一次調(diào)速器液壓故障導(dǎo)致的事故停機(jī)事件，當(dāng)時(shí)該臺機(jī)組剛進(jìn)入抽水工況穩(wěn)態(tài)帶-300 MW 負(fù)荷。此時(shí)上水庫水力量測系統(tǒng)端子箱處因臨時(shí)電源丟失有短時(shí)停電，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)收到的上庫水位迅速下降；18 s 后上庫水力量測系統(tǒng)端子箱恢復(fù)供電，監(jiān)控系統(tǒng)收到的上庫水位立即恢復(fù)。在此期間，監(jiān)控報(bào)調(diào)速器A、B 套液壓故障（導(dǎo)葉越限），機(jī)組緊急停機(jī)。

事件發(fā)生后，運(yùn)維人員連接調(diào)試電腦查看電調(diào)控制器程序里“導(dǎo)葉越限”的發(fā)生條件：在機(jī)組抽水工況運(yùn)行時(shí)，當(dāng)導(dǎo)葉開度>當(dāng)前水頭最優(yōu)協(xié)聯(lián)開度+4%時(shí)，導(dǎo)葉越限條件滿足，調(diào)速器控制器（簡稱電調(diào)）會報(bào)“液壓故障”并作用緊急停機(jī)。調(diào)取監(jiān)控導(dǎo)葉開度曲線后發(fā)現(xiàn)：

10：27：28 調(diào)速器導(dǎo)葉開度由63%突然開大到76%，保持約30 s；

10：28：01 開度降至71%，保持約30 s；

10：28：28 電調(diào)報(bào)液壓故障，機(jī)組緊急事故停機(jī)。

1.2 轉(zhuǎn)速跳變

2022 年09 月22 日00：21：50，電站1 號機(jī)停機(jī)過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速小于5%額定轉(zhuǎn)速后機(jī)械制動正常投入，00：22：12，監(jiān)控報(bào)“1 號機(jī)組轉(zhuǎn)速<5%復(fù)歸”、“1號機(jī)組轉(zhuǎn)速<10%復(fù)歸”、“1 號機(jī)組轉(zhuǎn)速裝置故障（A套）動作，此后監(jiān)控一直未收到測速裝置<1%轉(zhuǎn)速動作信號，960 s 后，監(jiān)控流程走機(jī)械事故停機(jī)。

監(jiān)控簡報(bào)如下：

00：15：25 1 號機(jī)停機(jī)

00：22：09 1 號機(jī)轉(zhuǎn)速<1%（制動柜）動作

00：22：12 1 號機(jī)組轉(zhuǎn)速<5%復(fù)歸

00：22：12 1 號機(jī)組轉(zhuǎn)速<10%復(fù)歸

00：22：15 1 號機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速裝置故障（A 套）動作

00：37：59 轉(zhuǎn)速未降至1%，流程退出

00：38：02 流程調(diào)用，1 號機(jī)組機(jī)械事故停機(jī)操作

00：54：36 轉(zhuǎn)速未降至20%或5%，流程退出（流程自啟動：1 號機(jī)機(jī)械事故停機(jī)操作）

00：54：38 流程調(diào)用，1 號機(jī)組電氣事故停機(jī)操作

2 案例分析

2.1 水頭跳變分析

在抽水工況時(shí)，調(diào)速器的導(dǎo)葉開度和水頭之間存在著協(xié)聯(lián)關(guān)系，而水頭又是通過上下庫水位在監(jiān)控系統(tǒng)里作差再送至電調(diào)的。因此上庫水位的變化直接影響到導(dǎo)葉開度，實(shí)現(xiàn)上庫水位測量的投入式液位變送器的接線原理如圖1，這是典型的兩線制接線型式的變送器，24 V 電源的短時(shí)丟失會導(dǎo)致測值模擬量輸出失真。

在上庫水位失真期間，導(dǎo)葉開度先突然增大，并且短時(shí)后又下降，隨后出現(xiàn)了導(dǎo)葉開度大于導(dǎo)葉開限的情況，所以電調(diào)判“導(dǎo)葉越限故障”報(bào)液壓故障，動作機(jī)組停機(jī)。為保證抽水時(shí)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪處于最優(yōu)運(yùn)行工況，在抽水工況時(shí)導(dǎo)葉開度和監(jiān)控水頭（毛揚(yáng)程）之間存在的協(xié)聯(lián)關(guān)系見表1。

表1 水泵工況導(dǎo)葉開度與水頭協(xié)聯(lián)關(guān)系

導(dǎo)葉開限為調(diào)速器在控制導(dǎo)葉開過程中能開達(dá)的最大開度。當(dāng)導(dǎo)葉實(shí)際反饋開度大于開限時(shí)，可以認(rèn)為是由于液壓主配或其控制閥組卡澀引起的故障而造成的不可控制狀態(tài)，因此需要進(jìn)行事故停機(jī)。導(dǎo)葉越限的限值設(shè)定和導(dǎo)葉越限故障開出邏輯見圖2 和圖3。其中，Gv_Max_Limit 表示導(dǎo)葉開限，Pump_Gv_Opt 表示導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)開度，Gv_Fdbk 表示導(dǎo)葉開度反饋值，Gv_Limit_Err 表示導(dǎo)葉越限故障，800為電調(diào)內(nèi)部導(dǎo)葉開度采樣值，對應(yīng)4%導(dǎo)葉開度。

圖2 調(diào)速器電調(diào)抽水工況導(dǎo)葉開限設(shè)定

圖3 調(diào)速器電調(diào)導(dǎo)葉越限故障開出邏輯

在確定故障的原因是監(jiān)控水頭變化引起后，調(diào)出監(jiān)控水頭及上庫水位變化曲線見圖4，在此期間下水位水位在197 m 并保持穩(wěn)定。

圖4 停機(jī)前導(dǎo)葉開度與上庫水位變化

可以看出，故障發(fā)生時(shí)上庫水位經(jīng)歷過一次短時(shí)跳變，從592 m 瞬時(shí)下降到517 m 后，經(jīng)過16 s后又迅速恢復(fù)到592 m。而在調(diào)速器電調(diào)程序里，為消除水頭毛刺進(jìn)行開度計(jì)算用的監(jiān)控水頭每30 s取一次平均值，當(dāng)監(jiān)控水頭突降到517 m 后，導(dǎo)葉開度并沒有立即發(fā)生變化，而是等待16 s 后開始增大，考慮到PLC 掃描周期、液壓系統(tǒng)動作時(shí)間及信號傳遞等延遲大約5 s，實(shí)際情況在上庫水位失真11 s 后電調(diào)即接收到水頭跳變。因此導(dǎo)葉增大時(shí)的協(xié)聯(lián)水頭=（592×19+517×11）/30-197=367.5 m，對應(yīng)導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)開度約為78%。

在其后30 s，導(dǎo)葉開度下降至71%，此時(shí)對應(yīng)的最優(yōu)水頭協(xié)聯(lián)=（592×25+517×5）/30-197=382.5 m,對應(yīng)最優(yōu)協(xié)聯(lián)開度約為71%。再過30 s，電調(diào)算出的水頭即為失真前的592 m，同時(shí)導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)開度恢復(fù)為之前的63%，導(dǎo)葉開限同時(shí)恢復(fù)為之前的67%，而此時(shí)導(dǎo)葉實(shí)際開度尚在71%，所以電調(diào)判“導(dǎo)葉越限故障”，作用緊急停機(jī)。

2.2 轉(zhuǎn)速跳變分析

2.2.1 沂蒙電站測速系統(tǒng)配置

沂蒙電站測速系統(tǒng)共有三部分組成：①調(diào)速器系統(tǒng)電調(diào)柜自帶的兩套測速裝置，僅供調(diào)速器電調(diào)控制用；②調(diào)速器為監(jiān)控系統(tǒng)配置的兩套測速裝置，信號上送監(jiān)控系統(tǒng)，供監(jiān)控上位機(jī)顯示、監(jiān)控流程及監(jiān)控單獨(dú)開出給輔機(jī)控制用，為南瑞公司的SJ-22D型測速裝置，也是本次非正常動作的測速裝置；③發(fā)電機(jī)機(jī)械制動柜自帶的測速裝置，供機(jī)械制動電氣控制回路用，同時(shí)也將各轉(zhuǎn)速開出送至監(jiān)控系統(tǒng)，裝置為西門子TD400C 型。以上每套測速裝置均為“2 路齒盤+1 路PT”輸入，在大軸齒盤處共設(shè)置了10 個(gè)接近式測速探頭。

2.2.2 跳變原因排查

事件發(fā)生后，電站運(yùn)維人員立刻前往1 號機(jī)SJ-22D 測速裝置處檢查設(shè)備運(yùn)行情況，查看相關(guān)報(bào)警信息，見圖5，發(fā)現(xiàn)A 套SJ-22D 測速裝置上“<1%”、“<5%”、“<10%”3 個(gè)轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)均未正常動作，ALM 報(bào)警燈亮，面板數(shù)碼管顯示此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速為0。檢查齒盤測速探頭，探頭與齒盤間隙均在2~3 mm 之間，測速探頭螺栓緊固沒有松動，感應(yīng)時(shí)指示燈能正常亮，航空插頭亦沒有松動。同時(shí)檢查測速信號回路各二次端子，未見松動。

圖5 故障發(fā)生時(shí)測速裝置面板顯示

圖6 故障發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)速模擬量變化（跳變的為A 套，正常為B 套）

查看測速裝置開出邏輯說明，見表2，在“2 路齒盤測速值偏差>10%額定轉(zhuǎn)速”時(shí)，測速裝置報(bào)警并保持當(dāng)前開出，同時(shí)報(bào)警燈亮。

表2 SJ-22D 測速裝置內(nèi)部邏輯說明

調(diào)取監(jiān)控系統(tǒng)A 套測速裝置轉(zhuǎn)速模擬量曲線，發(fā)現(xiàn)在機(jī)組轉(zhuǎn)速降至2%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速有明顯跳變，由2%跳變至7%，在停機(jī)時(shí)測速裝置送監(jiān)控模擬量取值為2 路齒盤測速值平均值，和正常的測速裝置（B 套）轉(zhuǎn)速模出相比，可以判斷出其中1 個(gè)齒盤測速測值由2%跳變至12%，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速模擬量輸出為（12%+2%）/2=7%，而轉(zhuǎn)速開關(guān)量開出取2 個(gè)齒盤測速值“邏輯與”，當(dāng)其中一個(gè)探頭值發(fā)生此種跳變（2%至12%），那會影響到“<1%”、“<5%”、“<10%”的轉(zhuǎn)速開出，并直接導(dǎo)致監(jiān)控流程里的這3個(gè)測速節(jié)點(diǎn)無法變位，監(jiān)控流程延遲960 s 后仍未收到“<1%”轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)信號，動作機(jī)械事故停機(jī)。

隨后電站維護(hù)人員對該機(jī)組的2 套SJ-22D 測速裝置進(jìn)行聯(lián)機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)A 套SJ-22D 測速裝置聯(lián)機(jī)后，不論是歷史曲線波形召喚還是歷史記錄調(diào)取時(shí)，均發(fā)生內(nèi)部板卡異常動作，表現(xiàn)為內(nèi)部繼電器頻繁開出動作復(fù)歸，且轉(zhuǎn)速開出節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)丟失，面板數(shù)碼管顯示亂碼，判斷是裝置板卡存在故障，工廠測試后亦確認(rèn)裝置內(nèi)部板卡故障。

3 防控措施

3.1 水頭跳變預(yù)控

調(diào)速器水頭信號來自監(jiān)控系統(tǒng)，首先在監(jiān)控系統(tǒng)增加水庫水位信號的品質(zhì)判斷，考慮到存在變送器電源丟失或外部干擾導(dǎo)致水位模擬量品質(zhì)變壞的情形，在監(jiān)控系統(tǒng)上庫LCU 和下庫LCU 中分別添加了防止水位信號丟失及跳變的邏輯，監(jiān)控下位機(jī)程序判水位模擬量測值是否在有效量程內(nèi)，圖7 中，Ai_Real[16]表示水位測值原始值，EthAi_Send[6]表示經(jīng)品質(zhì)判斷后的測值，只有當(dāng)水位在量程范圍內(nèi)即品質(zhì)好時(shí)才會將上下庫水位作差送至調(diào)速器，否則保持上一時(shí)刻水位。

圖7 監(jiān)控下位機(jī)程序?qū)ι蠋焖黄焚|(zhì)的判斷（下庫類似）

另外，在調(diào)速器電調(diào)中增加了水頭跳變邏輯的判斷：調(diào)速器所用監(jiān)控水頭為一個(gè)計(jì)數(shù)周期（30 s）內(nèi)平均值，一旦該周期前10 s 或者前20 s 內(nèi)平均水頭與周期水頭平均值之差大于3 m，則判定是水頭跳變，轉(zhuǎn)而用上一周期運(yùn)行水頭。圖8 中，Head_Fdbk_Re_10、Head_Fdbk_Re_20 分別表示30 s 計(jì)算周期的前10 s和前20 s 水頭值，Head_Fdbk_Auto1 表示30 s 計(jì)算周期水頭，Head_Fdbk1 表示運(yùn)行水頭，Head_Fdbk1_Reserve 表示上一時(shí)刻運(yùn)行水頭，Head_Fdbk_TP_Flag表示水頭跳變故障，120 為電調(diào)內(nèi)部水頭采樣值，對應(yīng)實(shí)際水頭3 m。水頭無跳變時(shí)，電調(diào)算出的監(jiān)控水頭賦值給運(yùn)行水頭用作導(dǎo)葉開度協(xié)聯(lián)計(jì)算。

圖8 電調(diào)內(nèi)部水頭跳變程序判斷

3.2 轉(zhuǎn)速跳變預(yù)控

由于SJ-22D 測速裝置輸出主要供監(jiān)控系統(tǒng)用，對監(jiān)控下位機(jī)程序里關(guān)于轉(zhuǎn)速開關(guān)量判斷的邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，避免在低轉(zhuǎn)速時(shí)當(dāng)一路齒盤脈沖丟失或跳變引發(fā)測速裝置故障和轉(zhuǎn)速開出異常。在監(jiān)控系統(tǒng)原程序中，測速裝置轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)開出和機(jī)械制動柜轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)開出作邏輯“與”后再開出，程序優(yōu)化后，則必須先判斷測速裝置有無故障，測速故障如有故障，監(jiān)控系統(tǒng)則只用機(jī)械制動柜開出的轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)。圖9 中，Di[267]~Di[271]為機(jī)械制動柜轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)開出，Di[36]~Di[40] 為SJ-22D 轉(zhuǎn)速裝置節(jié)點(diǎn)開出，Di[43]為SJ-22D 測速裝置故障節(jié)點(diǎn)，speed1~speed50 為綜合后轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)開出。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組LCU 程序?qū)D(zhuǎn)速開出邏輯優(yōu)化

4 結(jié)語

調(diào)速器重要信號多采取冗余配置，但調(diào)速器和其他系統(tǒng)之間共用的重要模擬量信號一旦發(fā)生跳變就可能影響到機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，因此不僅要保證調(diào)速器系統(tǒng)自身信號的冗余配置，對于重要接口信號的防抖設(shè)計(jì)和品質(zhì)判斷亦要高度重視。