水輪機調速器控制模型的故障診斷探討

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摘要:以2006年投產的某水電廠為例，對水輪機調速器主要任務建立了簡化控制模型，經電廠兩個典型功率調節異常事件進行了診斷分析表明，水輪機調速系統使用經典PID控制，其控制模型可簡化為工況轉換模型、正常調節模型;依控制模型建立水輪機調速系統的故障診斷過程更加準確、快速;監控系統需要優化調速器控制的報警記錄，系統關鍵性報警完整性有助于更快捷的發現異常現象。

關鍵詞:水輪機調速器;控制模型;故障診斷

水輪機調速器是調節水輪發電機組轉速的重要設備［1－2］，其主要作用是根據發電機負荷的增減趨勢，調節進入水輪機的水流量，保證水輪發電機組轉速穩定(單機運行)。水輪機調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，但對部分調節異常事件無法進行判斷［3－4］。五凌電力2006年投產的某水電廠，共安裝4臺單機255MW混流式水輪發電機組，采用適應式變結構變參數并聯PID雙可編程單比例伺服閥型微機調速器(型號為FWT－100－6．3－STAＲS)，自電廠投產至今多次出現功率調節異常的事件。筆者基于水輪機調速器的主要任務建立控制模型，以該水電廠兩起典型功率調節異常事件，研究如何快速定位和排查故障。

1水輪機微機調速器控制模型

在比例伺服閥微機調速器構成的水輪機調節系統中，電液隨動系統的閉環是在微機調節器內實現的［5］。整個系統為經典的閉環控制調節負反饋系統，通過對頻率和有功測量值與給定值進行比較計算，然后輸出至執行器，將消除偏差作為最終調節目標。并網前，機組處于空載狀態，此時調速器控制水輪發電機組跟蹤給定頻率處于頻率調節模式。并網后，調速器主要任務是控制機組穩定發電，此時處于開度(或功率)調節模式，頻率、功率、開度調節模式的控制切換如圖1所示。在頻率調節模式下，調速器接收到的增/減有功令無效，只有頻率超差時才能調節;在功率(開度)模式下，調速器接收到的增/減有功令與頻率信號同時起作用。控制系統在進行PID調節時，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］，其調節原理如圖2所示。

2兩個典型功率調節故障診斷

2．1無調功令時機組負荷大幅度異常波動

上位機有功給定在200MW時，3號機組有功由200MW→24MW→145MW→30MW→194MW，同時機組P/Q限制動作，勵磁系統PSS投入/退出，勵磁系統欠勵動作，整個過程持續約2min，如圖3所示。該事件發生時，機組并網運行正常的調節模型是開度模式。故障發生前，負荷穩定在200MW，故無調功令下達，但由于導葉快速動作，有功異常波動。基于簡化調節模型分析，異常波動可能與調速器機械液壓系統異常、微機調速器導葉開度反饋異常、監控系統調功令誤動、監控系統的實測有功異常和頻率測量異常有關。根據工況轉換模型分析(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象發生。

2．1．1調速器機械液壓系統異常分析

比例閥或主配卡在關機方向時，會出現導葉關閉現象，但因未達到調節目標，此時控制系統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200MW→24MW→145MW→30MW→194MW，故可排除調速器機械液壓系統異常的原因。

2．1．2監控系統調功令誤動分析

故障發生時，監控系統顯示有功功率連續調節命令201．09、194．97MW和194．97MW。調整功率=目標功率－實際有功功率，當調整功率為正，監控系統發增加導葉開度令，反之，監控系統發減少導葉開度令。在目標有功功率變化不大的情況下，機組實際有功未出現突變，且有功功率與導葉開度同步變化，故基本排除監控系統調功誤動的原因。

2．1．3頻率測量異常分析

根據機組調節特性曲線，頻率上升至52Hz或頻率在不停波動時會導致導葉全關，且調速器有一次調頻開度限制，當一次調節幅度超過10%導葉開度時，限制動作。從導葉開度變化曲線分析，未發生限制動作情況，且調速器、監控系統、PMU頻率均未持續超過50．05Hz，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，導葉開度反饋信號突然變大時，PLC會輸出關閉信號，實際并未發現開度突變，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

負載狀態時，GCB或TCB開關位置信號誤分將導致調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至全關(如圖4所示)，若頻率在正常控制范圍內導葉將關至第一開機開限后不再調節(如圖3所示)。觀察故障時，錄波圖導葉開度由53%→17%(約7s)→17%開度(約5s)→41%(約32s)→17%開度(約6s)→增加開度至約50%(約40s)。該變化過程與GCB或TCB開關位置信號動作情況相吻合(即誤分→正常→誤分→正常)。鎖定故障后，檢查3號機GCB與TCB開關信號回路，發現該信號接至調速器電氣柜內一端子松動，故判斷本次故障為此端子松動造成。

2．2上位機發減功令無效該水電廠

1號機組帶220MW負荷運行，4min內(13:01:49至13:05:41)集控給定有功180、160、150MW，單步減有功6次，機組負荷仍保持220MW。發生該事件時，機組并網運行正常的調節模型是開度模式。根據簡化調節模型判斷，可能與調速器機械液壓系統卡塞、調速器導葉開度反饋信號異常、監控系統調功令異常、監控系統的實測有功異常、頻率測量異常等有關。也有可能是工況轉換及控制模式轉換問題，即當開度模式切至頻率模式時將導致監控系統調功令無效。

2．2．1監控系統調節令異常分析

1)集控發有功調節令未傳至現地LCU。檢查故障時，網絡通訊無異常報警，且多次下令數據均丟失可能性極小，此前PLC調功程序也一直運行正常。停機后，集控上位機發減有功令，檢查現地LCU內部程序接收命令均正常。2)現地LCU硬件回路故障。檢查LCU開出模塊、減功繼電器J21、調速器至監控減功回路正常，現地強制動作J21繼電器，調速器接收信號正常，故排除現地LCU硬件回路故障的原因。3)有功功率實際反饋值異常。當監控系統下達有功給定時，每次實測有功值都與給定值相同，因此不進行功率調節，進而調功無效。但從過程來看，變送器采集的機組實發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調速器機械液壓系統故障

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

2．2．3調速器導葉開度及頻率信號擾動

1)導葉開度擾動。PID調節量正常變化時，導葉開度信號擾動，擾動量與PID調節量相同，將導致輸出比例閥調節信號為0，因此不進行調節。但從錄波圖上看，調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功令。頻率信號擾動時，頻率增量與監控調節減量相互抵消，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49．95Hz。在檢查過程中進行了相關的模擬實驗，根據在調速器模擬PLC上試驗可知，當頻率在49．5～50Hz之間往復變化時，PID計算給定的導葉開度會一直累加，直到頻率不再發生異常突變。但這種增量在沒有人工干預時與上位機調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50．5～55Hz或45～49．5Hz頻率區間內超過0．4s時，調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，調速器控制模式切換無報警，且因監控系統采集數據為秒級，頻率實際跳變幅度和時間無法監測。隨后開機試驗，在空載運行中監測到一次頻率擾動，實際最大頻率達到51．5Hz，導葉開度波動達到7%，如圖6所示。表1為程序監視時測量的頻率擾動，從表1可知最大擾動頻率達到了78．2Hz，隨后實際導葉開度開始動作，真實頻率相應改變。故調速器頻率擾動造成開度模式切回頻率模式調功令失效的可能性最大。

3結語

1)水輪機調速系統是一個經典的負反饋閉環控制系統，使用經典PID控制，其控制模型可簡化為工況轉換模型、正常調節模型。2)基于控制模型建立水輪機調速系統的故障診斷時，其診斷效果更為準確、快速。3)監控系統應優化調速器控制的報警記錄，系統關鍵性報警完整性有助于更快捷的發現異常現象。4)從兩種典型功率調節異常可以看出，該水電廠老式調速器控制邏輯需要進一步優化，以保證系統穩定可靠運行。

作者：熊卓 單位：湖南五凌電力工程有限公司