陳 偉，符彥青

（海南蓄能發(fā)電有限公司，海南省瓊中縣 572926）

二選一容錯控制技術在抽水蓄能機組導葉開度反饋中的應用

陳 偉，符彥青

（海南蓄能發(fā)電有限公司，海南省瓊中縣 572926）

導葉開度反饋值是調速器PID閉環(huán)控制單元的關鍵輸入?yún)?shù)之一。導葉開度反饋容錯處理技術對于調速器系統(tǒng)至關重要。結合惠州抽水蓄能電站調速系統(tǒng)實際，本文介紹了一種優(yōu)化的導葉開度反饋容錯技術，即二選一容錯控制技術。該容錯技術能實時精準識別開度反饋傳感器主要故障，并自動切換至備用傳感器選值。模擬測試和運行記錄表明該改進技術能有效提高調速器導葉開度反饋容錯能力。

二選一；調速器；容錯技術

0 引言

調速系統(tǒng)是水電站機組的核心控制設備之一，其主要功能是調節(jié)機組的有功功率、保證水輪機機組的頻率穩(wěn)定以及維持電力系統(tǒng)負荷平衡。水輪機調速器是由微機控制單元、液壓機構和調節(jié)對象組成的PID控制系統(tǒng)。

導葉是PID閉環(huán)系統(tǒng)的主要調節(jié)對象，而導葉開度反饋值是該閉環(huán)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。

在每個導葉接力器上都安裝2個導葉開度反饋傳感器，用于滿足機組導葉開度測量的冗余性。導葉開度反饋容錯邏輯是保證開度值是否準確可靠的關鍵技術之一。

結合惠州抽水蓄能電站調速器實際，本文分析了原容錯邏輯的缺陷，并介紹了一種優(yōu)化的導葉開度反饋容錯技術。新的二選一容錯控制技術，滿足了容錯判定的實時性和準確性。

1 調速器導葉原開度反饋容錯邏輯介紹

惠州抽水蓄能電站，共安裝8臺30萬kW可逆式抽水蓄能發(fā)電機組。調速器采用NEYPRIC公司供貨的數(shù)字式電液調速器。

UPC是調速器的核心單元，用于給定相應的導葉接力器的設定值。SPC為接力器控制器，用于接受UPC發(fā)出的接力器設定值，通過控制導葉接力器的動作來達到調整導葉開度的目的。導葉開度反饋值是SPC的主要反饋量。

惠州抽水蓄能電站機組為單導葉控制，每臺機組有20個導葉。在各導葉上均安裝有兩個開度反饋傳感器，一個為主用傳感器，另一個為備用。主備用傳感器容錯邏輯：當主用傳感器信號丟失時（即主用傳感器工作電流在4～20mA區(qū)間之外），SPC才從備用傳感器獲取反饋值。

上述容錯邏輯忽視了多種可能發(fā)生的傳感器故障，例如傳感器反饋值跳變等現(xiàn)象，存在嚴重技術缺陷。惠州抽水蓄能電站曾多次發(fā)生導葉開度傳感器反饋值跳變，由于主用傳感器故障時工作電流仍在工作電流區(qū)間，SPC未能及時從備用傳感器獲取反饋值，最終調速器設定值與反饋值不一致，觸發(fā)機組故障停機。

2 調速器導葉新開度反饋容錯邏輯介紹

導葉開度反饋值容錯控制，指無論機組在何種工況下運行，當開度反饋信號出現(xiàn)故障時，調速器均應能繼續(xù)自動調節(jié)和工況轉換控制，繼續(xù)維持機組安全運行。

容錯的目的是能容忍單個傳感器故障而導致的故障信號的存在，使故障信號不會或盡可能少地危及調速系統(tǒng)運行。二選一容錯技術是指當調速器導葉主用傳感器發(fā)生各種故障時，導葉開度測控裝置SPC主動精準快速識別故障，并無擾切換至備用傳感器選值。當主用傳感器故障復歸后，SPC應自動切回至主用傳感器選值。上述的二選一容錯技術，對傳感器故障判斷的準確性和實時性有嚴格要求。

2.1 主動識別故障

主動識別是指機組運行中導葉開度測控單元SPC智能分析主用傳感器測量數(shù)據(jù)，精準快速識別傳感器各類故障。根據(jù)惠州抽水蓄能電站機組四年來運行記錄，導葉開度反饋傳感器故障狀態(tài)分以下三種：

2.1.1 傳感器信號丟失（Signal lost）

當導葉開度反饋傳感器出現(xiàn)斷線故障時，輸出信號丟失。通常表現(xiàn)為工作電流為0，即低于最小工作電流4mA。

2.1.2 傳感器反饋值過快變化（too fast detection）

電液轉換器通過閥芯移動控制接力器，開啟腔和關閉腔的油壓是由專用油壓裝置產(chǎn)生，壓力平穩(wěn)。調整同等區(qū)間開度時，電液轉換器調整導葉開度的時間是一致的。例如從90%開度調整到50%與從70%調整到30%，調整區(qū)間都是40%，調整時間是一致的。導葉開啟或關閉過程中接力器位移速率穩(wěn)定，即導葉調整時開度值變化斜率是一個固定值。

若監(jiān)測到機組運行時導葉開度反饋值過快變化，即偏離導葉實際物理位移變化速率過大，則可判定導葉開度反饋傳感器出現(xiàn)故障。

2.1.3 傳感器反饋值過慢變化（too slow detection）

若導葉開度調整過程中，導葉開度反饋值過慢變化或停滯，可判定導葉開度反饋傳感器出現(xiàn)故障。

圖1是導葉開度反饋故障識別邏輯框圖。當識別到主用傳感器（Main sensor）信號丟失（signal lost）、過快跳變（too fast derivation）、過慢變化或停滯（too slow derivation）時，報警變量SE1_MES為1。備用傳感器（Standby sensor）故障識別邏輯與主用傳感器完全一致。

當主用傳感器和備用傳感器同時發(fā)生故障，即報警信號SE_MES出現(xiàn)時，機組將立即故障停機。

2.2 無擾切換

當識別到主用傳感器發(fā)生上述任一故障情況后，導葉接力器控制器SPC無擾切換至備用傳感器選值，避免出現(xiàn)導葉調整的振蕩。主備用傳感器切換邏輯如圖2所示。

2.3 自動恢復

當故障傳感器被人工修復并手動復位報警后，測量裝置SPC自動切回至正常傳感器選值。

3 二選一容錯邏輯測試

T-SOFT是NEYPRIC調速器配套的調試平臺。該平臺能夠調整調速器PID控制參數(shù)、查看調速器報警信息、選取參數(shù)進行錄波。該平臺具備多通道參數(shù)錄波功能，是測試二選一容錯邏輯的理想環(huán)境。

測試時隨機抽取一個導葉，把電流發(fā)生器接入導葉對應的SPC輸入端，以便模擬主用或備用傳感器工作電流。工作電流由可設定函數(shù)的電流發(fā)生器產(chǎn)生。電流發(fā)生器能夠準確模擬出開度傳感器反饋值丟失、過快或過慢變化等情況。因此，靜態(tài)測試平臺能夠驗證傳感器測量故障發(fā)生故障識別、無擾切換和自動恢復等容錯邏輯是否準確。測試平臺錄波參數(shù)見表1。

SE_POS是SPC的開度反饋值，從主用傳感器SE1_SCA和SE2_SCA中選值，默認選擇SE1_SCA。

測試平臺錄波參數(shù)見表1。

3.1 故障模擬：主用傳感器信號丟失

測試目的：驗證主用傳感器斷線故障時SPC故障識別、無擾切換和自動恢復等容錯邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導葉開度設定值CSC為61.0%。

測試方法：拔掉主用傳感器電源接線，模擬斷線故障。

圖3為主用傳感器斷線故障時各主要參數(shù)波形曲線。由圖可以看出，44.20s時刻，主用傳感器出現(xiàn)斷線故障，SE1_SCA從0.61階躍到0，此時調速器SPC已主動識別故障并提示小報警信號OU_R129，經(jīng)過30ms延時，導葉開度反饋值SE_POS自動切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.2 故障模擬：導葉傳感器反饋值上行過快變化

測試目的：驗證導葉傳感器反饋值上行過快變化時SPC故障識別、無擾切換和自動恢復等容錯邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導葉開度設定值CSC為61.0%。

測試方法：模擬主用傳感器反饋值上行過快變化，工作電流值從12.00mA向上階躍到15m.00A，歷時1s。

圖4為主用傳感器反饋值上行過快變化時各主要參數(shù)波形曲線。在5.67s時刻，主用傳感器反饋值SE1_SCA開始向上快速變化，持續(xù)20ms時SPC已識別故障并提示小報警信號OU_R129。跳變持續(xù)150ms后，導葉開度反饋值SE_POS主動切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.3 故障模擬：導葉傳感器反饋值下行過快變化

測試目的：驗證導葉傳感器反饋值下行過快變化時SPC故障識別、無擾切換和自動恢復等容錯邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導葉開度設定值CSC為61.0%。

測試方法：模擬主用傳感器下行快速變化，電流值由12.00mA下行階躍到8.00mA，歷時1.00s。

圖5為主用傳感器反饋值下行過快變化時各主要參數(shù)波形曲線。由圖可以看出，4.29s時刻，主用傳感器開始快速向下跳變，跳變持續(xù)20ms調速器SPC已主動識別到故障并提示小報警信號OU_R129，跳變持續(xù)150.00ms后，導葉開度反饋值SE_POS主動切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.4 故障模擬：導葉傳感器反饋值上行過慢變化

測試目的：驗證導葉傳感器反饋值上行過慢變化時SPC故障識別、無擾切換和自動恢復等容錯邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導葉開度設定值CSC為61.0%。

測試方法：主用傳感器電流值由12.00mA上行慢速變化到20.00mA，歷時10.00s。

圖6為主用傳感器反饋值過慢向上變化時各主要參數(shù)錄波曲線。由圖可以看出，52.35s時刻，主用傳感器開始過慢向上變化，持續(xù)20.00ms調速器SPC已主動識別到故障并提示小報警信號OU_R129，跳變持續(xù)20.00s后，導葉開度反饋值SE_POS自動切換至備用傳感器SE2_SCA選值。

3.5 主用傳感器反饋值下行過慢變化測試

測試目的：驗證導葉傳感器反饋值下行過慢變化時SPC故障識別、無擾切換和自動恢復等容錯邏輯是否正確。

初始狀態(tài)：模擬主用傳感器工作電流12.00mA，備用傳感器工作電流12.05mA，導葉開度設定值CSC為61.0%。

測試方法：主用傳感器電流值由12.00mA下行慢速變化到4.00mA，歷時10.00s。

同3.4導葉傳感器反饋值上行過慢變化試驗一樣，由于水電機組運行時功率調整頻繁，導葉開度微調使用普遍，該處容錯邏輯謹慎考慮，即主用傳感器反饋值過慢變化持續(xù)一定時間才應進行選值切換。

4 結束語

導葉開度容錯處理技術是調速系統(tǒng)的關鍵技術之一。結合惠州抽水蓄能電站調速器實際，本文提出的二選一導葉開度量測容錯技術，能快速準確偵測開度量測傳感器常見故障，包括斷線、測量值過快跳變或/和過慢變化，并主動切換至備用傳感器選值。該技術滿足了容錯判定和決策的準確性和實時性，能有效提高調速器導葉開度量測容錯能力。模擬測試和運行記錄證明了該方法的有效性。

[1]王福利，張穎偉． 容錯控制[M]． 沈陽： 東北大學出版社，2003．WANG Fuli，ZHANG Yingwei． Fault-tolerant Control[M]．Shenyang： Northeastern University Press，2003．

[2]魏守平．水輪機控制工程[M]． 武漢： 華中科技大學出版社，2005．WEI Shouping． Hydro turbine Control Project[M]． Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2005．

[3]陳偉．大型水電廠水輪機調速器導葉開度反饋容錯技術改進[C]，2012年抽水蓄能會議論文集．2012．CHEN Wei． Improvement of Fault-tolerant Technique on Feedback of the Diffuser Open of Hydroturbine Speed Regulator for Large-scale Hydropower Plant [C]，2012 Pumped Storage Conference Argumentation Collection．2012．

[4]李輝，范進喜，許丹丹．冗余技術在水輪機調速器導葉開度反饋中的應用[J]．水力發(fā)電，2013（09）．LI Hui，F(xiàn)AN Jinxi，XU Dandan． Application of Redundancy in Feedback of Diffuser Open of Hydroturbine Speed Regulator[J]．Water Power，2013 (09)．

[5]田顯斌．三選二冗余測量技術在太平驛電廠調速器上的應用[J]． 水電廠自動化，2010 （03）．TIAN Xianfu． Application of Two from Three Redundancy Technique in Speed Regulator in Taiping Station[J]． Hydropower Plant Automation，2010 (03)．

[6]潘熙和，黃業(yè)華，畢東紅，徐新民．水輪機調速器冗余方案探討與實踐[J]． 電力系統(tǒng)自動化，2009 （21）．PAN Xihe，HUANG Yehia，BI Donghong，XU Xinmin．Discussion and Practice of Redundancy Scheme of Hydroturbine Speed Regulator[J]． Power System Automation，2009 (21)．

2017-02-15

2017-05-20

陳 偉（1984—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、調速器控制技術等。E-mail： chenvi@163．com

符彥青（1981—），男，漢族，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站繼電保護、調速器控制技術等。E-mail：fyqqc727@163．com

Application of Redundancy Technology of Picking One from Two in Guide Vane Opening Measuring System in Pumped Storage Power station

CHEN Wei，F(xiàn)U Yanqing
（Hainan pumped storage company，Qiongzhong 572926，China）

The value of wicket gate position sensors is an important feedback to the governor closed-loop control system. The faulttolerant technology of wicket gate position measurement is essential to the governor system. In this paper，an improved guide vane measurement of fault-tolerant technology is introduced. Common fault of position sensor can be detected accurately，such as a wire lost detection on the main sensor，too fast deviation from sensors and too slow deviation from sensors. The faults caused a switchover Speed governor will automatically switch to select a value from non-fault sensor. Field tests and long time run on the speed governor show that the improved technology can effectively improve fault tolerance of wicket gate position measurement.

picking one from two; speed governor; fault tolerance

TV72

A學科代碼：570．15

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．019