李 士 哲， 李 金 輝

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

某大型水電站水輪機控制系統(tǒng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的開機令后，調速器控制系統(tǒng)能按照既定的開機邏輯，由靜止態(tài)經開機過程轉為空載態(tài)，并接受同期指令進行轉速調整，實現(xiàn)并網態(tài)[1]。當開機過程中出現(xiàn)異常時，會對水輪機轉輪葉片、蝸殼、壓力鋼管等造成較大的沖擊，因此調速器自動開機過程中按照既定邏輯開機尤為重要。

但受工作年限以及現(xiàn)場復雜環(huán)境影響，調速器控制系統(tǒng)測頻元件本身的故障偶有發(fā)生及機組開機瞬間振動較大[2]。當故障出現(xiàn)時，調速系統(tǒng)若不能及時進行故障定位與診斷，將嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行。通過分析某電站機組自動開機過程中調速器故障原因，提出了一種水輪發(fā)電機組在開機過程中對頻率跳變的解決方法，提升了機組開機過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

1 某大型水電站調速器自動開機規(guī)律

某大型水電站調速器開機過程需經歷兩個階段。在調速器收到監(jiān)控系統(tǒng)的開機令后，先將導葉開啟至第一開機開度，在開機邏輯中，第一開度為當前水頭下協(xié)聯(lián)算出的空載開度的基礎上再加上15%開度。此時，機組將獲得比較大的啟動轉矩。導葉開至第一開機開度后，機組頻率快速上升，當機組頻率上升至35 Hz時，為防止機組頻率上升速度過快，調速器控制系統(tǒng)將導葉調至第二開機開度，第二開度為第一開度減去10%開度。當機組頻率上升到45 Hz后，調速器進入空載態(tài)，根據空載PID參數進行精確調節(jié)[3]，調速器自動開機進入空載態(tài)曲線見圖1。

圖1 調速器自動開機進入空載態(tài)曲線

通過統(tǒng)計某大型水電站1～6號機調速器自動開機時間規(guī)律，當監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出調速器開機令后，調速器控制系統(tǒng)按照自動開機規(guī)律開啟導葉，機組頻率緩慢上升，調速器控制系統(tǒng)檢測到頻率的時間約為12 s，機組頻率達到空載態(tài)50 Hz的時間約為45 s，某大型水電站調速器自動開機規(guī)律時間統(tǒng)計見表1。

表1 某大型水電站調速器自動開機規(guī)律時間統(tǒng)計

2 調速器自動開機過程異常分析

2.1 自動開機異常經過

某大型水電站4號機組開機過程中，當轉速1%Ne退出時，CCS報“4號機調速器A套齒盤測頻1、測頻2故障(SJ30)，調速器A套機組殘壓測量故障(SJ30)、A套全頻故障(SJ30)、A套頻率采樣故障，4號機調速器調節(jié)器A套總故障，4號機調速器調節(jié)器A套嚴重故障，4號機調速器伺服閥切換動作，4號機調速器調節(jié)器A套/B套切換動作，4號機調速器A套切至導葉純手動(SJ30)，4號機調速器A套主用(SJ30)退出、B套主用(SJ30)到達”信號?，F(xiàn)地檢查4號機電調畫面中“A套頻率偏差故障、齒盤1、2測速故障、機組PT頻率故障，A套總故障”指示燈點亮，PCC運行在B套。檢查4號機組調速器信息窗，A套殘壓、齒盤1、齒盤2頻率與B套殘壓、齒盤1、齒盤2頻率顯示一致，刷新正常，4號機組后續(xù)正常并網。

2.2 故障原因分析

根據事件記錄，14:59:54.000監(jiān)控開出4號機調速器開機令，14:59:58.0004號機調速器全關退出，導葉開啟。15:00:00.987 由于4號機組調速器測頻(殘壓、齒盤1、齒盤2)采樣出現(xiàn)跳變，最大跳變記錄值為47.5 Hz，調速器開機過程中頻率曲線見圖2。調速器A套進入空載態(tài)，當頻率跳變回實際值時(根據正常開機波形，接收到開機令6 s后，殘壓、齒盤1、齒盤2測頻采樣此時仍無法測到)，因此調速器報“4號機組調速器A套頻率采樣故障”與4號機調速器A套總故障報警，A套總故障報警引起“15:00:02.140 調速器控制系統(tǒng)A/B套切換、4號機組調速器伺服閥切換動作”。因SJ30時序滯后，殘壓測頻、齒盤1、齒盤2測頻故障報警滯后約1.8 s(殘壓測頻、齒盤1、齒盤2測頻故障在IP161內進行處理判斷，僅在空載或并網情況下才能輸出報警)。隨后齒盤1、齒盤2測頻故障均到達，滿足嚴重故障判斷條件中“調速器A套全頻故障”條件。15:00:01.493報出“4號機組調速器A套嚴重故障”，導致15:00:03.212 A套切換至導葉純手動(SJ30時序滯后)。15:00:05.275因A套開機過程中殘壓、齒盤1、齒盤2測頻信號恢復正常，“4號機組調速器A套嚴重故障” 和 “4號機組調速器A套頻率采樣故障”復歸，15:00:05.791 “調速器控制系統(tǒng)A/B套切換動作復歸、4號機組調速器伺服閥切換動作復歸”。

15:01:07.245 機組實際頻率已達到45 Hz，調速器控制系統(tǒng)按照空載PID參數進行調節(jié)，機組轉速升至50 Hz，然后進行空載和并網增負荷調節(jié)。

根據某大型水電站調速器控制系統(tǒng)內部邏輯，殘壓測頻故障、齒盤1、齒盤2測頻故障、頻率采樣故障、頻率超差故障、嚴重故障僅在空載態(tài)或并網態(tài)才會報出。其中殘壓測頻故障、齒盤1、齒盤2測頻故障在IP161中進行的判斷，頻率采樣故障、頻率超差故障、嚴重故障在CP340中進行判斷，因此可分析調速器A套在開機過程中提前進入了空載態(tài)。調速器由開機態(tài)進入空載態(tài)條件：機頻>45 Hz或開機時間(從收到開機令開始計時)超過50 s。正常情況下開機至50 Hz需要45 s左右，此次報警在收到開機令后6 s左右。

再根據調速器開機過程中頻率曲線(圖2)，在開機過程中A套頻率采樣有較為明顯的向上跳變現(xiàn)象。由于監(jiān)控系統(tǒng)采樣周期1 s，采樣精度不足，開機過程中A套頻率采樣有可能已跳變至47.5 Hz，導致機組提前進入空載態(tài)。根據開機過程中調速器事件簡報，調速器在接收開機令后，A套測頻回路頻率發(fā)生跳變，頻率采樣超過45 Hz，機組立即進入空載態(tài)，但此時仍未測到實際頻率。因機組頻率過低，調速器系統(tǒng)報出殘壓、齒盤測頻1、齒盤測頻2故障，控制系統(tǒng)開出A套全頻故障報警、嚴重故障、A/B套切換、伺服閥切換以及A套切換至手動方式。

圖2 調速器開機過程中頻率曲線(導葉開度單位：%，頻率單位：Hz)

在B套正常調節(jié)模式下，B套PID輸出迅速減少，導葉跟隨給定進行減少，導葉開度由20%減少至10%左右，機組頻率下降至50 Hz，隨后機組進行正?？蛰d和并網調節(jié)。

2.3 測頻故障的排查

根據某大型水電站調速器測頻設備配置，導致調速器頻率跳變的因素為：發(fā)電機出口PT、測速齒盤、頻率處理環(huán)節(jié)的四路信號轉換模塊以及測頻計算環(huán)節(jié)的 CPU1P161 模塊。

在對齒盤探頭的安裝及緊固情況檢查時發(fā)現(xiàn)探頭支架橫向用人力單手可晃動， 強度較弱。同時2只探頭的間距為38 mm，已接近極限間距(34 mm)，探頭間距過小，尤其在振動劇烈時，彼此可能存在電磁干擾，影響脈沖輸出[4]。

四路信號轉換器為頻率處理模塊，能夠對輸入的頻率信號進行降壓、 濾波、 整形、 分頻等[5]。機組在導葉開啟過程中，PT 較為微弱。開機過程中，主要為導葉開啟過程， 自動化電感元器件的頻繁投退操作已經完成， 電磁干擾可能性較小，所以因模塊自身故障引起測頻跳變的可能性不大。 且根據歷史記錄，1號機和 6號機更換新的模塊后，在開機過程中也發(fā)生過類似的全頻故障等嚴重故障。 所以，該模塊故障的可能性排除。

IP161測頻單元如果故障，首先網頻也會報出故障，且故障應該一直存在?？v觀自投產以來出現(xiàn)的4次故障，均發(fā)生在開機階段，空載和發(fā)電后均正常。這與IP161故障發(fā)生的現(xiàn)象不符合，所以該模塊的故障可排除。

電廠技術人員對測頻回路的電纜屏蔽、端子緊固，以及探頭本身品牌、型號均做了排查，未發(fā)現(xiàn)異常情況。

綜合上述排查，可斷定引起頻率跳變的原因為：機組在開機過程，即調速器在得到開機令的10 s內，導葉迅速開啟，在蝸殼內形成強大的射流沖擊轉輪葉片。由于機組慣性較大，水能未充分轉換成旋轉動能，機組在9 s內基本處于不動和蠕動(0.5 Hz以內)之間，巨大的能量會使下機架產生較大的振動，探頭支架臂安裝在下機架內側，長度約600 mm。由于支架臂在水平方向未做加強支撐，在末端瞬間會形成較強的抖動(放大誤差)。此時，探頭若正好處在齒沿( 初始位置在齒沿或因蠕動使探頭掃過齒沿)， 就會形成交變高頻脈沖(0-1-0-1…)，從而引起齒盤測頻跳變。

3 調速器自動開機過程故障解決措施

為避免單一測頻環(huán)節(jié)異常導致調速器進入空載態(tài)，同時對故障點進行進一步定位，對控制程序進行如下優(yōu)化。

(1)優(yōu)化開機進入空載態(tài)邏輯判斷策略。修改頻率判斷策略，頻率大于45 Hz且開機時間大于30 s。

(2)開機過程中20 Hz以下選擇齒盤測速作為主用，20 Hz以上選擇殘壓作為主用。

(3)對殘壓、齒盤1、齒盤2信號分別進行跳變檢測判斷。5個周期內頻率變化值超過10 Hz，即判斷為跳變，并將跳變信號送至觸摸屏進行顯示，跳變信號為保持型，需人為手動復歸。檢測出的跳變信號僅用于觸摸屏顯示，不作為總故障條件，也不參與其他控制。

通過完善調速器開機過程中進入空載態(tài)邏輯，并在開機過程中模擬頻率跳變進行實際驗證，避免了在開機過程中因頻率跳變而引起調速器控制系統(tǒng)全頻故障的現(xiàn)象。

4 結 語

通過分析某大型水電站開機過程中誤報全頻故障的原因，提出了在開機過程中對頻率跳變的解決措施，提升了機組開機過程中的穩(wěn)定性和可靠性。同時對大型機組開機過程中頻率跳變的處理提供了一定的參考價值，對提高水電站的安全運行具有重大作用。