第41卷第3期2020年3月自㊀动㊀化㊀仪㊀表PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATIONVol.41No.3Mar.2020收稿日期:2019-08-22作者简介:凌胜军(1974 ),男,学士,高级工程师,主要从事水电厂技术研发与设备的管理工作,E-mail:xsxlsj@基于冗余方式的水轮发电机调速系统的可靠性提升凌胜军(国投甘肃小三峡发电有限公司,甘肃兰州730050)摘㊀要:调速系统是水电站参与控制调节的重要设备,自动调节水轮发电机组的转速,满足电网对频率质量的要求㊂水电站采用 无人值班(少人值守) 的运行方式,提高了对水轮发电机调速系统可靠性的要求㊂冗余是增加重复部分或对原本的单一部分进行备份,依靠冗余配置是提高调速系统可靠性的重要方式㊂通过对调速系统电源㊁电液转换㊁控制器㊁信号㊁压力油源㊁主配压阀几部分设备的冗余配置,分析各设备的功能㊁实现方法㊁效果,通过冗余配置提高了水轮发电机组和电站整体的可靠性㊂同时,该系统对于航运㊁水利㊁船舶等采用液压控制类的行业及领域具有较好的参考作用㊂关键词:冗余;水轮发电机;调速系统;水电站;可靠性中图分类号:TH13㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀DOI:10.16086/ki.issn1000-0380.2019080043Reliability Improvement of Hydro Generator Governing SystemBased on RedundancyLING Shengjun(SDIC GanSu XiaoSanXia Power Co.,Ltd.,Lanzhou 730050,China)Abstract :The turbine governing system is an important equipment involved in the control and regulation of hydropower station,which automatically adjusts the rotational speed of the hydro generator unit to meet the requirements of the power grid forfrequency quality.The unattended (with few people on duty)operation mode adopted by the hydropower station raised therequirement for reliability of the hydro-generator governing system.Redundancy is the duplication of parts or the backup of original single parts.Redundant configuration is an important way to improve the reliability of governing system.By redundantconfiguration of such parts as power supply,electro-hydraulic converter,controller,signaling,pressure source and main distributing valve,and by analyzing the function,realization method and effect of each equipment,the reliability of the hydro-generator set and the hydropower station was improved.It can be used as a reference for shipping,water conservancy,ships andother industries and fields that use hydraulic control.Keywords :Redundant;Hydraulic generator;Governing system;Hydropower station;Reliability0㊀引言水轮发电机调速系统主要功能包括:自动调节水轮发电机组的转速,使其保持在额定转速允许偏差内运转,满足电网对频率质量的要求;使水轮发电机组自动或手动快速启动,适应电网负荷的增减㊁正常停机㊁紧急停机的需要;水轮发电机组在电力系统中并列运行时,调速系统能自动承担预定的负荷分配,使各机组能实现经济运行;满足转桨式㊁冲击式水轮发电机双重协联关系调节的需要;满足电网对水电站自动增益控制(automatic gain control,AGC)㊁一次调频等调节控制要求㊂调速系统与水轮发电机调节品质息息相关,关系到电网的供电质量及电网安全,很多水电站采用 无人值班(少人值守) 的运行方式,提高了对水轮发电机调速系统的可靠性要求㊂冗余配置是进行相同的重复配置或在功能上实现相同的目的而增加的配置,依靠冗余配置是提高调速系统可靠性的重要方式㊂冗余方式下,当一套设备故障时可切至另一套设备,不影响系统整体的运行㊂对调速系统的重要设备㊁装置㊁元件等各类部件设备进行两套或两套以上的配置,一套部件故障后切换至另一套运行,包括调速系统电源㊁电液转换㊁控制器㊁频率信号㊁开度反馈信号㊁压力油源㊂采用冗余方式提高水轮发电机调速系统的可靠性,部分冗余方式已广泛应用在水电站已[1-7],调速系统第3期㊀基于冗余方式提高水轮发电机调速系统的可靠性提升㊀凌胜军主配压阀这种大功率元件的冗余也有少量的应用与研究㊂1㊀电源冗余的可靠性调速系统的电源消失将造成非常大的影响和损失㊂根据现行标准要求,当调速系统电源消失时,应能够实现 失电关闭 ㊁ 失电动作 ㊁ 失电停机 等功能,即当调速系统控制电源消失时,能够实现自动动作关闭导水机构㊂当机组处于发电运行状态时,水轮发电机调速系统因电源消失关闭导水机构,会对电网带来影响;同时,水轮发电机导水机构关闭而机组的出口断路器处于合闸状态,会造成机组调相运行㊂调相运行可能造成发电机损坏或电力系统不稳定,调速系统电源消失时向机组监控系统或保护设备发出信号作用于分开机组出口断路器,也易造成发电机过速的情况㊂因此,一定容量的水轮发电机调速系统的电源采用冗余方式㊂电源由一路交流㊁一路直流或两路直流电源组成㊂水电站的直流电源一般由整流设备或蓄电池组输出㊂整流设备或蓄电池组同时由多路提供,交流电源通常也取自不同回路,电站提供给调速系统的交直流电源较为可靠,较少发生电源同时消失的情况㊂调速系统电源消失一般是由系统内部短路㊁接地等故障引起的,应对调速系统内部电源设备的设计㊁安装㊁接线等引起重视㊂在电源设计中,采用接地㊁滤波㊁屏蔽㊁电路㊁分布式隔离等技术,以提高调速系统供电电源的可靠性㊂正常情况下,由一路交流和一路直流组成的两套电源整流器中的高频整流模块并列运行㊂当其中任一路发生事故,或某一路电源故障㊁检修退出运行时㊂另一组整流器可单独运行㊂通过冗余方式配置调速系统的电源,互为热备用㊁无扰切换,任一路电源消失均不会对调速系统调节产生影响,提高电源的可靠性㊂调速系统交直流冗余电源供电原理如图1所示㊂图1㊀调速系统交直流冗余电源供电原理图Fig.1㊀Schematic diagram of AC /DC redundant power supplyfor governing system2㊀电液转换冗余的可靠性电液转换是将输出的综合电气信号转换成具有一定操作力和位移量的机械位移信号或一定压力的流量信号㊂机械位移信号或流量信号最终作用于接力器㊁导叶㊁桨叶,应用较多的电液转换有伺服比例阀㊁步进电机㊁数字阀等,各有其优缺点㊂以伺服比例阀的电液转换冗余方式为例㊂伺服比例阀是将输入的电信号转换为流量输出信号的电磁阀,其结合了伺服阀和比例阀的优点,既有伺服阀的高精度和高响应性,又有比例阀的电磁操作力大㊁抗油污能力较强等优点㊂伺服比例阀也存在控制器模拟电路产生的温飘和零飘,使得控制系统易受温度变化的影响;本身的非线性因素如死区㊁滞环等难以实现彻底补偿;但其整体性能仍然较为优良,在各种类型的水轮发电机调速系统中应用广泛㊂伺服比例阀1和伺服比例阀2并列运行,压力油同时输入这两个伺服比例阀,两个伺服比例阀的输出至冗余伺服比例阀切换阀㊂冗余方式中,一套伺服比例阀为主用,另一套伺服比例阀为备用㊂主用具备实际输出功能,备用不进行实际输出㊂通过检测主用一套的伺服比例阀电液转换控制输入与导叶接力器位移㊁主配压阀位移的变化㊁大小及方向,来判断这套伺服比例电液转换是否正常㊂当检测到当前主用的伺服比例电液转换故障时,将另一套备用伺服比例电液转换器切为主用,切换时接力器的位移ɤ1%;同时冗余伺服比例阀切换阀动作,油路也切换至备用的伺服比例阀电液转换㊂电液转换是调速系统的重要部件,也是故障率较高的部件㊂通过伺服比例阀或其他电液转换元件的冗余方式,可提高调速系统电液转换的可靠性㊂伺服比例阀电液转换冗余结构如图2所示㊂图2㊀伺服比例阀电液转换冗余结构图Fig.2㊀Redundancy structure diagram of electro-hydraulicconverter for proportional servo valve㊃18㊃自㊀动㊀化㊀仪㊀表第41卷3㊀控制器冗余的可靠性水轮发电机调速系统控制器是调速系统的核心部件,完成调速系统的信号采集㊁数据运算㊁控制值输出及其他附加功能㊂可编程逻辑控制器(programmablelogic controller,PLC)㊁可编程计算机控制器(programmable computer controller,PCC)因性能优秀㊁可靠性高等特点得到广泛的应用,尤其是PCC具有较强的测频精度㊁多任务功能㊂控制器的冗余配置为热备方式,正常时一台控制器为主用控制器,另一台为备用控制器㊂只有主用控制器具有控制权㊂主用控制器进行实际控制输出,每台控制器对自己的模块和元件进行检测,两台控制器通过通信或电路进行主用㊁备用的切换并实时检测对方的状态㊂当备用控制器检测到主用控制器或元件故障时,备用控制器切为主用,即拥有控制权,冗余控制器切换引起接力器的变化应ɤ1%㊂这样,通过控制器的冗余配置,可大幅提高调速系统的可靠性㊂4㊀信号冗余的可靠性水轮发电机调速系统接入信号众多,包括水头㊁机组断路器㊁导叶与桨叶的开度信号㊁频率信号等,其中频率和开度信号更为重要㊂调速系统主要以频率和开度信号实现和判断开机㊁停机㊁调节等功能,对频率和开度信号的可靠性提出了更高的要求㊂4.1㊀频率信号冗余可靠性新机组首次启动㊁大修后的首次开机或长时间停机的机组开机这几种情况,TV测频可能不可靠,就需要使用齿盘测频㊂当机组与电网失步,齿盘测频也比较可靠;齿盘测频不受检修㊁停机的影响,但要求有较好的制造㊁安装精度及传感器的准确性㊂基于调速系统测频的重要性[8-17],为提高测频的可靠性,通常采用冗余测频的方式,即一路TV测频㊁一路齿盘测频或者二路TV测频㊁二路齿盘测频㊂TV测频方式简单㊁技术成熟,正常情况下可作为主用测频方式㊂齿盘测频不受残压的限制,也具有较高的可靠性,具备零转速检测功能,可作为备用测频方式㊂实际应用中,在新机组启动㊁大修开机㊁长时间停机这几种情况下,采用齿盘测频方式,其他的使用情况采用TV测频㊂机组正常开机时,在励磁投入前采用齿盘测频方式,励磁投入后残压较高,测频较准确时采用TV测频方式,通过冗余测频的方式提高调速系统测频的可靠性㊂4.2㊀开度信号冗余可靠性开度信号即水轮发电机导叶[18-22]㊁桨叶接力器的位移量,是调速系统动作执行情况的依据,也是调速系统控制调节的体现和反馈,在调速系统的故障中占有较高的比例㊂为提高开度信号的可靠性,在大中型水电站较多采用冗余方式的开度信号,调速系统开度信号冗余中导叶㊁桨叶分别配置两个或两个以上性能参数完全相同的传感器,安装位置㊁安装方式也应一致,保证传感器输出的一致性㊂实际应用中,将一个开度传感器作为主用,另一个作为备用,并以主用作为导叶㊁桨叶位移的判断依据㊂当检测到主用传感器故障时,将备用传感器作为主用,或者将两个及两个以上的传感器综合计算作为导叶㊁桨叶位移的判断依据㊂当检测到某一个传感器故障,则不再将此故障传感器作为开度综合计算的判断依据㊂这样,通过冗余配置传感器的方式,可提高开度信号的可靠性㊂5㊀压力油源冗余的可靠性压力油源向调速系统提供稳定的操作介质㊂考虑到调速系统在水轮发电机中的重要性,也会对压力油源作冗余方式设计㊂当系统的压力油源消失,水轮发电机即处于失控的情况,尤其是压力油源快速消失时,对机组是极为危险的㊂因此,应保证调速系统正常一路油源消失时能够有稳定㊁可靠的冗余备用油源或事故油源接入调速系统,保证机组的正常停机或短时间的调节运行㊂压力油源的冗余一般只是功能上实现的冗余,冗余油源的容量㊁配置与正常的压力油源不同㊂冗余油源根据水轮发电机容量㊁所在电网的重要性等不同而配置,大容量的一台机组调速系统配置一套冗余油源;部分机组由两台机组配置一套冗余油源,即两台机组合用的冗余油源;也有全厂所有机组配置一套冗余油源㊂压力油源正常时作为调速系统的操作介质,冗余油源在正常压力油源消失时作为操作介质,当检测到正常一路的油源压力较低时立即投入冗余的压力油源,并将原正常的压力油源从调速系统切除,通过冗余油源提供调速系统操作介质的可靠性㊂6㊀主配压阀冗余的可靠性主配压阀作为最后一级流量放大,由液压或行程来控制㊂阀芯上下二腔为主控制腔,分别与主接力器开启腔和关闭腔相连接,直接作用于接力器,带动水轮发电机导叶和桨叶的开启或关闭㊂阀芯中间腔为主配压阀操作油输入腔,与压油装置出口管路相连接㊂作为大功率元件,主配压阀可靠性较高,一般不太容易卡阻,冗余也较为困难,为保证机组安㊃28㊃第3期㊀基于冗余方式提高水轮发电机调速系统的可靠性提升㊀凌胜军全,可通过事故配压阀或机组快速闸门实现可靠停机㊂一般使用中经过较长时间主配压阀有磨损的情况,可考虑整体更换㊂7 结论冗余即重复配置系统的一些部件㊁设备㊂当这些部件或设备发生故障时,冗余方式配置的设备能够介入并承担工作,减少故障时间㊂根据水轮发电机调速系统的重要性和调速系统各环节的故障情况,在供电电源㊁控制器㊁电液转换㊁测频信号㊁开度信号方面有必要采用冗余配置的方式㊂压力油源可根据机组容量㊁重要性作冗余配置,在巨型水电站还应采用更多的冗余方式,如电源㊁电液转换㊁开度信号等使用两个及两个以上的冗余方式,或对其他调速系统的设备采用冗余方式,以提高调速系统的可靠性,以及水轮发电机组的可靠性㊂参考文献:[1]南海鹏.水轮发电机组PCC控制[M].西安:西北工业大学出版社,2002.[2]魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉:华中理工大学出版社,2001.[3]叶灵芝,贾立,宋鸣程.基于工况划分的火电机组运行多目标优化[J].自动化仪表,2019,40(5):25-30.[4]桂小阳,梅生伟,刘锋,等.水轮机调速系统的非线性自适应控制[J].中国电机工程学报,2006,26(8):70-71.[5]辛悦夷,李奇达.直流电机控制系统性能评价及控制优化[J].自动化仪表,2019,40(1):90-94,98.[6]饶洪德,莫京军,杨兰.智能自整定水轮机调速器PID参数[J].湖南电力,2004,24(2):1-4.[7]郭自刚,陈俊,陈佳胜,等.大型水电机组保护若干问题探讨[J].电力系统保护与控制,2011,39(3):148-151. [8]郭钰锋,徐志强,于达仁,等.考虑调频死区的二次调频控制回路设计[J].中国电机工程学报,2004,24(10):77-81. [9]凌光达,陈炳森,玉一宏.水轮机微机调速器PID调节规律及其参数整定[J].水利水电技术,2009,40(6):11-19. [10]蔡卫江.PCC在小湾水电站水轮机调速系统上的应用[J].自动化信息,2009(5):82-83.[11]陈品云.葛洲坝大江电厂电调柜的改造与完善[J].水电站机电技术,1997(3):23-25.[12]南海鹏,王德意,王涛.基于可编程控制器的水轮机调速器[J].中国农村水利水电,2001(5):55-56.[13]高炜,李树军,梁为育,等.西门子PLC与力士乐L65在手轮控制中的应用[J].自动化仪表,2018,39(3):95-98,102. [14]徐洁,张红芳,蔡波,等.水电厂数字化设备各层互联技术的现状及发展趋势[J].水电自动化与大坝监测,2008,32(6):1-4.[15]朱辰.现地控制单元在水电厂自动化中的应用和发展趋势[J].软件,2006(6):30-34.[16]严杰,徐洁,孙延岭.微型一体化可编程逻辑控制器的设计[J].水电自动化与大坝监测,2010,34(1):1-4.[17]戴义平,赵婷,高林.发电机组参与电网一次调频的特性研究[J].中国电力,2006,39(11):37-41.[18]国家质量监督检验检疫总局.GB/T9652.1-2007水轮机控制系统技术条件[S].北京:中国标准出版社,2007. [19]国家能源局.DLT/792-2013水轮机调节系统及装置运行与检修规程[S].北京:中国电力出版社,2013.[20]国家能源局.DL∕T496-2016水轮机电液调节系统及装置调整试验导则[S].北京:2016.[21]国家能源局.DL∕T1245-2013水轮机调节系统并网运行技术导则[S].北京:2013.[22]国家能源局.DL∕T1800-2018水轮机调节系统建模及参数实测技术导则[S].北京:2018.(上接第79页)[6]宋宇,刘彬,耿益营.基于FPGA的实时图像采集系统[J].长春工业大学学报,2016(6):50-54.[7]赵伟超.基于FPGA和Cortex-M4的图像采集系统设计[D].郑州:河南科技大学,2015.[8]于点.数字T/R组件测试仪的基带发生与接收模块设计[D].成都:电子科技大学,2016.[9]刘姑城.双极性阻变存储器外围关键电路设计[D].合肥:安徽大学,2018.[10]王华,娄小平,李伟仙,等.基于FPGA工具的关节臂激光扫描测头CMOS图像采集系统[J].工具技术,2017,51(6): 112-116.[11]陈彬,伍乾永,刘永春.基于FPGA的VGA控制模块设计[J].微电子学,2008,38(2):306-307.㊃38㊃。
