翟玉杰，陳 浩，艾遠(yuǎn)高

（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

水電機(jī)組導(dǎo)葉位置傳感器反映了水輪機(jī)導(dǎo)葉開度的大小，決定了機(jī)組頻率（轉(zhuǎn)速），其信號可靠性對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1]。某巨型水電站安裝有多臺單機(jī)容量700MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，調(diào)速器選用可編程微機(jī)調(diào)速器[2]。接力器位移經(jīng)現(xiàn)地傳感器采集，通過屏蔽電纜直接輸入調(diào)速器模擬量采集模件，導(dǎo)葉位置傳感器信號能快速直接反映接力器行程，換算得到的導(dǎo)葉開度值是參與調(diào)速器PID運(yùn)算和控制的關(guān)鍵控制量[3]。該水電站調(diào)速器由多個廠家提供，有3種不同的調(diào)速器控制結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)葉位置傳感器選擇控制邏輯也存在差異。

1 “三選二”控制邏輯

目前，該電站左岸機(jī)組調(diào)速器控制器采用貝加萊X20系列PCC雙機(jī)冗余系統(tǒng)，電液轉(zhuǎn)換單元采用非對稱結(jié)構(gòu)，其中A機(jī)控制比例閥，B機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，組成雙電液轉(zhuǎn)換器冗余結(jié)構(gòu)。該機(jī)組共設(shè)置3套導(dǎo)葉位置傳感器，分別為A套、B套、C套，3套導(dǎo)葉位置傳感器都安裝在接力器側(cè)面，屬于拉桿式磁致伸縮位移傳感器，其中A套導(dǎo)葉位置傳感器供調(diào)速器A機(jī)使用，B套導(dǎo)葉位置傳感器供調(diào)速器B機(jī)使用，C套導(dǎo)葉位置傳感器作為公共參考傳感器使用[4]。調(diào)速器A、B機(jī)控制器接收到導(dǎo)葉位置傳感器信號后通過A、B機(jī)通信互送導(dǎo)葉位置信號。C套導(dǎo)葉位置傳感器信號通過二分器分別引入調(diào)速器A機(jī)和B機(jī)控制器[5]。這樣每個控制器都收到3套導(dǎo)葉位置傳感器信號，并通過“三選二”邏輯判斷，用于確認(rèn)調(diào)速器所收到的導(dǎo)葉位置傳感器信號是否可信?！叭x二”邏輯控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 “三選二”邏輯控制結(jié)構(gòu)圖Figure 1 “Two out of three”logic control structure diagram

為表述方便，現(xiàn)將A套傳感器采樣值簡寫為A，B套傳感器采樣值簡寫為B，C套參考傳感器采樣值簡寫為C。調(diào)速器A機(jī)控制器使用A套傳感器采樣值，增加A機(jī)傳感器故障判斷，“三選二”判斷邏輯框圖如圖2所示。

圖2 某機(jī)組“三選二”邏輯框圖Figure 2 “Two out of three”logic block diagram of a unit

在3個傳感器都沒有故障的情況下，|A-B|＜偏差設(shè)定值或|A-C|＜偏差設(shè)定值，則選擇A套主用，若|A-B|＞偏差設(shè)定值或|A-C|＞偏差設(shè)定值或|B-C|＞偏差設(shè)定值進(jìn)行傳感器超差報(bào)警；|A-B|＞偏差設(shè)定值且|A-C|＞偏差設(shè)定值，則判斷A套傳感器故障，并進(jìn)行A、B機(jī)控制器主從切換。在程序運(yùn)算過程中，導(dǎo)葉開度信號仍然是A機(jī)控制器采用A套主接傳感器信號作為主信號源，“三選二”的選擇邏輯只對主信號源的可靠性進(jìn)行判斷，并不對模擬量輸出結(jié)果進(jìn)行綜合計(jì)算。B機(jī)傳感器故障判斷邏輯與A機(jī)相同。

導(dǎo)葉位置傳感器信號“三選二”判斷邏輯，大幅提高了主用傳感器的可信度，故障判斷依據(jù)合理，對以往“二選一”邏輯提出了補(bǔ)充，但此判斷邏輯需外加1套硬件予以配合，對3套傳感器安裝精度要求較高，后期維護(hù)和傳感器校驗(yàn)工作量較大?！叭x二”的選擇邏輯只對主用傳感器可信度進(jìn)行判斷，并不改變主用傳感器的輸出結(jié)果。傳感器本體損壞后，仍需調(diào)速器A、B機(jī)切換來降低故障影響。

2 “高選”控制邏輯

該類機(jī)組調(diào)速器控制器采用GE公司3機(jī)冗余MICRONET TMR系列，電液轉(zhuǎn)換單元采用雙比例閥，組成雙電液轉(zhuǎn)換器冗余結(jié)構(gòu)[6]。該機(jī)組共配備2套導(dǎo)葉位置傳感器，分別為1號導(dǎo)葉位置傳感器和2號導(dǎo)葉位置傳感器，屬于拉桿式磁致伸縮位移傳感器，其中1號導(dǎo)葉位置傳感器信號通過現(xiàn)地采集板FTM實(shí)現(xiàn)輸入冗余，供調(diào)速器A機(jī)和C機(jī)103模擬量采集板使用，2號供調(diào)速器A機(jī)和C機(jī)104模擬量采集板使用，最后經(jīng)控制器內(nèi)部總線將1號和2號導(dǎo)葉位置傳感器信號送至B機(jī)CPU，這樣每個CPU都接收到兩套導(dǎo)葉位置傳感器信號，再通過判斷邏輯選擇出可靠的導(dǎo)葉位置傳感器信號。“高選”邏輯控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 “高選”邏輯控制結(jié)構(gòu)圖Figure 3 “High selection”logic control structure diagram

該機(jī)組每套導(dǎo)葉位置傳感器信號輸入采集板，首先通過調(diào)速器控制程序進(jìn)行模擬量越限故障判斷（電流型4～20mA），對于4～20mA模擬量通道，均可以采用越限判斷[7]。這種方法比較簡單、有效，但需要防止外部干擾影響判斷的結(jié)果。其次，在調(diào)速器控制程序中對2套導(dǎo)葉位置傳感器信號采樣值采用高選邏輯，最終輸出采樣值較大的導(dǎo)葉位置傳感器信號供3個控制器使用。為防止1號和2號導(dǎo)葉位置傳感器信號采樣值出現(xiàn)較大偏差，該調(diào)速器程序在進(jìn)行兩路信號高選時，增加了差值判斷，即當(dāng)1號和2號導(dǎo)葉位置傳感器采樣值偏差大于3%時，調(diào)速器報(bào)“1號、2號導(dǎo)葉位置偏差過大”，并將調(diào)速器切至純手動模式，維持導(dǎo)葉開度不變，“高選”邏輯框圖如圖4所示。

圖4 “高選”邏輯框圖Figure 4 Logic block diagram of“high selection”

該導(dǎo)葉位置傳感器信號選擇判斷邏輯簡單，實(shí)現(xiàn)方式簡便，信號輸出結(jié)果由兩套傳感器“高選”獲得，傳感器不存在主備關(guān)系、完全對等，對于輸入、輸出冗余結(jié)構(gòu)較高的控制系統(tǒng)，該選擇邏輯可行。但如果其中一路傳感器故障或傳感器連桿滑塊脫落時，調(diào)速器控制器會鎖存故障前傳感器采樣值，并繼續(xù)維持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，直至2套傳感器采樣值偏差大于3%，調(diào)速器才切至純手動模式。當(dāng)2套傳感器線性度較差或響應(yīng)特性不一致時，“高選”邏輯輸出結(jié)果會出現(xiàn)小幅跳變，尤其是在機(jī)組開機(jī)或停機(jī)等導(dǎo)葉快速變化過程中。

3 “一對一”控制邏輯

該類機(jī)組調(diào)速器控制器采用2套貝加萊2005系列PCC雙機(jī)冗余系統(tǒng)，電液轉(zhuǎn)換單元采用非對稱結(jié)構(gòu)，其中A機(jī)控制比例閥，B機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，組成雙電液轉(zhuǎn)換器冗余結(jié)構(gòu)。機(jī)組共配備2套導(dǎo)葉位置傳感器，其中A套導(dǎo)葉位置傳感器供調(diào)速器A機(jī)使用，B套導(dǎo)葉位置傳感器供調(diào)速器B機(jī)使用，并對采樣值進(jìn)行差值與反饋?zhàn)兓俣扰袛郲8]。“一對一”邏輯控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 “一對一”控制結(jié)構(gòu)圖Figure 5 “One to one”control structure diagram

該機(jī)組每套導(dǎo)葉位置傳感器信號輸入調(diào)速器，首先由調(diào)速器控制程序進(jìn)行模擬量越限故障判斷（電流型4～20mA），其次控制器程序中還對每套導(dǎo)葉位置傳感器信號采用差值與反饋?zhàn)兓俣冗M(jìn)行比較，該差值為導(dǎo)葉給定與導(dǎo)葉位置傳感器反饋值進(jìn)行比較，同樣，在調(diào)速器程序中增加了對導(dǎo)葉位置傳感器信號采樣值濾波及其波動異常的判斷邏輯，通過上述方法，可以有效地判別出每套導(dǎo)葉位置傳感器的運(yùn)行情況。當(dāng)判別出傳感器本體損壞時，需調(diào)速器A、B機(jī)切換來消除故障傳感器的影響，為防止此方法誤判，一般將其條件放寬，但這會在一定程度上犧牲響應(yīng)速度?！耙粚σ弧边壿嬁驁D如圖6所示。

圖6 “一對一”邏輯框圖Figure 6 “One to one”logic block diagram

4 導(dǎo)葉位置傳感器信號故障分析

4.1 故障現(xiàn)象

電站某機(jī)組處于負(fù)載態(tài)功率模式運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)：“機(jī)組接力器傳感器A、B套偏差大”，隨即復(fù)歸。機(jī)組有功功率設(shè)定666MW，實(shí)際有功功率在647～671MW之間波動，趨勢數(shù)據(jù)如圖7所示。運(yùn)行人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，A套導(dǎo)葉位置傳感器連桿萬向節(jié)軸套磨損，從緊固螺桿脫落，A、B套導(dǎo)葉位置傳感器滑塊位置出現(xiàn)偏差。

圖7 導(dǎo)葉位置傳感器連桿脫落趨勢分析Figure 7 Analysis on falling off trend of connecting rod of guide vane position sensor

根據(jù)原機(jī)組導(dǎo)葉接力器位置傳感器高選邏輯，當(dāng)B套導(dǎo)葉開度小于A套時造成導(dǎo)葉開度保持不變，選取A套導(dǎo)葉開度值，此時進(jìn)入PID運(yùn)算的接力器位置反饋值大于實(shí)際導(dǎo)葉開度值，與功率給定與功率反饋值作差值后，再進(jìn)入PID運(yùn)算，功率模式下的PID框圖如圖8所示。當(dāng)有功反饋大于有功功率給定，導(dǎo)葉進(jìn)行回關(guān)時，而接力器位置反饋值不變，進(jìn)入PID運(yùn)算無法消除差值，導(dǎo)葉無法穩(wěn)定，繼續(xù)回關(guān)，直至有功功率給定大于有功反饋，綜合接力器位置反饋值，進(jìn)入PID運(yùn)算后，開啟導(dǎo)葉，而接力器位置反饋值保持不變，造成超調(diào)，當(dāng)有功功率反饋大于有功給定，導(dǎo)葉又繼續(xù)回關(guān)。反復(fù)來回調(diào)整，最終導(dǎo)致導(dǎo)葉開度波動，有功功率出現(xiàn)“拉鋸”。

圖8 功率模式下的PID框圖Figure 8 PID block diagram in power mode

上述缺陷應(yīng)急處理時，嚴(yán)禁切開度模式或電手動。因?yàn)楫?dāng)控制方式由功率模式切至開度模式或電手動模式后，調(diào)速器控制器認(rèn)為導(dǎo)葉開度閉環(huán)仍然正常，結(jié)果當(dāng)導(dǎo)葉回關(guān)時，B套導(dǎo)葉開度小于A套，造成導(dǎo)葉開度保持不變假象，開度給定與開度反饋差值一直存在，此時經(jīng)PID運(yùn)算后，導(dǎo)葉繼續(xù)回關(guān)，而此時由于沒有功率閉環(huán)的存在，導(dǎo)葉會持續(xù)回關(guān)，最終造成逆功率停機(jī)。當(dāng)導(dǎo)葉打開時，B套導(dǎo)葉開度大于A套，此時高選邏輯會保證導(dǎo)葉正常動作，導(dǎo)葉開度進(jìn)行調(diào)節(jié)時，會有回調(diào)可能，當(dāng)導(dǎo)葉有回關(guān)趨勢，且出現(xiàn)導(dǎo)葉開度拒動假象，最終會導(dǎo)致停機(jī)。

4.2 邏輯優(yōu)化

有功功率異常波動故障暴露出了原接力器位置傳感器的選擇邏輯存在一定缺陷，后期對某導(dǎo)葉位置傳感器信號選擇邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，增加2套導(dǎo)葉位置傳感器信號偏差大于閾值切純手動邏輯，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該判斷邏輯有效地控制了傳感器滑桿脫落對機(jī)組運(yùn)行的影響。

5 結(jié)束語

從上述對各種導(dǎo)葉位置傳感器選擇邏輯的總結(jié)及對比分析，機(jī)組導(dǎo)葉位置傳感器信號選取，應(yīng)根據(jù)電站的自身特點(diǎn)，選用合適的選擇判斷邏輯，以滿足調(diào)速系統(tǒng)對導(dǎo)葉開度、接力器位移等關(guān)鍵量的要求，提高重要模擬量的可靠性，重點(diǎn)關(guān)注故障狀態(tài)下設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，并盡可能維持機(jī)組原有的運(yùn)行狀態(tài)。