三峡右岸电站调速系统控制结构及振荡分析

杨 云，任 刚，帅小乐，余志强，程 建

（三峡水力发电厂，湖北宜昌 443133）

0 引言

三峡右岸共装额定容量700 MW的水轮发电机组12台，其中15～18号机由东电供货，19～22号机组由ALSTOM供货，23～26号机由哈电供货。12台机组的调速系统均为哈尔滨电机有限责任公司（简称哈电）供货，电调控制部分采用GE公司的MicroNet TMR硬件平台及GAP编程平台，液压控制部分采用S7-400PLC硬件平台和PCS7编程平台，主要的液压控制元件包括德国博士公司生产的比例伺服阀和GE公司生产的带内部位置传感器的主配压阀等液压控制元件。

本文从调速器电气控制的角度总结了调速系统控制框架及系统的冗余结构特点，以此为基础，分析了主配位置反馈异常及接力器位置反馈异常引起的2次调速系统振荡，提出了处理方法及运行注意事项。

1 电调系统配置及冗余

1.1 电调配置

三峡调速电调部分由一套GE公司的MicroNet TMR数字控制器构成，该系统配有双冗余的电源、双冗余输入、输出模块及三冗余（TMR）的CPU处理单元，系统配置如图1所示。

图1 MicroNet TMR配置图

MicroNet TMR的底框是一个标准的六插槽模块，每个底框上都配有风扇和温度开关。三个底框以及上面的所有板卡由一块母板连接，每一部分都配有独立的内核电源。

1.2 MicroNet TMR冗余及信号冗余处理

MicroNet TMR冗余包括电源系统的冗余、CPU冗余和输入输出的冗余3个方面。

MicroNet TMR有两套电源，主电源以及内核电源，主电源由两套电源供电，每套电源为三个控制模块独立供电，输出6路24 V、6 A到控制系统，在每个控制模块上由内核电源再将24 V转成5 V以供给其CPU和I/O模块。

MicroNet TMR的3个CPU同时工作，正常运行至少要求2个CPU正常工作，CPU坏的机箱，其相应的IO模块也将停止工作。

三峡右岸调速MicroNet TMR系统的IO配置为双冗余结构，如图2所示。

图2 IO双冗余接入图

在图2中现场的信号（例如接力器A套位置传感器信号）接入GE提供专用端子板（TMR FTM），再由两条专用辫子分别接入A套CPU管理的IO模块和C套CPU管理的IO模块。在程序中根据两块IO板的工作状态和信号的品质，对输入的两路信号进行选择（例如对AI信号可进行高选、低选或平均等选择），用于控制的信号为选择过后的信号。

三峡右岸接力器位置信号采用A、B两套传感器进行测量，每套传感器的信号又分为两路IO输入MicroNet TMR，参见图3所示。

图3 接力器位置测量及处理流程

对于接力器位置测量，在正常情况（信号的品质好及IO模块工作正常）下，程序分别对A、B套传感器两路IO输入信号进行高选得到A、B套传感器信号，再对A、B套传感器信号进行高选最终得到用于控制的接力器位置信号。在后面分析接力器反馈异常造成的系统振荡案例中，由于A套传感器的滑块脱扣，稳定在31%（对于MicroNet TMR还认为工作正常），在接力器实际位置≥31%时，根据高选原则，选工作正常的B套传感器；在接力器实际位置＜31%时，根据高选原则，选工作不正常的A套传感器，即此时用于控制计算的接力器位置固定为31%。

2 机组有功调节及控制

正常运行时机组有功的控制及调节需要监控LCU和调速器配合。对LCU包括有功闭环投退，对调速包括功率模拟和开度模式切换。

在监控LCU部分同有功控制有关的为：有功闭环和有功设定方式。LCU在有功闭环投入情况下，将操作员的设定或AGC设定下发调速器；在有功闭环退出时将实发的有功下发调速器，即LCU不参与有功控制及调节。

调速器在机组并网时对有功的调节有两种工作模式：功率模式和开度模式，其PID计算参见图4 a和4 b，从图中可以看出在功率模式下，将功率转换为开度进行调节，但在调速器部分存在功率闭环，在开度模式下功率闭环完全由LCU实现。

LCU给调速的有功指令有两种方式下发，模拟量方式和脉冲量方式。在功率模式下采用模拟量给定或脉冲量给定（即功率模拟量方式和功率脉冲量方式），在功率模拟量方式下LCU将有功指令以AO方式下发调速，调速根据指令进行调节，在功率脉冲量方式下，LCU在设定有功和实发有功的差值进行脉冲计算，以脉冲增减的方式下发调速执行，在功率脉冲量方式下存在LCU的有功闭环和调速内部的有功闭环，关于此两个有功闭环的协调另附文讨论；在开度模式下只有脉冲量给定方式，LCU根据有功闭环计算开度的增减脉冲下发调速执行。调速器接收到调节指令按图4c的流程进行调节。

图4 a开度PID计算

图4 b功率PID计算

图4 c有功调节的调速液压部分框图

图4a,图4b,图4c三个图构成了调速有功调节及控制系统的4环，其中主要包括：

（1）比例阀阀芯位移反馈闭环；

（2）主配活塞位移反馈闭环；

（3）接力器位置反馈闭环（导叶开度反馈）；

（4）功率反馈闭环。

该4个闭环层层相套，其中比例阀阀芯反馈闭环和主配活塞反馈闭环的综合点在比例阀的驱动器中，为硬件反馈闭环；开度闭环在调速器中以软件的形式完成；功率闭环根据调速器的工作模式不同，可以在LCU或调速器中完成。根据控制理论，内环的反馈故障可以通过套在其外的外环进行抑制，但振荡将始终存在，在后面分析具体振荡实例中将用到该结论，同时也对该理论进行了实证。

3 接力器位置反馈导致接力器抽动

3.1 抽动过程

三峡右岸某机组在停机过程中，出现接力器抽动，机组逆功率保护动作，整个过程如下：

21:33远方操作减负荷停机；

21:48：37 远方将定机组负荷设定值从250 MW设定为200 MW时，机组负荷实际值从250 MW调节到-32 MW，出现“逆功率保护”报警（报警-3%×700=-21 MW），停机-5%×700=-35 MW），随后机组负荷出现连续抽动，最高到280 MW，最低到100 MW；

21:51:13 运行人员退出机组有功闭环模式（LCU将调速器运行模式置为开度模式），机组负荷停止抽动，稳定在230 MW；

21:53:27 “逆功率保护动作”报警复归；

21:55:27 运行人员在单控室将调速器的工作方式由“远方/自动”切换为“现地/自动”，现地通过“功率增/减”把手减负荷；

21:56:21 机组负荷降低至-24 MW，再次出现“逆功率保护”报警；

21:56:32 26F“发动机保护停机总出口动作”（逆功率动作，此时有功-35.425 MW），机组电气事故停机动作，紧急停机流程启动（利用紧急停机阀停机）；

待机组全停后，F导叶开度仍然显示为27.41%（对应功率230 MW），随后在水车室检查时发现机组调速器A套接力器传感器的滑块脱扣。

图5 振荡过程曲线

3.2 振荡过程分析

通过对MicroNet程序及振荡曲线分析，并结合A套传感器滑块脱扣的情况，该次振荡过程分为以下4个阶段：

第1阶段:减负荷出现逆功率报警

该阶段监控LCU为有功闭环，调速器工作在功率调节模式下，由于监控闭环的存在，给调速器的有功调节指令保持为200 MW，调速器按200 MW的目标值进行调节。

21:48:37 机组负荷设定值从250 MW设定为200 MW，调速器接收到新的负荷设定值开始调节。此时接力器A套传感器的反馈值稳定在31%，而接力器B套传感器反馈值在实时变化中，因此判断此时接力器A套传感器滑块已经脱扣。

由于MicroNet程序中对接力器A、B套传感器的信号进行了高通选择，再进行内部运算，故用于功率PID计算的接力器实际反馈值为较高的A套传感器数据31%（对应导叶开度为27.4%）。调速器按照监控LCU下发的200 MW设定值进行调节，由于调速器功率PID算法计算输出的导叶开度设定值为25%，通过调速器接力器位置闭环的作用，将通过液压执行机构关闭导叶至25%的开度，但是因为导叶开度反馈值始终稳定在27.4%左右，所以调节器始终认为导叶开度没有关闭到位，于是就一直输出关闭导叶的信号，导致机组负荷最低降至-32 MW，“逆功率保护动作”报警。

第2阶段：负荷出现连续抽动

该阶段监控LCU为有功闭环，调速器工作在功率调节模式下，给调速器的有功调节指令仍然保持为200 MW。

21:49:06 机组负荷降低至-32 MW，而此时监控系统仍为有功闭环模式，调速器仍为功率调节模式，调速器仍接受监控系统的功率模拟量给定信号200 MW，其功率PID算法会通过功率比较器的作用将机组有功反馈与机组有功设定调节一致，因此当机组负荷从250 MW下降至-32 MW时，机组有功反馈低于机组有功设定值，两者之间产生了一个较大的差值，所以功率PID算法会重新计算导叶开度设定值，去迅速开启导叶增加机组有功直至等于有功设定值，这样就出现了机组有功从-32 MW一直增加至280 MW，而当机组有功增加至280 MW大于有功设定值200 MW时，调速器的功率PID算法会再次计算导叶开度设定值，关闭导叶减少机组有功直至等于有功设定值，所以调节器会重复第1阶段的调节过程，只要此时监控系统不退出有功闭环模拟量给定模式，调速器不置开度调节模式，调速器就会反反复复的开/关导叶，调节机组负荷，使得机组负荷连续的抽动。

从反馈控制分析：此阶段调节，在接力器位置＜31%时，相当于接力器反馈环节切除，系统变为不稳定，出现振荡；当＞31%，反馈有效，正常调节。

第3阶段：负荷趋于稳定

21:51:13 运行人员在中控室退出26F机组监控系统有功闭环模式，将调速器的控制模式置为开度调节模式，此时调速器功率PID算法退出,开度PID算法运行，导叶开度设定值跟踪导叶开度实际值（28%，对应接力器位置31%），因此机组有功稳定在235 MW左右。

从反馈控制分析：此阶段调节，31%的导叶反馈转换为设定，原来的给定由于跟踪变为有效反馈，故该阶段调节的最终稳定值28%，对应接力器位置31%对应的有功。

第4阶段：逆功率保护动作，电气事故停机

21:55:27 运行人员在单控室将调速器的工作方式由远方/自动切换为现地/自动控制方式，现地通过“功率增/减”把手减负荷，但是此时调速器的接力器位置闭环仍然作用于调节过程，所以运行人员现地减负荷与远方减负荷的结果是一样的，即重复第1阶段的调节过程，机组负荷不断降低直至-24MW，（由于调速器为现地/自动控制方式，所以机组负荷没有再次回调），最后导致26F机组再次出现“逆功率保护动作”报警，直至“发动机保护停机总出口动作”，电气事故停机动作，紧急停机流程启动。

4 主配位置反馈异常导致振荡分析

三峡右岸电站调速器的执行机构采用的是德国BOSCH公司的带放大器的比例阀，该比例阀内部的集成放大电路通过比例阀阀芯位移传感器与主配压阀的活塞位置反馈传感器构成了主配位置控制闭环，从而实现微机调节器的比例阀驱动模块对主配压阀活塞位置的比例控制（结构框图见图4c）。然而这种比例阀与主配压阀之间自成固定的位置控制闭环不能识别主配传感器断线故障（例如主配传感器电气接头松动或主配传感器损坏等）。当主配位移传感器断线或者主配传感器电气插头松动时，比例阀内部放大电路均无法接收到主配阀芯位置的反馈信号，且此时比例阀内部的控制逻辑块会将比例阀阀芯位置反馈信号直接设定为中间位置(50%)。如果此时机组正在进行调节，那么调速器程序中的比例阀驱动器模块输出的比例阀位置设定信号要么大于50%，要么小于50%，所以比例阀内部放大电路接收到的位置设定信号不会等于50%，这样就会使得比例阀阀芯要么向开方向动作，要么向关方向动作，因此实际上主配压阀阀芯也会与之相应动作，由于比例阀内部放大电路检测不到主配传感器位置反馈信号，比例阀自身阀芯位置反馈信号被强制为50%，所以主配位置闭环不能正常运行，不能正常控制主配阀芯的实际位移量，将会造成主配要么全开，要么全关，但是由于接力器位置闭环受到调速器控制器程序监控，因此当主配全开导致导叶实际位置大于调速器导叶PID计算值时，在接力器位置闭环作用下，调速器控制器会重新计算导叶开度PID输出值，调节导叶向关方向动作，这样又会导致主配全关，导叶实际位置又会小于调速器导叶PID计算值，同样在接力器闭环作用下，调速器控制器仍会重新计算导叶开度PID输出值，调节导叶向开方向动作，实际上就表现为比例阀阀芯与主配阀芯快速振荡，接力器频繁抽动。在26F机组进行无水工况下模拟主配传感器断线故障及21F机组低负荷时进行模拟主配传感器断线故障的录波图上（图6及图7），可以明显的看到这种主配传感器断线造成的接力器的振荡现象。

图6 26F机组主配位移传感器断线录波曲线

图7 21F机组主配位移传感器断线录波曲线

5 结束语

本文总结了三峡右岸调速系统的控制结构框图，分析了信号冗余的特殊方式；结合控制框图及信号冗余特点，分析了接力器传感器故障及主配和比例阀构成的小闭环故障导致的系统振荡，总结了振荡的特点，为研究及分析调速系统振荡提供了一定基础。

[1]魏守平.水轮机调节[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.

[2]毛羽波，朴秀日.三峡右岸电站调速系统机械液压部分的特点[J].大电机技术，2007,(5):60-64.