“三取二”冗余測量技術在金沙水電站調速器中的應用

安勇

摘要：為提高水輪發電機組運行的可靠性，以金沙水電站為例，利用“三取二”冗余技術，測量了水輪機發電機組調速器轉速（頻率）、功率、開度等重要控制信號，分析了信號采集、邏輯判斷、控制方法。結果表明：在水輪發電機組穩定運行時應用該方法可得到調速控制系統中導葉接力器及機組功率最真實的數據，實現調速系統中數據故障判斷處理的功能。優化設計的調速器測量反饋系統比傳統配置方式更加可靠。研究成果可為提高水電站調速系統可靠性和機組運行穩定水平提供支撐。

關鍵詞：“三取二”冗余測量技術; 調速器; PLC控制器; 金沙水電站

中圖分類號：TV734.4 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.018

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0082 - 04

0 引 言

金沙水電站是金沙江中游十級水電樞紐規劃的第九級，位于金沙江中游攀枝花西區河段。金沙水電站為徑流引水式，安裝了4×14萬kW的軸流轉漿式水力發電機組，于2020年11月實現首臺機組發電，調速器采用南京南瑞集團SAFR-2000H型雙微機調速系統。該調速器微機部分以PCCX20控制器為核心，雙CPU配置;機械液壓部分以比例伺服閥作為電液轉換單元，主配閥采用自動復中功能;電源、控制模塊等均采用了雙冗余配置，尤其是調速器的轉速、導葉開度、有功功率等測量按照國家電網公司《十八項電網重大反事故措施》要求，采用了“三取二”冗余反饋技術，該技術的應用使得調速器反饋采集可靠性大大提高，機組安全穩定運行得到了可靠保證。本文介紹了金沙水電站采用“三取二”冗余測量技術設計的調速器轉速、功率、開度等重要控制信號。

1 “三取二”控制理念

國家電網公司《十八項電網重大反事故措施》（2019年修訂版）“防止機網協調事故”中，明確提出“水輪機調速器的轉速、功率、開度等重要控制信號應冗余配置，冗余I/O測點應分配在不同模件上。上述信號參與設備或機組保護時應采用獨立測量的‘三取二’邏輯判斷方式，作用于模擬量控制時應采用三取中值的方式進行優選”。根據上述要求，水電站機組調速器需滿足以下技術條件。

（1） 調速器頻率信號冗余配置，采用獨立測量的“三取二”的邏輯判斷方式，以三取中值的方式進行優選;

（2） 調速器導葉開度信號冗余配置，冗余I/O測點分配在不同模件上，采用獨立測量的“三取二”的邏輯判斷方式，以三取中值的方式進行優選;

（3） 調速器有功功率信號冗余配置，冗余I/O測點分配在不同模件上，采用獨立測量的“三取二”的邏輯判斷方式，以三取中值的方式進行優選。

水輪發電機轉速、有功功率調節的穩定性對電網供電質量非常重要，而轉速、有功功率的控制主要由調速器來完成，其調節性能的好壞對整個電廠的供電品質來說非常關鍵[1-2]，而大部分水電站調速器出現的事故主要與各類反饋信號異常有關，轉速、功率、導葉開度反饋信號故障均可能造成調速器的異常動作或不動作，造成機組事故擴大。水輪機調速器控制系統均采用雙PLC加雙測量元件配置方式，即使有3套PLC的冗余配置，但仍然出現了單個元件故障后造成負荷波動的情況。究其原因是調速器控制系統對測量元件出現諸如傳動機構失靈、信號失真等“軟”性缺陷缺少故障判斷。因此，有必要對此類故障進行專題研究和預防。

在實際控制系統中，兩個元件同時出現故障的概率相對較小，但單個元件的故障是無法避免的，因此，必須盡可能確保在控制系統出現“單個元件故障”時機組能正常運行。除了PLC外，水輪機調速器中重要的控制元件主要包括導葉開度傳感器、功率變送器和測頻裝置。在目前的常規配置中，這些元件均采用雙套配置，每套PLC均單獨有一套開度傳感器、功率變送器和測頻裝置，實際上相當于兩套控制系統且其相互之間均有故障接點反饋。這種配置存在控制漏洞，特別是出現“軟”性缺陷時，控制系統將無法做出正確的判斷。

針對需求穩定運行的水力發電機組，“三取二”功能提出一種提高水輪發電機組運行可靠性的調速系統冗余設計方法，目的是使水力發電機組在穩定運行時應用該方法得到調速控制系統中導葉接力器以及機組功率最真實的數據，實現調速系統中數據故障判斷處理的功能。為了達到“三取二”的目的，針對調速采集系統，采用在水力發電機組的水輪機接力器或機組功率變送器上裝設3個以上傳感器，這些傳感器用于測量水輪機運行中實際接力器行程或機組功率，采用4～20 mA輸出信號以計算得到采樣計算值。

可靠的調速系統冗余設計方法的特征在于：選取信號y作為特征參數來描述其統計特性和計算特性。根據其特征在水輪機調速系統的反饋信號，采用“三取二”和“三取中”邏輯判斷取值方式。

采用“三取二”邏輯判斷取值， 即對3個控制信號進行“三取二”的表決方式，來綜合決定最終使用的反饋信號。調速系統正常運行的主套控制系統和正常備用的從套均采取3個反饋信號，從中選取信號大小相近或經計算、換算得到反饋實際信號接近的2個傳感器反饋信號，進行平均值運算或其他運算，得到控制用的表征機組開度或機組功率實際位置的信號，作為最終的開度和機組功率反饋控制信號。

調速系統正常運行的主套控制系統和正常備用的從套均采取3個傳感器反饋信號，在3個控制信號中，選取大小為中間值或經過換算得到傳感器中間值的反饋實際信號，用該中間值反饋信號表征機組導葉開度或用機組功率實際位置的信號作為最終的導葉開度或機組功率反饋控制信號。

2 “ 三取二” 控制理念在金沙水電站的應用

2.1 金沙水電站概況

金沙水電站是金沙江中游十級水電樞紐規劃的第九級，位于金沙江中游攀枝花西區河段，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，距攀枝花市區11.0 km，下距銀江水電站壩址21.3 km。工程以發電為主，同時兼有供水、改善城市水域景觀和取水條件等綜合效益。

金沙水電站樞紐主要建筑物由混凝土重力壩、河床式電站廠房及泄洪消能等建筑物組成。從左岸至右岸依次為：左岸非溢流壩段（含魚道）、河床式電站廠房、河床表孔溢流壩段、縱向圍堰壩段、右岸表孔溢流壩段、生態放水孔壩段、右岸非溢流壩段，共15個壩段，壩軸線長392.5 m，最大壩高66 m，正常蓄水位1 022 m，死水位1 020 m，調節庫容1 120萬m3，水庫具有日調節能力，通過2條220 kV線路接入國網四川電網。主廠房中安裝4臺單機容量為14萬kW的軸流轉漿式水輪發電機組，總裝機容量為56萬kW，多年平均發電量為21.77億kW·h 。

2.2 “三取二”控制理念在調速器控制系統中的應用

2.2.1 “三取二”控制理念優化原因

金沙水電站調速器控制系統設計于2018年5月完成，設計初期是按雙PLC加雙測量元件進行配置，調速器控制系統的兩套調節器通過信號分配模塊，分別送至兩套PLC。系統設計存在兩套傳感器信號，當出現故障報警時，由于系統無法正確判斷出哪一路信號出現了問題，控制系統只能選擇保持現狀或直接啟動事故停機。若要解決這一問題，必須再增加一路傳感器信號，采用“少數服從多數”的“三取二”機制進行綜合判斷，即控制器接入三路傳感器信號，當任何一路信號與其他兩路的信號差值過大時，則判斷此路信號故障，控制系統將自動屏蔽故障信號繼續正常運行并報警。由此可以看出：“三取二”的控制理念能較圓滿地解決目前常規控制方式存在的缺陷。2018年11月，國家電網公司發布《十八項電網重大反事故措施》新要求后，及時對測量信號進行了優化設計，有效避免了調速器控制系統對測量元件出現諸如傳動機構失靈、信號失真等“軟”性缺陷缺少故障判斷的現象，滿足反事故技術要求。

2.2.2 “三取二”控制理念實施

（1） 優化設計前調速器測量信號的配置。① 機組配置兩個導葉位移傳感器，通過信號分配模塊，將兩個導葉位移信號分別送至A套PLC以及B套PLC;② 機組配置一路功率反饋信號，由監控系統下發，通過信號分配模塊，分別送至A套PLC以及B套PLC;③ 機組A套PLC與B套PLC分別獨立配置一路殘壓、兩路齒盤探頭。圖1為優化設計前調速器控制系統測量信號配置示意。

（2） 優化設計后調速器測量信號的配置。① 機組配置3個導葉位移傳感器，通過信號分配模塊，將3個導葉位置信號分別送至A套PLC以及B套PLC;② 機組配置三路功率反饋信號，來自監控系統有功功率變送器，通過信號分配模塊，分別送至A套PLC以及B套PLC;③ 機組共配置兩路殘壓，兩路齒盤探頭，其中兩路殘壓分別送至A套PLC以及B套PLC，齒盤1送至A套PLC，齒盤2送至B套PLC。圖2為優化設計后調速器控制系統測量信號配置示意。

（3） 優化設計后調速器測量傳感器的調整。原設計中已經配置2套有功功率變送器、2套導葉位移傳感器、3套轉速信號傳感器（2套齒盤+1套殘壓），為滿足優化設計方案，增加1套雙路輸出的有功功率變送器，變送器電壓、電流回路取自與原有功率變送器不同的電壓互感器和電流互感器，避免測量回路斷線造成反饋故障，增加1路導葉位移傳感器，滿足3路導葉位移傳感器信號輸入。

（4） 優化設計后控制邏輯判斷。導葉位移、有功功率信號，其中1號為主用，2號和3號為備用，邏輯為：① 3個傳感器均無反饋故障下，兩兩進行差值比較，判斷偏差故障，若兩兩之間偏差均大于設定值，則開出總故障，切換主機;若1號偏差故障，則選用2號傳感器主用;若2號和3號偏差故障，則選用1號傳感器主用;均無故障，選用1號傳感器主用。② 1號傳感器反饋故障下，若2號傳感器反饋無故障且3號傳感器反饋無故障且無偏差故障，則2號傳感器主用，否則上報反饋總故障，切換主機。③ 2號傳感器反饋故障下，若1號傳感器反饋無故障且3號傳感器反饋無故障且無偏差故障，則1號傳感器主用，否則上報反饋總故障，切換主機。④ 3號傳感器反饋故障下，若1號傳感器反饋無故障且2號傳感器反饋無故障且無偏差故障，則1號傳感器主用，否則上報反饋總故障，切換主機。

頻率信號，其中殘壓F1為主用，殘壓F2、齒盤探頭F3為備用，邏輯為：① 3個頻率采樣均無反饋故障下，兩兩進行差值比較，判斷偏差故障，若兩兩之間偏差均大于設定值，則開出總故障，切換主機;若殘壓F1偏差故障，則選用殘壓F2主用;若殘壓F2、齒盤F3偏差故障，則選用殘壓F1主用;均無故障，選用殘壓F1主用。② 殘壓F1反饋故障下，若殘壓F2反饋無故障且齒盤F3反饋無故障且無偏差故障，則殘壓F2主用，否則上報反饋總故障，切換主機。③ 殘壓F2反饋故障下，若殘壓F1反饋無故障且齒盤F3反饋無故障且無偏差故障，則殘壓F1主用，否則上報反饋總故障，切換主機。④ 齒盤F3反饋故障下，若殘壓F1反饋無故障且殘壓F2反饋無故障且無偏差故障，則殘壓F1主用，否則上報反饋總故障，切換主機。

3 “三取二”控制應用試驗及效果

完成調速器控制系統的完善和優化后，每套PLC獨立采集兩路殘壓測頻，提高了測頻的可靠性，以殘壓信號作為優先選擇，增加一路導葉開度信號，兩兩進行差值比較，與傳統配置方式相比較，測量反饋系統更加可靠。中國電力科學研究院對新機并網調速器進行了建模試驗和模擬故障試驗，并對測頻、導葉開度、有功功率“三取二”功能進行邏輯測試，包括在空載、各種負荷狀態下模擬任意一路頻率、導葉位移、有功功率信號消失，機組導葉開度前后變化小于1%，頻率變化小于0.02 Hz，負荷狀態下功率變化小于1%的情況。試驗結果表明：改造后的調速器控制系統各項控制指標滿足電網運行要求。

4 結 語

本文對水輪機發電機組調速器控制信號采用“三取二”冗余測量技術進行了研究。使用“三取二”冗余測量技術后，得以下結論：① 測量反饋系統與傳統配置方式更加可靠;② 控制邏輯更加完善與清晰明了，程序結構層次分明。

目前，絕大多數已建和在建大、中型水電站在調速器的硬件配置上均較冗余，但在控制策略上均存在或多或少的不足，水輪機調速器系統是其中重要的輔助控制設備之一，其運行的可靠性對電站尤為重要，而測量反饋系統的可靠性對設備的安全穩定更加關鍵，相應的控制系統需要進一步完善。

參考文獻：

[1] 南海鵬. 水輪發電機PCC控制[M]. 西安：西北工業大學出版社，2002.

[2] 林建輝，張宇明，高燕. 基于2/3（G）表決冗余加速度傳感器容錯技術的研究[J]. 電子測量與儀器學報，2003（3）：15-21.

（編輯：江 文）

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