向家坝水电站调速系统的特点及问题分析

常中原，帅小乐，李初辉，张官祥

（向家坝水力发电厂，四川 宜宾 644612）

0 引言

向家坝电站位于四川省与云南省交界，距云南水富县1.5 km，距四川宜宾市33 km。电站计划安装8台单机额定功率为800 MW的水轮发电机组，其中左、右岸电站各布置4台混流式水轮发电机组。向家坝水电站是一座以发电为主，兼有航运、防洪、拦沙、灌溉和梯级反调节等综合效益的特大型水电工程，计划2012年10月首台机组发电，2014年实现电厂全部机组投产发电。

1 调速系统概述

水轮机调速系统是由用于检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定参量的偏差，并将它们按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些设备所组成的系统。它是包含油压装置在内的实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称。

2 调速系统结构特点

向家坝调速系统采用双微机控制器+比例阀/步进电机冗余电液转换+纯手动控制结构。双套贝加莱2005均有独立的I/O通道，在系统中可实现双通道自动控制+电手动控制的冗余控制。同时，调速器具有纯机械手动操作、转速控制、开度控制、功率控制、电网一次调频、电力系统频率自动跟踪、导叶开度和机组功率最大值限制、适应式变参数、在线自诊断、容错及故障处理等功能。

向家坝调速器的设计具有冗余度高、组网能力强、可扩展性强，配置先进，功能齐全等特点。

2.1 电气调节装置

调速器采用奥地利贝加莱公司32位可编程计算机控制器（PCC），主频可达500 MHz。具有计算精度高、运算速度快、抗干扰能力强等特点。由图1可以看出调速器配置两套PCC与I/O模块，双机冗余，当一台发生故障时，可以马上切换至另一套控制器，且接力器波动不会大于0.2%。在软件及功能设计方面，向家坝调速器采用贝加莱最新的3.0系统，具备故障录波，硬件诊断记录等功能。

图1 调速器设备组织结构图

向家坝调速器采用适应式变参数PID控制规律，具备三种控制模式：频率模式、功率模式、开度模式。空载时采用频率模式，并网后采用功率模式，功率反馈故障则切换为开度模式。

2.2 电源回路

向家坝调速器电源系统共有四套电源（两套交流，两套直流），其中一套交流电源给风扇、门灯等盘柜内辅助设备供电，另外三套电源为A套电源、B套电源、C套电源，每一套电源又分别有两路DC 24 V输出。其中A、B两套电源结构相同，功能相互独立，一套电源故障不影响另外一套电源工作。C套电源的两路输出分别由A、B两套电源的输出综合而来。其中24 V电源综合模块具有将两路DC 24 V综合成一路DC 24 V的能力，只要存在一路输入，就会有正常输出。该模块还具有输出短路保护功能，负载短路不会引起输入电源故障。

整个电源系统共有两级冗余结构，第一级是三路输入电源之间相互冗余，三路220 V的输入电源只要一路电源正常，就能保障整个调速器系统的工作。第二级是24 V电源相互冗余，每套24 V电源只要有一个综合模块正常，就能保证本套电源负载的正常运行，并且控制器的电源与执行单元的电源相互独立，使得控制器不受执行单元工作电源的干扰。

2.3 人机界面

向家坝调速系统人机界面采用贝加莱触摸屏，具有独立处理器、主内存、图形内存，可以进行二次开发，能够根据需要开发出电厂实际需要的功能，如试验录波、试验数据计算处理及图形显示等。此外，触摸屏还具有多种通讯接口，比如CompactFlash、COM、Ethernet、USB 等。

2.4 测频回路

向家坝调速系统有两套独立的测频回路，一套位于调速器电气柜左柜，称作调速器测频回路，为调速器控制器提供频率信号；另一套位于电气柜右柜，称作齿盘测速装置，为监控系统提供频率信号。

调速器测频回路有两路，分别给调速器A、B套调速器提供频率。两路回路相互独立工作，具体包括机端PT残压测频、两路齿盘测频。正常时以残压信号为主用，当残压故障时切换到1号齿盘测频，1号齿盘测频故障切换至2号齿盘测频，全部故障则切换到另一套控制器运行。可见，频率测量回路一共有五路信号（两套残压测频回路信号源取自相同地方），只要有一路正常就能满足调速器对频率的要求。

齿盘测速装置有三路频率信号，一路机端PT残压测频信号，两路齿盘信号。正常运行时，残压信号主用。当残压故障时，1号齿盘主用，1号齿盘故障则2号齿盘主用。齿盘测速装置有两路模拟量输出，经过隔离变送器扩展成4路模拟量输出到监控回路，还有14路不同转速的开关量输出信号，供机组使用。

2.5 随动系统

随动系统包括比例阀、电机自复中装置、双联滤油器、手自动切换阀、紧急停机装置和主配压阀等。整个系统控制阀均为板式集成块结构，没有明油管，结构简单，调整方便，可以通过切换阀转换比例阀和电机自复中装置的输出控制，实现比例阀控制或者电机控制。比例阀反应迅速，动作灵敏，但是对油质要求很高，易卡涩；步进电机可以实现开环控制，并且属于电机转换器，对油质要求不高，各项性能亦能满足调速器要求。两组控制相互独立，大大提高了设备运行的冗余度与可靠性。

2.6 系统的扩展性

为了适应将来智能电网对调速器的要求，满足调控一体化的功能需要，向家坝调速系统充分考虑了调速器的组网能力和可扩展性。目前，调速器支持的标准通讯协议或提供的接口有15种之多，在现场总线方面调速器具有能与多种通讯方式和现场总线兼容的通讯功能。另外，调速器还具有丰富的接口以及GPS对时等功能，为将来的远程维护、远程诊断奠定了坚实的硬件基础。

3 不足及改进

向家坝调速系统是根据向家坝800 MW机组的特性，开发出来的新系统。因此，必然存在一些不足之处。

3.1 液压系统冗余备用

液压系统由两套互为热备的PLC和相应I/O模件组成。为了提高液压系统可靠性，机组LCU参与油压装置的控制，作为后备控制，但是仅预留了监控后备控制回路，未安装相应的传感器，暂时无法实现后备功能。在以后的工作中，将考虑安装传感器以实现油压装置的后备控制，提高液压系统的稳定运行能力。

3.2 传感器安装位置

液压系统压力传感器全部安装在一根侧压管上，安装位置十分紧凑，不利于传感器的拆卸、维护，并且所有压力信号取自同一油源，当油源的某一段发生堵塞将导致后面所有压力传感器失去油压，特别是低油压信号，可能产生严重的后果。经与厂家沟通协商，重新装设一个侧压管道，低油压信号等重要信号合理布置，不取自同一油源。

3.3 部分回路设计不合理

调速器原补气阀和隔离阀投、撤控制回路均使用普通继电器，但依据三峡运行经验，普通继电器容量无法满足回路要求，于是将普通继电器更换为电力型继电器，但是现场发现，厂家在原回路中增加了电力型继电器，没有将原继电器去除，这样造成同一个命令送给两个串联的继电器，则加了设备的故障率，降低了设备的安全可靠性，经与厂家沟通，厂家将在调试中修改回路。

3.4 回油箱冷却回路

向家坝回油箱冷却回路布置在大泵卸载回路，小油泵卸载回路不经过冷却器。由于油压装置采用小泵连续运行，大泵间歇运行的方式，所以小油泵正常运行时冷却器不起作用，而在大泵启动加载迅速达到6.3 MPa后马上卸载并停泵，卸载状态仅维持2 s，冷却器也起不到作用。目前，向家坝液压系统未做过温升试验，正常运行时回油箱油温变化是否过大仍需要观察。因此，在PLC控制流程中增加了温度过高，启动大泵进行卸载的流程，以保证油温控制在合理的范围内。

4 总结

针对向家坝电站机组单机功率800 MW的特点，调速系统在整体设计上、设备选型上，都做了充分的考虑，采用水轮机调速器电气、液压系统等领域新型、可靠技术。作为一个全新的系统在一些细节问题上还不够成熟，难免还存在一些问题。相信在以后的安装调试及试运行中会逐步发现系统中的不足，逐步完善，使之更加安全可靠。