水轮机调速器负荷异常上升原因分析及处理

唐杰阳，李甜甜，毛成钢，张晓辉

(1.雅砻江流域集控中心，四川 成都 610021;2.二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000)

1 二滩水电站调速器

二滩水电站水轮机调速器由控制系统和机械部分组成。控制系统采用WT-SPLC-STARS型调速器，调速器机械部分主要由TD150型三级伺服阀、油压装置、直缸接力器与过速限制装置组成。

调速器控制系统由两套完全相同的数字式调速器头组成，互为备用。每套调速器头主要由PLC(模块为140 CPU 43412A)及其相关I/O板件、功率变送器、导叶位置传感器、测速整形模块及测速探头等组成。另外还设置了一套独立的转速继电器装置，用于CCS、电气过速保护与蠕动、转速为零等信号，还用于风闸、高压油、机组技术供水泵辅助设备控制信号，转速继电器控制功能由PLC(FX2N-32MTD型)实现。

调速器具有频率跟踪功能，有开度反馈/功率反馈两种反馈模式，可以实现调速器手/自动控制模式、运行模式无扰动切换以及自动调节导叶、自动按水头整定空载开度、开机、停机等功能。

机组并网运行频率波动超过±0.5 Hz时，调速器自动转为“孤网运行”方式。

机组不并网时调速器仅能在“开度反馈”模式运行，机组并网运行时可转为“孤网运行”或“功率反馈”模式。故障时调速器自动切换到“开度反馈”模式。

调速器头及转速继电器测频信号来自齿盘和残压，正常运行时转速继电器以残压测频为主，齿盘测频为辅;调速器头以残压测频为主，齿盘测频为辅。

2 水轮机调速器负荷异常上升原因的分析

2.1 事件概述

2011年8月7日05∶55，CCS发“GIS 1、2号录波装置启动，1～6号机故障录波器触发”报警。

05∶56，全厂总有功2860 MW，CCS发“5号机开度反馈控制方式投入，5号机有功功率上限1580 MW，5号机有功调节故障，5号机有功联控模式 退出，5号机有功功率上限2600 MW”信号，运行人员立即在CCS上压5号机导叶开限。

06∶02，现场检查5号机调速器在开度反馈方式，电调柜事件信息有“远方激活开度反馈产生”信号，无报警信号。全面检查5号机调速器系统无异常。

06∶04，CCS上投入“五号机功率反馈方式”，并将该机投入AGC。

在电网的冲击下，5号机组负荷由510 MW突然上升至600 MW以上，由运行人员将导叶开限由79.9%压至70%，对应有功由600 MW减至550 MW。

2.2 数据波形分析

电网发生冲击时，5号机组频率、功给、功率波形见图1所示。

图1 5号机组频率、功给、功率波形图

图2 5号机组频率、残压测频突变波形图

电网发生冲击时，其他并网机组的波形见图3所示(以2号机组为例)。

图3 其他并网机组频率、功给、功率波形图(以2F为例)

通过图1～图3的波形数据，可以看出:

1)电网发生冲击时，5号机端电流、电压波动导致调速器功率测量发生波动的现象，其他机组亦存在有相同的现象。

2)电网发生冲击时，5号机调速器测量采样的机组频率最低达到49.71 Hz，残压频率最低达到49.41 Hz，其他机组频率无突变现象。

3)5号机调速器在外部功给最大为546.21 MW时、导叶开度随控制输出量的变大而增加直到开度限制值为止，从而导致机组出力异常升高达到603 MW。其他机组的有功输出与有功给定值基本一致。

4)5号机负荷异常上升后，运行人员通过手动减导叶开限，回关导叶，将机组出力控制在510 MW左右。

2.3 调速器反馈方式切换逻辑

从事件记录上看，调速器反馈方式在449 ms内发生了两次由功率反馈切换为开度反馈，第一次开度反馈投退间隔只有124 ms。而且事件表明:调速器自动切为开度反馈方式后，监控随即自动设定为开度反馈方式。

机组并网后，调速器将功率反馈切换为开度反馈方式的情况有:手动选择开度反馈方式、功率变送器故障及频率超差0.5 Hz共3种情况。对以上情况逐一分析:对于手动选择开度反馈方式情况，事发时无人员操作;对于功率变送器故障，PLC程序设定的条件为功率变送器采集数值越上限、下限且保持3 s以上，同时故障信号会在调速器和监控系统报出，而实际检查并没有故障信号，可以排除;对于频率超差0.5 Hz情况，从图2的5号机组频率、残压测频波形图可以看出，当时5号机调速器工控机采样机组残压频率由50.02 Hz突变为49.41 Hz，持续了141 ms，而PLC测量的频率最低值一旦低于49.5 Hz，则符合频率超差0.5 Hz条件，导致调速器自动切换为开度反馈方式，瞬间突变频率超差随即导致监控系统在124 ms内相继报出5号机调速器切开度反馈投入、退出事件。

2.4 负荷异常上升原因分析

根据调速器控制原理:在功率反馈方式下，监控系统送给调速器的功率给定直接与机组反馈的有功功率进行比较控制;在开度反馈方式下，有功给定需转换为开度给定后，再与导叶实际开度进行比较控制。有功给定转换为不同水头下开度给定的协联关系曲线是一个模型试验数据，与实际存在较大差别，当功率反馈切至开度反馈模式时，即使有功给定保持不变，由于转换成开度给定值存在误差，造成了机组实际有功功率输出值发生较大的波动。

在开度反馈方式下，当时水头为167.43 m，外部功给为546.21 MW，经协联曲线计算后的开度给定为79.76%，远比当时功率反馈下的实际开度68.13%大，由于导叶开限为79.34%，因此切换为开度反馈方式后，调速器导叶开度由68.13%上升至导叶开限79.34%为止，造成了5号机组负荷异常上升。

2.5 分析结论

综合以上分析，可以得出5号机调速器在电网异常时负荷异常上升的原因如下。

(1)电网冲击对5号机调速器残压测频元件造成影响，导致残压频率突变，频率差超过0.5 Hz引起调速器反馈方式由功率反馈切换为开度反馈。

(2)调速器切换为开度反馈方式后，其功率给定值需转换为当前水头下开度/功率协联曲线模型对应的开度给定值，大于切换前的实际开度，从而导致负荷异常上升。

3 处理措施

分析电网冲击造成调速器负荷异常上升的原因，主要有:①电网冲击的影响，电网发生线路跳闸、雷电干扰等各种冲击因素无法消除，其影响不可避免。②机组调速器全水头开度/功率协联曲线模型数据不准确，由于该模型数据是试验数据，且水轮机出力、水头、导叶开度是一个非常复杂的非线性关系，无法得到准确的定量数据模型，因此校核开度/功率协联曲线模型具有很大的难度，操作性不强。根据实际经验，专业人员采取了切实可行的措施，主要有以下3点。

(1)完善调速器功率反馈切开度反馈逻辑:当机组频率偏差超过0.5 Hz且持续一段时间，方可切换为开度反馈模式。当增加延时判断条件后，就避免了电网冲击造成测频回路瞬时突变对调速器的干扰，增加了调速器稳定可靠性。

(2)加强监视、勤调整导叶开限。特别在高水头下，调整导叶开限略大于机组额定功率对应的导叶开度，防止调速器负荷异常上升造成机组超出力运行的异常状况。

(3)对5号机调速器残压测频板件及通道进行校验，检查残压测频抗干扰性并更换测频板件。

采取以上措施后，电网多次发生线路跳闸、重合闸动作、电压波动等异常，二滩电厂水轮机调速器未再发生负荷异常上升事件。实际运行表明，针对调速器负荷异常上升采取的措施简单可行，有效地避免电网冲击对水轮机调速器的影响。

［1］魏守平.现代水轮机调节技术［M］.武汉:华中科技大学出版社，2002.

［2］陈飞翔，蒲瑜.二滩水电厂调速器负荷波动分析与对策［J］. 水电站机电技术，2005，28(1):5-6.

［3］吴建荣，王秀梅.二滩水电站5号机组负荷波动原因分析及处理［J］. 四川电力技术，2012，35(1):22-23，67.

［4］魏守平，王雅军，罗萍.数字式电液调速器的功率调节［J］.水电自动化与大坝监测，2003，27(4):20-22.