水轮发电机组频率控制策略分析与优化

张官祥，杨廷勇，何宏江，常中原，陈自然

（1.中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂，四川 凉山615400；2.中国长江电力股份有限公司向家坝电厂，四川 宜宾644612）

频率是水轮机调速器控制的核心元素，从始至终贯穿着机组运行的全过程，只有测得高稳定性、高精确度和高可靠性的频率信号才能确保水电厂机组的安全、稳定、经济运行。根据水轮发电机组频率信号来源不同，频率测量一般有残压测频和齿盘测频两种测量方式。齿盘测速信号具有可靠性高的特点，但其精度受齿盘加工精度不高和测速探头安装间隙不均匀等因素限制；残压测频具有精度高的特点，但其频率信号容易受到断线和电磁干扰等因素，其可靠性较低。结合两种测量方式的优点来实现机组在不同运行状态下的频率测量。

1 机组频率测量现状

某水电厂机组自投运后，因齿盘测频系统自身设计及安装原因，测频信号多次在机组低速旋转或停机态情况下出现短时或持续异常跳变，该情况对机组正常的转速监视及开停机造成严重影响。设备主要异常情况描述如下：

（1）某台机组检修后在开机过程中，机组投高压油后出现蠕动情况，齿盘测频装置1号齿盘信号出现跳变，转速跳变至47%。

（2）某台机组在停机过程中，执行停机流程至投入风闸后，监控系统显示机组转速2下降到1.3%Ne后突然跳变至29.8%Ne并保持不变，使机组停机流程超时导致机组停机失败。

（3）某台机组停机后，转速装置1路齿盘测频信号发生持续跳变，转速测量显示跳变值最大达到198%，导致该机组电气一级过速、电气二级过速动作，机械事故停机保护、水机后备保护相继动作，机组快速门快闭动作并落门。

（4）某台机组在自动开机过程中发生PCC转速出现异常跳变，开机至空载过程中转速1与转速2测得最大转速偏差达到45%，空载转速最高升至106%。

2 机组频率测量可靠性分析

鉴于上述故障现象均是在机组开机或停机过程中发生的，考虑到机组频率优先采用齿盘频率，齿盘测频探头运行正常无故障，故此时装置输入为齿盘测频输入值，而非机端PT残压输入。因此，出现机组转速突变或跳变的原因即在于齿盘测频回路，从设备结构、安装工艺、运行环境、软件控制四个方面进行分析。

（1）设备结构设计。齿盘测频的硬件结构主要包括齿盘、齿带、齿块和测速探头安装支架等，其中测速探头安装支架的稳定性对齿盘频率测量尤为重要，测速传感器安装在固定支架上，支架的稳定性直接决定探头的测量效果。机组转速测量所用的测速探头固定在测速支架上，测速支架由1块实心的长方体支撑块和2块L型的扁铁构成，长方体支撑块垂直焊接在下机架板上，长方体支撑块的两侧分别焊接1块L型的扁铁，测速探头即是通过开孔方式固定在该扁铁上。这样的设计方式仅能保证中间位置探头可以和齿盘保持合适距离，两端的探头与齿盘的距离过远。机组在运行过程中，由于支撑块高度过高，对来自下机架和底端的振动有放大效果，再加之扁铁太单薄而细长，刚度不够，使得测速探头容易产生振动，而产生更高频率的方波信号。因此，齿盘测速装置所测得的机组转速将大于其实际转速，甚至出现瞬间的突变。

（2）安装工艺。机组测速所用测速探头是科瑞系列的产品，其型号为DW-AD-511-M12，NPN型，有效测量距离为10 mm，但在实际使用过程中因测频探头测量范围较广，感应临界状态范围偏大，易受感应距离及电磁干扰的影响，引起信号跳变。当测速探头正对钢带且距离过小时，受到齿块加工不均匀的限制，两者之间容易产生摩擦将会损坏设备；当距离过于远离齿带或齿块时，测速探头将检测不到信号，出现丢齿的情况。以上因素都会降低齿盘测速的可靠性。因此，测速探头的安装间隙显得尤为关键，探头间隙过大或过小，都将使得机组转速测量出现偏差。

（3）设备运行环境。测速探头的可靠性不仅受到探头本身的性能、支架稳定性的影响，而且很容易受到机组振动、油污等电气设备运行环境因素的影响。由于水轮机大轴存在摆动现象，将使齿盘齿带的齿块与探头发生相对偏移，从而产生低频振荡现象。在这种情况下，机组转速信号受到该振荡信号的累加后，转速值不断升高。通过查阅主机设备设计说明书可知，机组在96～104.8 m水头下的振动区域即为100～480 MW。众所周知，机组在振动区域内的振摆将增大，正是由于过大振摆产生的低频振动叠加以后才使所测得的转速增大。

（4）软件控制逻辑。转速装置软件控制对转速装置开停机状态流转条件以及在单独机频通道下转速不能降零的处理逻辑不完善。由于PT信号在机组低转速下不能稳定检测，若齿盘信号在开停机过程中发生跳变，将影响调速器对转速的判断及输出值，导致机组的控制异常。由于机频在较低转速情况下残压频率过低，测频装置不能测到有效机频，机频通道测频值会保留在最小值状态一直输出，导致在齿盘1和齿盘2同时故障，机频正常情况下，转速装置的输出转速不能降低到零。

3 优化措施及控制策略

针对影响机组频率测量可靠性的各种因素，结合现场实际情况进行分析和研究，采取了一系列优化措施，提高了齿盘频率测量的可靠性和准确率，其具体措施如下：

3.1 优化测速支架结构

经现场多次测量和试验后重新设计制作测速支架，将原来L型安装支架改为弧形测速支架，并与水轮机大轴弧度保持同心度。探头安装在弧形测速支架上，不仅解决了L型支架两端测速探头与齿盘距离不均匀的问题，保持了齿盘探头与大轴上的齿块正对距离，而且避免了探头与齿盘倾斜造成的漏齿或丢齿，进而造成的测频不均匀问题。同时，降低测频支架高度，将长方体支撑换成实心的支撑，考虑将原来一块扁铁上的4个探头分装到2块扁铁上，从而减小扁铁的弧长。

3.2 更改齿盘安装位置

机组振动对测速探头的测速准确性有着重大影响，因机组振摆是不可避免的，但可以将测速支架安装到振动更小的部位。比如，由水轮机下机架转移到下导油槽盖板或者水导上油箱。目前测速齿盘的硬件结构已经成型，其实施难度较大，改造成本较大，但对于便于改造的机组进行了合理改进和优化，已把齿盘齿带安装位置移至振动较小的水导上油槽上方。

3.3 测速探头选型

通过对三种品牌的测速探头经过对被测体、工作温度、探头支架、初始间隙的要求进行对比和试验，最终技术改造选用测频更可靠、适应性更好、感应距离适中的易福门齿盘测速探头。齿盘测速探头性能参数对比如下页表1所示。

3.4 优化频率控制策略

针对频率突变和优先级等问题，可通过优化测频控制程序的测频计算逻辑、完善数字滤波及转速优选策略等措施来防止转速跳变信号输出。

3.4.1 优化频率突变检测逻辑

表1 齿盘探头型号参数对比分析

在转速装置程序中优化对三路测频通道的测量处理模块，增加跳变检测功能，对出现跳变的转速峰值进行滤除。若频率信号发生跳变后一直处于保持状态，则屏蔽该通道频率信号并报频率跳变故障，从信号源头去除跳变值。同时，对各路转速信号的增减速率进行限制，可以设定频率增减步长，使得转速的变化速率在正常频率调节范围之内，这将有效削弱测频信号的快速变化对转速输出值的影响，提高频率测量的稳定性和可靠性。

3.4.2 完善频率数字滤波功能

目前在水电厂机组频率消除干扰的实际应用中，尤其是消除齿盘测频装置干扰信号最常用的方法是采用数字滤波控制策略。根据信号“先进先出”原则把连续周期测频值看成一个队列，队列长度固定为N，对N个频率值进行大小比较后，剔除其中的最大和最小值，再对其余频率值进行求算术平均值，最后获得滤波后的频率测量值。这种方法可以有效地避免了齿盘和齿块加工精度不均匀带来的影响，频率测量值的计算经过数组组队、比较、平均等计算功能块，虽然频率计算输出值的输出时间有所增加，频率具有一定的滞后性，但对低转速的水轮发电机组来说影响较小，不影响机组的转速控制。

3.4.3 优化开停机过程中频率控制逻辑

为避免单路信号异常对机组开停机控制及监视的影响，将原有的三选一的控制策略优化为三选二策略，即在三路频率通道中只要满足任意两路频率正常即可输出频率测量值。具体优选策略为：根据机组残压测频信号及齿盘测频信号的实际灵敏情况分别设定三路频率的最低检测值。

3.4.4 完善转速偏差控制逻辑

为防止某路测频信号存在偏差或失真影响调速器对转速的调节和控制，进一步完善对测频信号的故障判断功能。在开机后的转速处理逻辑中增加对转速进行三选二投票法，具体控制逻辑为：机组在空载态或负载态时，当三路测频信号均正常时，若某一路测频信号与其他两路测频信号偏差值超过设定阈值，则判断该路频率信号测量异常，此路信号不予采用，其余信号可正常参与频率优选策略。

3.5 优化试验及数据分析

该电站对调速器齿盘优化措施和控制策略进行了验证试验，通过对不同工况下的运行参数和试验数据分析，本次试验项目涵盖了机组所有的运行工况，试验数据分析显示优化措施取得了良好的效果。主要试验项目及数据分析结果如下：

（1）自动开机试验

图1为自动开机试验曲线图，试验结果为：开机规律采用三段开机，频率优先采用齿盘频率，其第一开度为14.16%，第二开度9.6%，开机总时间为96 s。导叶开度与频率趋势正常，未出现频率异常突变情况。

图1 自动开机试验

（2）甩负荷试验

图2为B机主用甩75%额定负荷试验曲线图，其试验结果：最高转速Fmax=68.24 Hz，最低转速Fmin=49.38 Hz，调节时间tE=38.21 s，峰值时间tM=7.74 s，tE/tM=4.9，波峰个数N=0。

（3）机械过速试验

图3为机组153%过速试验曲线图，其中线条1为导叶开度，线条2为频率，线条3为主配位置。试验数据分析：机组转速增加至153%过速试验中，转速148%时最大开度93%。导叶从空载开度15.2%～93%用时29 s。导叶关闭时停留在20%开度有4.4 s。第一拐点导叶57%开度。

图2 甩负荷试验

图3 机械过速试验

综上所述，该机组调速器频率测量优化后系统投入运行，使调速器频率测量状况得到了明显的改善，运行状态的改善可以提高机组运行的可靠性和安全性，取得了显著的经济效益。

4 结束语

通过对转速测量采取冗余交错配置，选用可靠的转速测量元器件，优化调速器转速处理逻辑机制，不管机组在开停机过程还是在运行状态下，未发生因转速测量故障引起的机组非正常停运现象。经过现场试验及运行结果表明，本文采取的优化方案及措施是合理的有效的，保证了水轮发电机组运行的稳定性和可靠性，有效解决了齿盘测速信号跳变问题，提高了水电厂齿盘测速装置测频准确率，为机组的长期安全稳定运行打下坚实基础。