一起调速器系统引起的机组同期并网失败事件原因分析

湖南五凌电力科技有限公司 姜 运 万 元 潘平衡

发电厂同期并网是一项频繁且自动化程度高的操作，同期装置作为其控制设备，其动作正确性、可靠性尤为重要[1]。同期并列的条件是待并发电机的电压和系统的电压的压差、频差负荷设置的定值。同期装置启动后，自动检测压差、频差，当超出并网要求范围时，同期装置发出指令，控制励磁系统增减励磁以调节待并侧电压，控制原动机功率以调节机组待并侧频率，若任何一项参数达不到要求，均会导致并网失败[2-4]。由于励磁系统、调速器系统涉及的控制环节较多，故并网失败的原因较多，一般需要拷贝录波波形综合分析具体原因[5]。

1 事件经过

水电机组自动开机过程，励磁系统投入，水轮机转速大于95%时，同期系统投入，同期超时，并网不成功，同期系统告警并闭锁。监控系统现地控制单元（LCU）记录如下：

08:48:14励磁系统投入

08:48:15水轮机转速>95%

08:48:25同期屏回路失电（动作）

08:48:26同期屏回路失电（复归）

08:48:27同期装置就绪（动作）

08:50:25限时投发电机出口断路器同期失败（动作）

08:50:26同期装置就绪（复归）

08:50:26同期装置报警（动作）

08:50:26期闭锁（动作）

08:50:26同期装置报警（复归）

08:50:26同期闭锁（复归）

2 现场检查情况

由于同期失败后，微机同期装置自动掉电，且无告警记录、录波文件，所以只能从监控系统上位机及现地控制单元（LCU）查看报警信息。上位机告警记录：8:51:15“4号机组投804同期（开出）”，8:51:16“4号机组同期装置就绪”，8:51:20“4号机组启动同期（开出）”，8:53:15“4号机组限时发电机出口断路器同期失败”。

LCU 告警记录：08:48:27监控报“同期装置就绪（动作）”，08:50:25报“限时投发电机出口断路器同期失败（动作）”，08:50:26报“同期装置报警（动作）”“同期闭锁（动作）”。

3 原因查找及分析

根据告警记录，同期装置上电后，延时5秒监控系统开出了启动同期的信号，微机同期装置自检无误后报“同期就绪”，2分钟后，监控报“限时投发电机出口断路器同期失败（动作）”。对照监控系统投同期的PLC 程序，此次投同期的流程执行正确。

同期并网允许压差±3%，允许频差±0.15Hz，且要求差频并网（系统侧与待并侧频率差大于±0.04 Hz）。当电压或频率不满足并网要求，同期将发令至励磁、调速器进行调节，直至同期超时（超2min）。

分析此次同期失败原因可能有三个方面，并进行相关试验。总结如下：

3.1 微机同期装置发合闸令后未被执行

向微机同期装置施加模拟电压量，系统侧AC 100V，50Hz，待并侧AC 102V，50.2Hz，使其不满足同期并网条件，达到同期超时时间后，监控系统报“同期装置报警”“同期闭锁”，该告警信号与9月18日上午并网失败一致。

横向对比5号机同期并网失败的情况（微机同期装置已发合闸令，同期继电器TJJ 未正确动作），LCU 告警记录区别很大。同期装置就绪后30s，同期合闸后立即报：“同期合闸（动作）”“同期装置就绪（复归）”“同期合闸（复归）”“同期闭锁（动作）”，达到同期超时时间后，报“限时投发电机出口断路器同期失败（动作）”“同期闭锁（复归）”。

综上所述，验证了9月18日并网失败原因为：未达到同期并网条件，微机同期装置未发合闸令。

3.2 电压未满足同期并网条件

采样有误。9月25日晚，用继电保护测试仪施加模拟量进行试验。向交流采样通道施加电压一小时，观察无异常，装置无压差越限，低电压等告警，装置采样正常。排除了装置采样有误导致未达到同期并网条件的情况。

实际电压有波动。从监控系统上位机查到“4号机组同期装置就绪”的时间为8:51:16。上位机与PMU均使用GPS 对时系统，且对时正常。查看PMU 波形（图1、图2），同期并网过程2分钟内，待并侧电压（红色）正常，波动较小，且未超过允许压差范围。

图1 机端电压与系统电压对比（采样时长30s）

图2 机端电压与系统电压对比（采样时长180s）

3.3 频率未满足同期并网条件

通过PMU 波形（图3）查看频率，机组频率在转速升至额定后2分钟内波动较大，不满足0.15Hz频差要求，2分钟后频率趋于稳定，但是监控已将同期装置退出。结合监控程序，从水轮机转速>95%到“限时投发电机出口断路器同期失败（动作）”时间约130S，频率稳定时间与同期超时报警正好处于临界时段，导致同期超时退出，并网失败。

图3 机组转速（SPR）、频率（ ODF）及电网频率

对比正常并网过程（如图4），频率比较稳定，频差保持在0.15Hz 范围内，同期装置接收到启动同期令后，快速同期并网，同期时间基本在30S 以内。

图4 正常同期的频率（ODF）波动图

（1）波形分析

通过PMU 波形（转速与频率部分）可以看出，在转速升至额定95%后，转速进入一个相对稳定的趋势，该趋势时间段内待并侧频率峰值达到50.3Hz，远大于同期装置的允许频差0.15Hz。频率谷值月为49.7Hz，经过约两分钟后PLC 关闭同期装置，同期超时报警闭锁。

（2）实验验证

针对波形中，当机组频率为50.3Hz 时（或机组频率为49.7Hz），同期装置是否能发出对应的减速（加速）脉冲，调速器是否能收到进行实验。

对装置加模拟电压量，系统侧加AC 100V，50Hz；待并侧加AC102V，50.3Hz，待同期装置就绪后，启动同期，装置频差灯亮，不断发出减速脉冲，同时调速器可以收到该指令。将待并侧频率降至50.15Hz 以内后，频差灯熄灭，装置不再发出减速脉冲，待角差为0°装置合闸出口。

对装置加模拟电压量，系统侧加A C10 0 V，50Hz；待并侧加AC102V，49.7Hz，待同期装置就绪后，启动同期，装置频差灯亮，不断发出加速脉冲，同时调速器可以收到该指令。将待并侧频率升至49.85Hz 以上后，频差灯熄灭，装置不再发出加速脉冲，待角差为0°装置合闸出口。

实验证明了同期装置去调速器系统的信号回路完好，调速指令下达正确无误。

（3）原因分析

机组频率在转速升至额定后，启动同期后装置开始调速。由于同期的过程中频率偏离50Hz 最大有0.3Hz，且调速器空载状态自动跟踪50Hz 的频率，同期装置并网要求频差小于0.15Hz，因此当频率为50.3Hz 时，调速器和同期都将同时发减速令，又由于频率的反馈需要时间，减速令的数量将持续累计，当频率降至50Hz 时，仍有未执行的减速令，此后将持续拉低频率，导致频率跌至49.7Hz，此时调速器和同期装置又将同时发加速令，将频率拉升。因此两个调速系统在调节过程中导致频率在50Hz 左右持续大范围振荡，难以控制。同期装置的并网方式是差频并网，即系统侧与待并侧频率差大于±0.04Hz，且为了满足合闸角度要求，需要在频率的波动过程中找到0°合闸角。最后，同期装置在2分钟内，没有找到满足上述条件的工况，合闸失败。

另一方面，4号机组导叶启动开度的第二段为18%（水头51米），3号机组相同水头下的启动开度为14%，而4号机空载导叶开度大概为9%-10%，因此启动开度较大可能会导致导叶开度减小不及时，使调速器在同期过程出现超调。

最后，此次同期时，调速器水头与实际不符，若保持汛期低水头，同样启动开度，在高水头工况下，调速器的实际调节速率将更快，导致开机过程机组波动较大。

结论：水头数据未及时更新，导致实际水头比当前高，导致开机过程机组频率波动较大，使得待并侧与系统侧频差波动较大，难以达到同期条件。导叶启动开度较大，导致机组频率超调，未能将频率限制在并网条件要求的区间内。

4 解决措施

水头有变化时，及时录入最新数据。此次同期失败后，对水头数据进行更新，同期并网均成功。

参照3号机，对4号机导叶启动开度进行调整，分析启动开度与水头的关系。

检查其它机组水头及导叶启动数据，结合最近几次同期过程的录波数据，判断同期过程频率是否波动过大，或存在超调的风险。