“三取二”冗余测量技术在金沙水电站调速器中的应用

安勇

摘要：为提高水轮发电机组运行的可靠性，以金沙水电站为例，利用“三取二”冗余技术，测量了水轮机发电机组调速器转速（频率）、功率、开度等重要控制信号，分析了信号采集、逻辑判断、控制方法。结果表明：在水轮发电机组稳定运行时应用该方法可得到调速控制系统中导叶接力器及机组功率最真实的数据，实现调速系统中数据故障判斷处理的功能。优化设计的调速器测量反馈系统比传统配置方式更加可靠。研究成果可为提高水电站调速系统可靠性和机组运行稳定水平提供支撑。

关键词：“三取二”冗余测量技术; 调速器; PLC控制器; 金沙水电站

中图分类号：TV734.4 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.018

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0082 - 04

0 引 言

金沙水电站是金沙江中游十级水电枢纽规划的第九级，位于金沙江中游攀枝花西区河段。金沙水电站为径流引水式，安装了4×14万kW的轴流转浆式水力发电机组，于2020年11月实现首台机组发电，调速器采用南京南瑞集团SAFR-2000H型双微机调速系统。该调速器微机部分以PCCX20控制器为核心，双CPU配置;机械液压部分以比例伺服阀作为电液转换单元，主配阀采用自动复中功能;电源、控制模块等均采用了双冗余配置，尤其是调速器的转速、导叶开度、有功功率等测量按照国家电网公司《十八项电网重大反事故措施》要求，采用了“三取二”冗余反馈技术，该技术的应用使得调速器反馈采集可靠性大大提高，机组安全稳定运行得到了可靠保证。本文介绍了金沙水电站采用“三取二”冗余测量技术设计的调速器转速、功率、开度等重要控制信号。

1 “三取二”控制理念

国家电网公司《十八项电网重大反事故措施》（2019年修订版）“防止机网协调事故”中，明确提出“水轮机调速器的转速、功率、开度等重要控制信号应冗余配置，冗余I/O测点应分配在不同模件上。上述信号参与设备或机组保护时应采用独立测量的‘三取二’逻辑判断方式，作用于模拟量控制时应采用三取中值的方式进行优选”。根据上述要求，水电站机组调速器需满足以下技术条件。

（1） 调速器频率信号冗余配置，采用独立测量的“三取二”的逻辑判断方式，以三取中值的方式进行优选;

（2） 调速器导叶开度信号冗余配置，冗余I/O测点分配在不同模件上，采用独立测量的“三取二”的逻辑判断方式，以三取中值的方式进行优选;

（3） 调速器有功功率信号冗余配置，冗余I/O测点分配在不同模件上，采用独立测量的“三取二”的逻辑判断方式，以三取中值的方式进行优选。

水轮发电机转速、有功功率调节的稳定性对电网供电质量非常重要，而转速、有功功率的控制主要由调速器来完成，其调节性能的好坏对整个电厂的供电品质来说非常关键[1-2]，而大部分水电站调速器出现的事故主要与各类反馈信号异常有关，转速、功率、导叶开度反馈信号故障均可能造成调速器的异常动作或不动作，造成机组事故扩大。水轮机调速器控制系统均采用双PLC加双测量元件配置方式，即使有3套PLC的冗余配置，但仍然出现了单个元件故障后造成负荷波动的情况。究其原因是调速器控制系统对测量元件出现诸如传动机构失灵、信号失真等“软”性缺陷缺少故障判断。因此，有必要对此类故障进行专题研究和预防。

在实际控制系统中，两个元件同时出现故障的概率相对较小，但单个元件的故障是无法避免的，因此，必须尽可能确保在控制系统出现“单个元件故障”时机组能正常运行。除了PLC外，水轮机调速器中重要的控制元件主要包括导叶开度传感器、功率变送器和测频装置。在目前的常规配置中，这些元件均采用双套配置，每套PLC均单独有一套开度传感器、功率变送器和测频装置，实际上相当于两套控制系统且其相互之间均有故障接点反馈。这种配置存在控制漏洞，特别是出现“软”性缺陷时，控制系统将无法做出正确的判断。

针对需求稳定运行的水力发电机组，“三取二”功能提出一种提高水轮发电机组运行可靠性的调速系统冗余设计方法，目的是使水力发电机组在稳定运行时应用该方法得到调速控制系统中导叶接力器以及机组功率最真实的数据，实现调速系统中数据故障判断处理的功能。为了达到“三取二”的目的，针对调速采集系统，采用在水力发电机组的水轮机接力器或机组功率变送器上装设3个以上传感器，这些传感器用于测量水轮机运行中实际接力器行程或机组功率，采用4～20 mA输出信号以计算得到采样计算值。

可靠的调速系统冗余设计方法的特征在于：选取信号y作为特征参数来描述其统计特性和计算特性。根据其特征在水轮机调速系统的反馈信号，采用“三取二”和“三取中”逻辑判断取值方式。

采用“三取二”逻辑判断取值， 即对3个控制信号进行“三取二”的表决方式，来综合决定最终使用的反馈信号。调速系统正常运行的主套控制系统和正常备用的从套均采取3个反馈信号，从中选取信号大小相近或经计算、换算得到反馈实际信号接近的2个传感器反馈信号，进行平均值运算或其他运算，得到控制用的表征机组开度或机组功率实际位置的信号，作为最终的开度和机组功率反馈控制信号。

调速系统正常运行的主套控制系统和正常备用的从套均采取3个传感器反馈信号，在3个控制信号中，选取大小为中间值或经过换算得到传感器中间值的反馈实际信号，用该中间值反馈信号表征机组导叶开度或用机组功率实际位置的信号作为最终的导叶开度或机组功率反馈控制信号。

2 “ 三取二” 控制理念在金沙水电站的应用

2.1 金沙水电站概况

金沙水电站是金沙江中游十级水电枢纽规划的第九级，位于金沙江中游攀枝花西区河段，上距观音岩水电站坝址28.9 km，距攀枝花市区11.0 km，下距银江水电站坝址21.3 km。工程以发电为主，同时兼有供水、改善城市水域景观和取水条件等综合效益。

金沙水电站枢纽主要建筑物由混凝土重力坝、河床式电站厂房及泄洪消能等建筑物组成。从左岸至右岸依次为：左岸非溢流坝段（含鱼道）、河床式电站厂房、河床表孔溢流坝段、纵向围堰坝段、右岸表孔溢流坝段、生态放水孔坝段、右岸非溢流坝段，共15个坝段，坝轴线长392.5 m，最大坝高66 m，正常蓄水位1 022 m，死水位1 020 m，调节库容1 120万m3，水库具有日调节能力，通过2条220 kV线路接入国网四川电网。主厂房中安装4台单机容量为14万kW的轴流转浆式水轮发电机组，总装机容量为56万kW，多年平均发电量为21.77亿kW·h 。

2.2 “三取二”控制理念在调速器控制系统中的应用

2.2.1 “三取二”控制理念优化原因

金沙水电站调速器控制系统设计于2018年5月完成，设计初期是按双PLC加双测量元件进行配置，调速器控制系统的两套调节器通过信号分配模块，分别送至两套PLC。系统设计存在两套传感器信号，当出现故障报警时，由于系统无法正确判断出哪一路信号出现了问题，控制系统只能选择保持现状或直接启动事故停机。若要解决这一问题，必须再增加一路传感器信号，采用“少数服从多数”的“三取二”机制进行综合判断，即控制器接入三路传感器信号，当任何一路信号与其他两路的信号差值过大时，则判断此路信号故障，控制系统将自动屏蔽故障信号继续正常运行并报警。由此可以看出：“三取二”的控制理念能较圆满地解决目前常规控制方式存在的缺陷。2018年11月，国家电网公司发布《十八项电网重大反事故措施》新要求后，及时对测量信号进行了优化设计，有效避免了调速器控制系统对测量元件出现诸如传动机构失灵、信号失真等“软”性缺陷缺少故障判断的现象，满足反事故技术要求。

2.2.2 “三取二”控制理念实施

（1） 优化设计前调速器测量信号的配置。① 机组配置两个导叶位移传感器，通过信号分配模块，将两个导叶位移信号分别送至A套PLC以及B套PLC;② 机组配置一路功率反馈信号，由监控系统下发，通过信号分配模块，分别送至A套PLC以及B套PLC;③ 机组A套PLC与B套PLC分别独立配置一路残压、两路齿盘探头。图1为优化设计前调速器控制系统测量信号配置示意。

（2） 优化设计后调速器测量信号的配置。① 机组配置3个导叶位移传感器，通过信号分配模块，将3个导叶位置信号分别送至A套PLC以及B套PLC;② 机组配置三路功率反馈信号，来自监控系统有功功率变送器，通过信号分配模块，分别送至A套PLC以及B套PLC;③ 机组共配置两路残压，两路齿盘探头，其中两路残压分别送至A套PLC以及B套PLC，齿盘1送至A套PLC，齿盘2送至B套PLC。图2为优化设计后调速器控制系统测量信号配置示意。

（3） 優化设计后调速器测量传感器的调整。原设计中已经配置2套有功功率变送器、2套导叶位移传感器、3套转速信号传感器（2套齿盘+1套残压），为满足优化设计方案，增加1套双路输出的有功功率变送器，变送器电压、电流回路取自与原有功率变送器不同的电压互感器和电流互感器，避免测量回路断线造成反馈故障，增加1路导叶位移传感器，满足3路导叶位移传感器信号输入。

（4） 优化设计后控制逻辑判断。导叶位移、有功功率信号，其中1号为主用，2号和3号为备用，逻辑为：① 3个传感器均无反馈故障下，两两进行差值比较，判断偏差故障，若两两之间偏差均大于设定值，则开出总故障，切换主机;若1号偏差故障，则选用2号传感器主用;若2号和3号偏差故障，则选用1号传感器主用;均无故障，选用1号传感器主用。② 1号传感器反馈故障下，若2号传感器反馈无故障且3号传感器反馈无故障且无偏差故障，则2号传感器主用，否则上报反馈总故障，切换主机。③ 2号传感器反馈故障下，若1号传感器反馈无故障且3号传感器反馈无故障且无偏差故障，则1号传感器主用，否则上报反馈总故障，切换主机。④ 3号传感器反馈故障下，若1号传感器反馈无故障且2号传感器反馈无故障且无偏差故障，则1号传感器主用，否则上报反馈总故障，切换主机。

频率信号，其中残压F1为主用，残压F2、齿盘探头F3为备用，逻辑为：① 3个频率采样均无反馈故障下，两两进行差值比较，判断偏差故障，若两两之间偏差均大于设定值，则开出总故障，切换主机;若残压F1偏差故障，则选用残压F2主用;若残压F2、齿盘F3偏差故障，则选用残压F1主用;均无故障，选用残压F1主用。② 残压F1反馈故障下，若残压F2反馈无故障且齿盘F3反馈无故障且无偏差故障，则残压F2主用，否则上报反馈总故障，切换主机。③ 残压F2反馈故障下，若残压F1反馈无故障且齿盘F3反馈无故障且无偏差故障，则残压F1主用，否则上报反馈总故障，切换主机。④ 齿盘F3反馈故障下，若残压F1反馈无故障且残压F2反馈无故障且无偏差故障，则残压F1主用，否则上报反馈总故障，切换主机。

3 “三取二”控制应用试验及效果

完成调速器控制系统的完善和优化后，每套PLC独立采集两路残压测频，提高了测频的可靠性，以残压信号作为优先选择，增加一路导叶开度信号，两两进行差值比较，与传统配置方式相比较，测量反馈系统更加可靠。中国电力科学研究院对新机并网调速器进行了建模试验和模拟故障试验，并对测频、导叶开度、有功功率“三取二”功能进行逻辑测试，包括在空载、各种负荷状态下模拟任意一路频率、导叶位移、有功功率信号消失，机组导叶开度前后变化小于1%，频率变化小于0.02 Hz，负荷状态下功率变化小于1%的情况。试验结果表明：改造后的调速器控制系统各项控制指标满足电网运行要求。

4 结 语

本文对水轮机发电机组调速器控制信号采用“三取二”冗余测量技术进行了研究。使用“三取二”冗余测量技术后，得以下结论：① 测量反馈系统与传统配置方式更加可靠;② 控制逻辑更加完善与清晰明了，程序结构层次分明。

目前，绝大多数已建和在建大、中型水电站在调速器的硬件配置上均较冗余，但在控制策略上均存在或多或少的不足，水轮机调速器系统是其中重要的辅助控制设备之一，其运行的可靠性对电站尤为重要，而测量反馈系统的可靠性对设备的安全稳定更加关键，相应的控制系统需要进一步完善。

参考文献：

[1] 南海鹏. 水轮发电机PCC控制[M]. 西安：西北工业大学出版社，2002.

[2] 林建辉，张宇明，高燕. 基于2/3（G）表决冗余加速度传感器容错技术的研究[J]. 电子测量与仪器学报，2003（3）：15-21.

（编辑：江 文）

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