新型故障存储技术在巨型水轮发电机组调速器中的应用

严玉明，张 鹏，郝 辉

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

1 引言

调速器是水轮发电机组的核心控制设备，主要功能包括实现机组开停机、出力与频率调节，在电力系统中起着十分重要的作用。为了确保机组安全稳定，某巨型水力发电厂将调速器大故障引入电厂监控系统停机流程，当调速器发生严重故障时，机组可以安全、快速停机[1]。同时，维护人员也可通过监控系统查询相关数据。通过参照航空工业配备的“黑匣子”设备，研究在水轮机调速器控制PCC平台基础上，开发故障自动存储功能，在出现故障时自动记录设定时间段内的设备原始特征数据，为分析故障原因提供准确、真实的一手数据。

2 水轮机调速器故障

水轮机调速器对系统存在的故障有比较细致的分类，根据类型不同分为电气故障、机械故障，根据故障对系统的影响程度又分为大故障和小故障。依据某巨型水力发电厂调速器设备故障类型统计情况，绘制如图1所示故障分布图。该机组调速器设备电气类故障占比为70%，机械类故障占比30%，常见故障以电气故障居多。大故障占比2%，小故障占比98%，小故障数量远远超过大故障数量。对调速器不同类型故障进行分类，实现快速查明故障所发生的条件以及影响后果。

图1 调速器故障分布图

水轮机调速器电气类故障主要是由信号传感器采样异常触发相关硬件故障或者流程类故障，机械故障主要为机械液压阀组动作不到位或者相关元器件损坏，机械类故障产生的后果也可以由电气类故障间接报出[2]。

调速器大故障常见于频率信号消失，调节跟随不到位等情况，大故障对于系统影响较大，在配备有冗余控制策略的机组中，大故障会引起主备控制器切换，严重的情况可能会导致机组紧急停机，负荷丢失，对电力系统与机组会产生较大的负面作用。

3 调速器故障存储方式

对于不同类型、不同影响范围的故障，需要进行详细数据记录，在出现相应故障时，在不同的存储介质中要及时、有效地将故障数据第一时间保存，以便于维护人员可以获得准确的数据，某巨型水轮发电机组调速器原故障存储方式见图2。

图2 调速器原有故障存储方式图

通过图2可以看出，调速器故障存储方式主要有两种，第一种为调速器将故障信号上送至电站计算机监控系统，第二种为调速器故障存储于电柜触摸屏。上述两种方式基本可以满足常用的故障存储需求，两种方式可以相互补充。

方式1通过硬回路与光纤通信协议将故障信号上送至监控系统，数据采集量大，对于数字量信号可以满足故障分析要求，对于模拟信号，因为在各系统之间存在延时，加上监控系统的数据采集精度为秒级数据，从而导致一些模拟信号：接力器位置信号、主配位移信号，PID控制量等重要数据出现失真的问题。

方式2中，调速器故障信号传输以电柜触摸屏为平台，数字量与模拟量均通过通信方式送至触摸屏进行显示与存储，由于电柜中的调速器控制器与触摸屏通信距离短，具有高度一致的时间统一性，重要的模拟量信号精度也可以满足要求。此方式不足之处在于触摸屏的存储区域一般较小，对于数据量比较大的情况，常常会出现屏幕死机、卡顿。同时，由于市场上工业领域触摸屏质量品控不一，质量参差不齐，触摸屏如果损坏，可能导致存储的数据丢失。

4 新型调速器故障存储方式

通过分析对比某巨型水轮机组调速器现有的故障存储方式优缺点，在保留原有结构的基础上，研究一种多层次新型故障存储方式（图3），该方式具有更高的采样精度，具备响应快、数据多、可复制等优点，可以满足维护人员进行故障数据分析需求[3]。

新型故障存储方式是基于调速器现场控制器PCC内部的PVI通信机制，通过调用控制器中的保持型故障存储区域写入所需数据，在设备掉电时，没有丢失数据风险（图4）。

在调速器PCC存储区域中，维护人员可以编写相应程序，记录故障发生前后一定时间内调速器内部的重要数据，数据的存储速率完全与PCC运行速率一致，数据的采样精度可以得到有力保证。

系统故障记录数据量的大小可以人工设定，经过测试后确认PCC内存使用率在新功能投入期间变化量较小，PCC运行未受影响（图5）。

图3 调速器新型故障存储方式图

图4 调速器新型故障数据导向图

图5 新故障技术使用前后PCC内存使用率

根据设定，故障记录条目数超过一定限值时，系统可以自动删除第一次故障发生时的数据，数据保存至配置的外部存储卡。维护人员可以使用调试电脑将数据拷贝至本地，便于及时分析故障原因。

在故障发生后，调速器PCC可以自动绘制出相应的波形文件（图6）。

维护人员也可使用专门的数据导出软件，将故障数据导出至调试电脑生成Excel文件，用于数据展示或绘制故障前后的波形。

图6 新故障技术绘制波形

5 结语

新型水轮机调速器故障数据存储方式具有多层次、响应快、精度高、可复制、可保存等优点，已经广泛应用于某巨型水轮发电机组，维护人员通过新方法的使用，可以快速准确定位故障源头，提高设备缺陷消除效率，节省了时间与人力成本，为机组的安全稳定运行提供了重要保障。