抽水蓄能电站调速器重要信号跳变分析及预防

金 橹，董天刚，李小乐

（1.山东沂蒙抽水蓄能有限公司，山东 临沂 273400；2.广东粤电流溪河发电有限责任公司，广东 广州 510956；3.中国电建贵阳勘测设计研究院，贵州 贵阳 550081）

0 引言

沂蒙抽水蓄能电站（简称沂蒙电站）总装机容量为120 万kW，安装4 台30 万kW 的单级混流可逆式水泵水轮发电机组，设计年发电量为20.08 亿kW·h，年抽水电量26.77 亿kW·h，该抽蓄电站也是目前国内二次控制系统国产化率最高的抽蓄电站之一。调速器是抽水蓄能电站最重要的机电控制系统之一，调速器的安全稳定运行直接关系到抽水蓄能电站的健康稳定运行，调速器重要信号的稳定性尤其重要。本文重点分析沂蒙电站两起因重要信号跳变导致的事故案例及防控措施。

1 案例基本情况

1.1 水头跳变

沂蒙电站在机组调试期间发生过一次调速器液压故障导致的事故停机事件，当时该台机组刚进入抽水工况稳态带-300 MW 负荷。此时上水库水力量测系统端子箱处因临时电源丢失有短时停电，同时监控系统收到的上库水位迅速下降；18 s 后上库水力量测系统端子箱恢复供电，监控系统收到的上库水位立即恢复。在此期间，监控报调速器A、B 套液压故障（导叶越限），机组紧急停机。

事件发生后，运维人员连接调试电脑查看电调控制器程序里“导叶越限”的发生条件：在机组抽水工况运行时，当导叶开度>当前水头最优协联开度+4%时，导叶越限条件满足，调速器控制器（简称电调）会报“液压故障”并作用紧急停机。调取监控导叶开度曲线后发现：

10：27：28 调速器导叶开度由63%突然开大到76%，保持约30 s；

10：28：01 开度降至71%，保持约30 s；

10：28：28 电调报液压故障，机组紧急事故停机。

1.2 转速跳变

2022 年09 月22 日00：21：50，电站1 号机停机过程中，机组转速小于5%额定转速后机械制动正常投入，00：22：12，监控报“1 号机组转速<5%复归”、“1号机组转速<10%复归”、“1 号机组转速装置故障（A套）动作，此后监控一直未收到测速装置<1%转速动作信号，960 s 后，监控流程走机械事故停机。

监控简报如下：

00：15：25 1 号机停机

00：22：09 1 号机转速<1%（制动柜）动作

00：22：12 1 号机组转速<5%复归

00：22：12 1 号机组转速<10%复归

00：22：15 1 号机机组转速装置故障（A 套）动作

00：37：59 转速未降至1%，流程退出

00：38：02 流程调用，1 号机组机械事故停机操作

00：54：36 转速未降至20%或5%，流程退出（流程自启动：1 号机机械事故停机操作）

00：54：38 流程调用，1 号机组电气事故停机操作

2 案例分析

2.1 水头跳变分析

在抽水工况时，调速器的导叶开度和水头之间存在着协联关系，而水头又是通过上下库水位在监控系统里作差再送至电调的。因此上库水位的变化直接影响到导叶开度，实现上库水位测量的投入式液位变送器的接线原理如图1，这是典型的两线制接线型式的变送器，24 V 电源的短时丢失会导致测值模拟量输出失真。

在上库水位失真期间，导叶开度先突然增大，并且短时后又下降，随后出现了导叶开度大于导叶开限的情况，所以电调判“导叶越限故障”报液压故障，动作机组停机。为保证抽水时水泵水轮机转轮处于最优运行工况，在抽水工况时导叶开度和监控水头（毛扬程）之间存在的协联关系见表1。

表1 水泵工况导叶开度与水头协联关系

导叶开限为调速器在控制导叶开过程中能开达的最大开度。当导叶实际反馈开度大于开限时，可以认为是由于液压主配或其控制阀组卡涩引起的故障而造成的不可控制状态，因此需要进行事故停机。导叶越限的限值设定和导叶越限故障开出逻辑见图2 和图3。其中，Gv_Max_Limit 表示导叶开限，Pump_Gv_Opt 表示导叶协联开度，Gv_Fdbk 表示导叶开度反馈值，Gv_Limit_Err 表示导叶越限故障，800为电调内部导叶开度采样值，对应4%导叶开度。

图2 调速器电调抽水工况导叶开限设定

图3 调速器电调导叶越限故障开出逻辑

在确定故障的原因是监控水头变化引起后，调出监控水头及上库水位变化曲线见图4，在此期间下水位水位在197 m 并保持稳定。

图4 停机前导叶开度与上库水位变化

可以看出，故障发生时上库水位经历过一次短时跳变，从592 m 瞬时下降到517 m 后，经过16 s后又迅速恢复到592 m。而在调速器电调程序里，为消除水头毛刺进行开度计算用的监控水头每30 s取一次平均值，当监控水头突降到517 m 后，导叶开度并没有立即发生变化，而是等待16 s 后开始增大，考虑到PLC 扫描周期、液压系统动作时间及信号传递等延迟大约5 s，实际情况在上库水位失真11 s 后电调即接收到水头跳变。因此导叶增大时的协联水头=（592×19+517×11）/30-197=367.5 m，对应导叶协联开度约为78%。

在其后30 s，导叶开度下降至71%，此时对应的最优水头协联=（592×25+517×5）/30-197=382.5 m,对应最优协联开度约为71%。再过30 s，电调算出的水头即为失真前的592 m，同时导叶协联开度恢复为之前的63%，导叶开限同时恢复为之前的67%，而此时导叶实际开度尚在71%，所以电调判“导叶越限故障”，作用紧急停机。

2.2 转速跳变分析

2.2.1 沂蒙电站测速系统配置

沂蒙电站测速系统共有三部分组成：①调速器系统电调柜自带的两套测速装置，仅供调速器电调控制用；②调速器为监控系统配置的两套测速装置，信号上送监控系统，供监控上位机显示、监控流程及监控单独开出给辅机控制用，为南瑞公司的SJ-22D型测速装置，也是本次非正常动作的测速装置；③发电机机械制动柜自带的测速装置，供机械制动电气控制回路用，同时也将各转速开出送至监控系统，装置为西门子TD400C 型。以上每套测速装置均为“2 路齿盘+1 路PT”输入，在大轴齿盘处共设置了10 个接近式测速探头。

2.2.2 跳变原因排查

事件发生后，电站运维人员立刻前往1 号机SJ-22D 测速装置处检查设备运行情况，查看相关报警信息，见图5，发现A 套SJ-22D 测速装置上“<1%”、“<5%”、“<10%”3 个转速节点均未正常动作，ALM 报警灯亮，面板数码管显示此时机组转速为0。检查齿盘测速探头，探头与齿盘间隙均在2~3 mm 之间，测速探头螺栓紧固没有松动，感应时指示灯能正常亮，航空插头亦没有松动。同时检查测速信号回路各二次端子，未见松动。

图5 故障发生时测速装置面板显示

图6 故障发生时的转速模拟量变化（跳变的为A 套，正常为B 套）

查看测速装置开出逻辑说明，见表2，在“2 路齿盘测速值偏差>10%额定转速”时，测速装置报警并保持当前开出，同时报警灯亮。

表2 SJ-22D 测速装置内部逻辑说明

调取监控系统A 套测速装置转速模拟量曲线，发现在机组转速降至2%额定转速时，转速有明显跳变，由2%跳变至7%，在停机时测速装置送监控模拟量取值为2 路齿盘测速值平均值，和正常的测速装置（B 套）转速模出相比，可以判断出其中1 个齿盘测速测值由2%跳变至12%，导致转速模拟量输出为（12%+2%）/2=7%，而转速开关量开出取2 个齿盘测速值“逻辑与”，当其中一个探头值发生此种跳变（2%至12%），那会影响到“<1%”、“<5%”、“<10%”的转速开出，并直接导致监控流程里的这3个测速节点无法变位，监控流程延迟960 s 后仍未收到“<1%”转速节点信号，动作机械事故停机。

随后电站维护人员对该机组的2 套SJ-22D 测速装置进行联机检查，发现A 套SJ-22D 测速装置联机后，不论是历史曲线波形召唤还是历史记录调取时，均发生内部板卡异常动作，表现为内部继电器频繁开出动作复归，且转速开出节点瞬时丢失，面板数码管显示乱码，判断是装置板卡存在故障，工厂测试后亦确认装置内部板卡故障。

3 防控措施

3.1 水头跳变预控

调速器水头信号来自监控系统，首先在监控系统增加水库水位信号的品质判断，考虑到存在变送器电源丢失或外部干扰导致水位模拟量品质变坏的情形，在监控系统上库LCU 和下库LCU 中分别添加了防止水位信号丢失及跳变的逻辑，监控下位机程序判水位模拟量测值是否在有效量程内，图7 中，Ai_Real[16]表示水位测值原始值，EthAi_Send[6]表示经品质判断后的测值，只有当水位在量程范围内即品质好时才会将上下库水位作差送至调速器，否则保持上一时刻水位。

图7 监控下位机程序对上库水位品质的判断（下库类似）

另外，在调速器电调中增加了水头跳变逻辑的判断：调速器所用监控水头为一个计数周期（30 s）内平均值，一旦该周期前10 s 或者前20 s 内平均水头与周期水头平均值之差大于3 m，则判定是水头跳变，转而用上一周期运行水头。图8 中，Head_Fdbk_Re_10、Head_Fdbk_Re_20 分别表示30 s 计算周期的前10 s和前20 s 水头值，Head_Fdbk_Auto1 表示30 s 计算周期水头，Head_Fdbk1 表示运行水头，Head_Fdbk1_Reserve 表示上一时刻运行水头，Head_Fdbk_TP_Flag表示水头跳变故障，120 为电调内部水头采样值，对应实际水头3 m。水头无跳变时，电调算出的监控水头赋值给运行水头用作导叶开度协联计算。

图8 电调内部水头跳变程序判断

3.2 转速跳变预控

由于SJ-22D 测速装置输出主要供监控系统用，对监控下位机程序里关于转速开关量判断的逻辑进行了优化，避免在低转速时当一路齿盘脉冲丢失或跳变引发测速装置故障和转速开出异常。在监控系统原程序中，测速装置转速节点开出和机械制动柜转速节点开出作逻辑“与”后再开出，程序优化后，则必须先判断测速装置有无故障，测速故障如有故障，监控系统则只用机械制动柜开出的转速节点。图9 中，Di[267]~Di[271]为机械制动柜转速节点开出，Di[36]~Di[40] 为SJ-22D 转速装置节点开出，Di[43]为SJ-22D 测速装置故障节点，speed1~speed50 为综合后转速节点开出。

图9 监控系统机组LCU 程序对转速开出逻辑优化

4 结语

调速器重要信号多采取冗余配置，但调速器和其他系统之间共用的重要模拟量信号一旦发生跳变就可能影响到机组的稳定运行，因此不仅要保证调速器系统自身信号的冗余配置，对于重要接口信号的防抖设计和品质判断亦要高度重视。