调速器液压随动系统故障冗余设计与实践

张 强，李士哲

（雅砻江流域水电开发有限公司锦屏水力发电厂，四川 西昌615000）

0 引言

锦屏一级水电站位于四川省凉山州盐源县和木里县境内，距西昌市约187 km，是雅砻江干流（卡拉至江口河段）五个梯级中的龙头电站，水库正常蓄水位1 880 m，相应库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，为年调节水库，其下游梯级为锦屏二级、官地、二滩和桐子林电站。

锦屏一级水电站枢纽主要建筑物由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物和引水发电建筑物组成。混凝土双曲拱坝高305 m，泄洪建筑物有坝身4个表孔和5个深孔及右岸1条泄洪洞。地下主、副厂房布置在右岸，主厂房中安装6台单机容量600 MW混流式水轮发电机组，总装机容量3 600 MW，年平均发电量为166.2亿kW·h。

锦屏一级电站调速器为双微机和双比例阀调速系统，分为电气控制部分和机械液压调节部分，电气控制部分采用了贝加莱公司的双套热备用的PCC2005控制器为核心，双套PCC2005控制模件的切换通过外部的智能切换模件根据切换信号、故障信号进行切换，通过采集机组频率信号实现频率闭环，通过采集机组导叶信号实现开度闭环，通过采集机组功率信号实现功率闭环，并将闭环计算输出的控制信号转换为电流量送给机械控制柜。

调速器机械柜配置了两套独立的综合控制板（MB），可实现调速器电手动闭环控制。通过电气控制柜手自动切换，可实现电气控制柜自动与机械控制柜电手动的无扰转换。机械液压调节部分由德国博世公司生产的比例伺服阀和功率放大单元组成电-液转换单元，实现电气控制信号与机械液压信号的连接。选用美国通用电气公司的FC5000阀组作为机械液压单元的主配压阀，用于接收比例伺服阀的控制油路，从而实现导叶的开启关闭。FC5000主配压阀控制阀组具备自复中功能和紧急停机功能，可进行机械手动操作和紧急停机。调速器电气控制部分与液压调节部分共同组成调速器的闭环调节系统，实现水轮发电机组的控制。

1 概述

调速器的液压随动系统的作用是执行电气调节柜的控制命令，将电控制信号转换为油压控制，通过逐级驱动的方式最终进行水轮机的导叶调整，从而起到机组功率调整的作用。调速器的液压随动系统主要包括伺服比例阀及其控制反馈装置、主配压阀及其反馈装置、液压管路及接力器、导叶位置传感器等一系列元器件。

调速器液压随动系统中任何一个控制阀组不正常动作或油管路堵塞均有可能引起导致整个液压系统动作异常，导致整个调速器的调节失败。对于具有位置反馈信号的伺服比例阀，可以将反馈信号送至功率放大板进行检测，判断比例阀动作是否正常；同样主配压阀也有相同的反馈机构，反馈信号上送至控制模块构成闭环调节，控制模块可以对液压异常情况进行判断，这些故障信号都以开关量的形式送调速器电气控制柜进行判断，进而进行伺服比例阀的切换。但这些都是电气量上的测量，可能存在测量误区无法准确判断，可以考虑增设调速器液压系统的综合故障，用于判断整个液压随动系统回路是否正常。

2 液压系统故障逻辑功能完善思考及实践

根据调速器副环传递函数（图1）可知，对于调速器电气调节部分来说，整个液压随动系统就是一个执行机构，调节柜电气控制系统发出一个开度调节命令（±10 V DC）至机械液压柜，液压随动系统进行调节，接力器进行开方向或关方向动作，带动固定在接力器支架上的导叶位移传感器进行相应的动作，导叶位移传感器的测量反馈上送至电气控制柜作为整个控制系统的大闭环。

虽然液压随动系统内部有比例伺服阀闭环、主配压阀闭环，但液压系统内部任何故障最终均能通过开度闭环来反映。

图1 调速器副环传递函

根据调速器副环传递函数进行导叶给定与导叶反馈进行模拟试验，其中导叶偏差按百分比计算，即0%～100%对应全关-全开，控制电压输出为±10 V，其中正值对应开启导叶，负值对应关闭导叶。解开调速器控制系统电气柜控制信号输出至机械液压柜接线，接入电压量信号发生器，根据发出不同的电压量记录导叶给定与导叶反馈之间偏差关系，见表1。

根据控制结构示意图可见，程序中导叶控制采用PI计算环节并对积分进行限幅，根据模式实测与理论计算一致。

根据上述试验结果，对调速器液压系统综合故障逻辑进行完善。调速器液压系统的综合故障逻辑如下：本套为主机自动状态、导叶无总故障下，当导叶给定与导叶反馈的差值大于3%时，持续2.6 s后判断开启方向导叶动作速度小于0.5%，并持续0.5 s，判断为导叶液压随动系统故障；当导叶给定与导叶反馈的差值大于-3%时，持续2.6 s后判断关闭方向导叶动作速度小于0.5%，并持续1 s，判断为导叶液压随动系统故障（由于液压随动系统存在一定的动作滞后性及接力器不动时间，开度给定和开度反馈的变化方向和速度应考虑一定延时）。

表1 导叶给定控制电压与导叶偏差关系

图2 控制电压与导叶偏差关系

试验验证：接入频率信号发生器，通过短接开机令、并网令、一次调频令，模拟机组并网状态，调试电脑录制 Gv_Give（开度给定）、Freq_Unit_Fdbk（机组频率）、Gv_Fdbk（开度反馈）、Gv_Hydr_Error（液压故障）波形。在调速器当前开度，关闭油路，短接导叶增加令或减少令改变导叶给定，使用导叶给定变化超过3%，观察液压故障报警报出正常，并对该过程进行全程录波。试验波形见图3、图4。

图3 导叶给定关闭方向液压故障逻辑验证

图4 导叶给定开启方向液压故障逻辑验证

3 结语

调速器作为水轮发电机组有功功率调节的自动控制设备，它的稳定运行直接关系到机组的稳定运行，从而直接影响电网的安全。现代微机调速器可以更加精确有效的控制机组运行，确保机组发出更优质电能，同时减少机组异常停机的可能，为电力行业取得了良好的社会效益和经济效益。但由于行业的发展和需要，微机调速器始终处于不断发展的阶段，调速器的逻辑设计需要实践与优化才能更加完善，才能确保机组安全稳定运行。

大型水电厂调速器液压随动系统均设置了一些报警保护功能，能够对满足绝大多数异常状况进行报警，但也存在一些不完善的地方。本文结合现场维护实践，从调速器液压随动系统综合故障逻辑报警功能完善思考，并提出一些有针对性的试验方法，希望为其他水电厂提供借鉴。