调速器培训——冗余系统赵伟
水轮机调速器培训课件
三联水电水轮机数字调速器（培训教材）武汉三联水电控制设备有限公司2004年10月15日目录第一章水轮机调节的基本任务 (3)一、水轮机调节系统的结构 (4)二、水轮机调节系统的特点 (4)第二章水轮机调速系统的标准和特性 (7)一、水轮机调速系统的标准 (7)二、水轮机调速系统的特性 (8)三、水轮机调速器的动态特征 (9)四、水轮机调节系统的动态特性 (13)第三章水轮机调速器的控制算法 (15)一、PID控制算法 (15)二、桨叶控制器 (18)第四章水轮机微机调速器的硬件 (23)第五章水轮机微机调速器的形式 (27)一、调速器的发展 (27)二、调速器的分类 (28)三、冗余式可编程调速器 (29)第六章水轮机微机调速器的功能和运行 (34)一、参数可调范围 (35)二、功能要求 (36)三、软件 (49)第七章水轮机微机调速器的机械液压执行机构 (58)一、比例伺服阀＋数字阀＋机械开限/纯手动组成机械冗余结构 (58)二、步进式机械液压系统 (59)第八章水轮机微机调速器的故障处理 (63)一、空载频率摆动 (63)二、负载漂移 (63)三、接力器抖动 (64)四、切换故障 (65)五、甩负荷 (65)六、与水头有关的故障 (66)七、自检 (66)第一章水轮机调节的基本任务水轮发电机组把水能转变为电能供生产、生活使用。
用户在用电过程中除要求供电安全可靠外，对电网电能质量也有十分严格的要求。
按我国电力部门规定，电网的额定频率为50Hz（赫兹），大电网允许的频率偏差为±0.2Hz。
对我国的中小电网来说，系统负荷波动有时会达到其容量的5％～10％；而且即使是大的电力系统，其负荷波动也往往会达到其总容量的2％～3％。
电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动。
因此，不断地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定转速（频率）的规定范围内，就是水轮机调节的基本任务。
水轮机调速器是水电站发电机组的重要辅助设备，他与电站那二次回路或计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。
基于冗余方式的水轮发电机调速系统的可靠性提升
基于冗余方式的水轮发电机调速系统的可靠性提升贵州乌江水电开发有限责任公司思林发电厂华电电力科学研究院有限公司武汉三联电工有限公司摘要：调速系统在整个水轮发电机运行的过程中起到至关重要的作用，一旦某一个环节出现故障，都有可能对水轮发电机的运行造成一定的影响。
为了能够有效的避免这种问题，冗余将设备运行过程中的系统以及设备进行备份，这样可以保证通过冗余配置提高整个系统的可靠性。
本文通过对电源冗余、电液转换冗余、控制器冗余、传感器和理论值冗余等几个方面进行分析。
通过冗余配置提高水轮发电机组的可靠性，希望能够为水轮发电机调速系统的安全可靠运行提供有效的帮助。
关键词：冗余方式；水轮发电机；调速系统；理论模型；可靠性前言：水轮发电机调速系统在运行的过程中，包括非常多的功能，同时也包括非常多的使用设备以及运行工况。
调速系统在整个水轮发电机组工作的过程中起到非常重要的作用，调速系统对水轮发电机调节的品质有着非常大的关系，对供电的稳定性以及供电的安全性都有着非常大的影响。
一旦调速系统中的某一个设备或者是运行工况出现问题的时候，都会对水轮发电机调速系统的可靠性造成一定的影响。
采用冗余配置在整个系统运行的过程中进行备用的配置，能够有效地将水轮发电机调速系统的可靠性进行提升，保证发电机的正常运行和电网安全。
（思林发电厂位于贵州省铜仁市思南县境内的乌江干流上，是乌江水电基地的第八级电站上游为构皮滩水电站，下游是沙沱水电站。
碾压混凝土重力坝最大坝高117m，坝顶全长326.5m，坝顶高程452米，水库正常蓄水位440m，相应库容12.05亿立方米，调节库容3.17亿立方米，属日周调节水库。
电站额定水头64m，装机105万KW，多年平均发电量40.64亿kW.h，）一、电源冗余的可靠性电源对于一个设备或者是系统的正常运行有着非常关键的作用，是设备以及系统能够正常运行的基础。
所以，在调度系统运行的过程当中，一旦出现电源消失的情况，调速系统可以根据实际情况自动关闭导水机构。
基于冗余性的调速器在柘林水电站的应用
基于冗余性的调速器在柘林水电站的应用摘要：介绍了柘林水电站新型调速器电液转换器冗余、测频冗余技术特点等。
该技术有效提高了整个调速系统的可靠性，更加满足电力安全生产的要求。
关键词：冗余；调速器；电力安全；水电站0引言柘林水电站位于赣西北修河中游末端的永修县柘林镇附近，是一座以发电为主，兼有防洪、灌溉、航运和水产养殖等综合效益的大型水利水电工程。
水库具有良好的多年调节性能。
坝址控制流域面积达9 340km2。
水库正常蓄水位65m，总库容为79.2亿m3。
为多年调节水库。
电站原设计总装机容量180MW（4×45MW），现已扩建2×120MW机组。
扩建完成后，最终总装机容量为420MW。
机组所采用调速器为长江三峡能事达电气股份有限公司生产的伺服电机&比例阀型微机调速器，电气部分为法国Schneider Quantumn控制器，机械部分以伺服电机+比例阀式无油电液转换器为主体，采用并联PID适应式变参数变结构调节方式，能够自动适应空载、大网、小网运行方式。
1概述水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路或计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务，担负着调节电网频率稳定的任务。
随着计算机技术的迅速发展，水轮机微机调速器得到了广泛的应用，可编程控制器调速器是我国当前水轮机微机调速器的主导产品。
运行实践表明，调速系统的可靠性不仅取决于系统设计的可靠性，更多地取决于PLC、电液转换器等元器件的可靠性，调速器在长期实际运行过程中存在一些电气元件本身的老化问题。
采用技术先进、高可靠性的冗余控制成为满足连续生产要求、提高系统可靠性的一种手段。
2伺服电机与比例阀的双冗余电液转换系统2.1比例阀电液转换单元工作原理当切换阀301EV切换到比例阀控制时，压力油通过双联过滤器301LP过滤后，由比例阀301PV通过切换阀3 021EV、停机阀302EV 进入主配压阀201DV上方主配控制腔。
调速器冗余系统在水电站中的优越性
调速器冗余系统在水电站中的优越性摘要：水电站的调速系统对于水电站的正常运行具有重大意义。
本文通过比较来论述水电站调速器采用“冗余系统”调节性能的优越性。
关键词：电液转换器；调速器的“冗余系统”；伺服比例阀引言：水轮机调节系统是一个本质非线性、时变、非最小相位系统，其控制性能指标稳定性一直是人们所关注的问题。
随着控制技术的发展，水轮机调速系统的控制规律也在不断地发展和完善。
水轮机调速器是控制水轮发电机组在各种工况下，安全运行的控制设备之一，它的任务是：控制水轮发电机组自动开机、停机、转速调节、负荷调整、机组各种运行工况的转换、机组或电力系统故障时紧急停机。
调速器在作转速调节和负荷调整时，其任务的实质是维持进入水轮机的能量和发电机组输出的电能之间的平衡。
因此，调速器的调节功能在水电站运行中起着非常重要的作用。
调速器一般由转速（和频率）测量机构，调节决策和执行机构三大部分组成，而调节决策和执行机构又是调速器最核心的部件。
传统的调速器一般由数字阀做为电液转换控制，其结构简单、操作维护方便，对油质要求不高，具有很强的抗油污能力，在额定负荷运行时耗油量小成本低。
但是其调节精度较差。
另外一种由伺服比例阀做为电液转换控制的调速器。
伺服比例阀是上世纪八十年代后才发展起来的一种新型电液转换装置，它是德国BOSCH公司的专利产品。
它一开始是用于高档汽车的ABS及ESP系统中，后来被广泛用于控制精度及动态响应要求较高的工业控制系统中，它是将传统的伺服阀和比例阀的优点结合起来，同时又克服了彼此的缺点，它即具有伺服阀的高响应、高精度又具有比例阀的对油质的要求稍低的特点。
它的动态频响在3dB时可达100HZ，死区为零。
其调节精度较高，在控制水轮机组时比较平稳，但对油质要求较高，一般要求滤油精度在60μ以下，长期运行油质变差后就可能出现卡阻故障，而且其本身不具备机械手动操作功能。
现今，新型全数字式可编程微机调速器的伺服比例阀+数字阀的冗余系统解决了这个不可兼得的问题，由伺服比例阀和数字阀共同组成电液转换控制系统，正常运行时采用伺服比例阀，调节精度比较好；在油质达不到比例阀要求时，可以自动或者手动切换到数字阀运行，并且可以在线清洗比例阀。
基于冗余方式的水轮发电机调速系统的可靠性提升
第41卷第3期2020年3月自㊀动㊀化㊀仪㊀表PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATIONVol.41No.3Mar.2020收稿日期:2019-08-22作者简介:凌胜军(1974 ),男,学士,高级工程师,主要从事水电厂技术研发与设备的管理工作,E-mail:xsxlsj@基于冗余方式的水轮发电机调速系统的可靠性提升凌胜军(国投甘肃小三峡发电有限公司,甘肃兰州730050)摘㊀要:调速系统是水电站参与控制调节的重要设备,自动调节水轮发电机组的转速,满足电网对频率质量的要求㊂水电站采用 无人值班(少人值守) 的运行方式,提高了对水轮发电机调速系统可靠性的要求㊂冗余是增加重复部分或对原本的单一部分进行备份,依靠冗余配置是提高调速系统可靠性的重要方式㊂通过对调速系统电源㊁电液转换㊁控制器㊁信号㊁压力油源㊁主配压阀几部分设备的冗余配置,分析各设备的功能㊁实现方法㊁效果,通过冗余配置提高了水轮发电机组和电站整体的可靠性㊂同时,该系统对于航运㊁水利㊁船舶等采用液压控制类的行业及领域具有较好的参考作用㊂关键词:冗余;水轮发电机;调速系统;水电站;可靠性中图分类号:TH13㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀DOI:10.16086/ki.issn1000-0380.2019080043Reliability Improvement of Hydro Generator Governing SystemBased on RedundancyLING Shengjun(SDIC GanSu XiaoSanXia Power Co.,Ltd.,Lanzhou 730050,China)Abstract :The turbine governing system is an important equipment involved in the control and regulation of hydropower station,which automatically adjusts the rotational speed of the hydro generator unit to meet the requirements of the power grid forfrequency quality.The unattended (with few people on duty)operation mode adopted by the hydropower station raised therequirement for reliability of the hydro-generator governing system.Redundancy is the duplication of parts or the backup of original single parts.Redundant configuration is an important way to improve the reliability of governing system.By redundantconfiguration of such parts as power supply,electro-hydraulic converter,controller,signaling,pressure source and main distributing valve,and by analyzing the function,realization method and effect of each equipment,the reliability of the hydro-generator set and the hydropower station was improved.It can be used as a reference for shipping,water conservancy,ships andother industries and fields that use hydraulic control.Keywords :Redundant;Hydraulic generator;Governing system;Hydropower station;Reliability0㊀引言水轮发电机调速系统主要功能包括:自动调节水轮发电机组的转速,使其保持在额定转速允许偏差内运转,满足电网对频率质量的要求;使水轮发电机组自动或手动快速启动,适应电网负荷的增减㊁正常停机㊁紧急停机的需要;水轮发电机组在电力系统中并列运行时,调速系统能自动承担预定的负荷分配,使各机组能实现经济运行;满足转桨式㊁冲击式水轮发电机双重协联关系调节的需要;满足电网对水电站自动增益控制(automatic gain control,AGC)㊁一次调频等调节控制要求㊂调速系统与水轮发电机调节品质息息相关,关系到电网的供电质量及电网安全,很多水电站采用 无人值班(少人值守) 的运行方式,提高了对水轮发电机调速系统的可靠性要求㊂冗余配置是进行相同的重复配置或在功能上实现相同的目的而增加的配置,依靠冗余配置是提高调速系统可靠性的重要方式㊂冗余方式下,当一套设备故障时可切至另一套设备,不影响系统整体的运行㊂对调速系统的重要设备㊁装置㊁元件等各类部件设备进行两套或两套以上的配置,一套部件故障后切换至另一套运行,包括调速系统电源㊁电液转换㊁控制器㊁频率信号㊁开度反馈信号㊁压力油源㊂采用冗余方式提高水轮发电机调速系统的可靠性,部分冗余方式已广泛应用在水电站已[1-7],调速系统第3期㊀基于冗余方式提高水轮发电机调速系统的可靠性提升㊀凌胜军主配压阀这种大功率元件的冗余也有少量的应用与研究㊂1㊀电源冗余的可靠性调速系统的电源消失将造成非常大的影响和损失㊂根据现行标准要求,当调速系统电源消失时,应能够实现 失电关闭 ㊁ 失电动作 ㊁ 失电停机 等功能,即当调速系统控制电源消失时,能够实现自动动作关闭导水机构㊂当机组处于发电运行状态时,水轮发电机调速系统因电源消失关闭导水机构,会对电网带来影响;同时,水轮发电机导水机构关闭而机组的出口断路器处于合闸状态,会造成机组调相运行㊂调相运行可能造成发电机损坏或电力系统不稳定,调速系统电源消失时向机组监控系统或保护设备发出信号作用于分开机组出口断路器,也易造成发电机过速的情况㊂因此,一定容量的水轮发电机调速系统的电源采用冗余方式㊂电源由一路交流㊁一路直流或两路直流电源组成㊂水电站的直流电源一般由整流设备或蓄电池组输出㊂整流设备或蓄电池组同时由多路提供,交流电源通常也取自不同回路,电站提供给调速系统的交直流电源较为可靠,较少发生电源同时消失的情况㊂调速系统电源消失一般是由系统内部短路㊁接地等故障引起的,应对调速系统内部电源设备的设计㊁安装㊁接线等引起重视㊂在电源设计中,采用接地㊁滤波㊁屏蔽㊁电路㊁分布式隔离等技术,以提高调速系统供电电源的可靠性㊂正常情况下,由一路交流和一路直流组成的两套电源整流器中的高频整流模块并列运行㊂当其中任一路发生事故,或某一路电源故障㊁检修退出运行时㊂另一组整流器可单独运行㊂通过冗余方式配置调速系统的电源,互为热备用㊁无扰切换,任一路电源消失均不会对调速系统调节产生影响,提高电源的可靠性㊂调速系统交直流冗余电源供电原理如图1所示㊂图1㊀调速系统交直流冗余电源供电原理图Fig.1㊀Schematic diagram of AC /DC redundant power supplyfor governing system2㊀电液转换冗余的可靠性电液转换是将输出的综合电气信号转换成具有一定操作力和位移量的机械位移信号或一定压力的流量信号㊂机械位移信号或流量信号最终作用于接力器㊁导叶㊁桨叶,应用较多的电液转换有伺服比例阀㊁步进电机㊁数字阀等,各有其优缺点㊂以伺服比例阀的电液转换冗余方式为例㊂伺服比例阀是将输入的电信号转换为流量输出信号的电磁阀,其结合了伺服阀和比例阀的优点,既有伺服阀的高精度和高响应性,又有比例阀的电磁操作力大㊁抗油污能力较强等优点㊂伺服比例阀也存在控制器模拟电路产生的温飘和零飘,使得控制系统易受温度变化的影响;本身的非线性因素如死区㊁滞环等难以实现彻底补偿;但其整体性能仍然较为优良,在各种类型的水轮发电机调速系统中应用广泛㊂伺服比例阀1和伺服比例阀2并列运行,压力油同时输入这两个伺服比例阀,两个伺服比例阀的输出至冗余伺服比例阀切换阀㊂冗余方式中,一套伺服比例阀为主用,另一套伺服比例阀为备用㊂主用具备实际输出功能,备用不进行实际输出㊂通过检测主用一套的伺服比例阀电液转换控制输入与导叶接力器位移㊁主配压阀位移的变化㊁大小及方向,来判断这套伺服比例电液转换是否正常㊂当检测到当前主用的伺服比例电液转换故障时,将另一套备用伺服比例电液转换器切为主用,切换时接力器的位移ɤ1%;同时冗余伺服比例阀切换阀动作,油路也切换至备用的伺服比例阀电液转换㊂电液转换是调速系统的重要部件,也是故障率较高的部件㊂通过伺服比例阀或其他电液转换元件的冗余方式,可提高调速系统电液转换的可靠性㊂伺服比例阀电液转换冗余结构如图2所示㊂图2㊀伺服比例阀电液转换冗余结构图Fig.2㊀Redundancy structure diagram of electro-hydraulicconverter for proportional servo valve㊃18㊃自㊀动㊀化㊀仪㊀表第41卷3㊀控制器冗余的可靠性水轮发电机调速系统控制器是调速系统的核心部件,完成调速系统的信号采集㊁数据运算㊁控制值输出及其他附加功能㊂可编程逻辑控制器(programmablelogic controller,PLC)㊁可编程计算机控制器(programmable computer controller,PCC)因性能优秀㊁可靠性高等特点得到广泛的应用,尤其是PCC具有较强的测频精度㊁多任务功能㊂控制器的冗余配置为热备方式,正常时一台控制器为主用控制器,另一台为备用控制器㊂只有主用控制器具有控制权㊂主用控制器进行实际控制输出,每台控制器对自己的模块和元件进行检测,两台控制器通过通信或电路进行主用㊁备用的切换并实时检测对方的状态㊂当备用控制器检测到主用控制器或元件故障时,备用控制器切为主用,即拥有控制权,冗余控制器切换引起接力器的变化应ɤ1%㊂这样,通过控制器的冗余配置,可大幅提高调速系统的可靠性㊂4㊀信号冗余的可靠性水轮发电机调速系统接入信号众多,包括水头㊁机组断路器㊁导叶与桨叶的开度信号㊁频率信号等,其中频率和开度信号更为重要㊂调速系统主要以频率和开度信号实现和判断开机㊁停机㊁调节等功能,对频率和开度信号的可靠性提出了更高的要求㊂4.1㊀频率信号冗余可靠性新机组首次启动㊁大修后的首次开机或长时间停机的机组开机这几种情况,TV测频可能不可靠,就需要使用齿盘测频㊂当机组与电网失步,齿盘测频也比较可靠;齿盘测频不受检修㊁停机的影响,但要求有较好的制造㊁安装精度及传感器的准确性㊂基于调速系统测频的重要性[8-17],为提高测频的可靠性,通常采用冗余测频的方式,即一路TV测频㊁一路齿盘测频或者二路TV测频㊁二路齿盘测频㊂TV测频方式简单㊁技术成熟,正常情况下可作为主用测频方式㊂齿盘测频不受残压的限制,也具有较高的可靠性,具备零转速检测功能,可作为备用测频方式㊂实际应用中,在新机组启动㊁大修开机㊁长时间停机这几种情况下,采用齿盘测频方式,其他的使用情况采用TV测频㊂机组正常开机时,在励磁投入前采用齿盘测频方式,励磁投入后残压较高,测频较准确时采用TV测频方式,通过冗余测频的方式提高调速系统测频的可靠性㊂4.2㊀开度信号冗余可靠性开度信号即水轮发电机导叶[18-22]㊁桨叶接力器的位移量,是调速系统动作执行情况的依据,也是调速系统控制调节的体现和反馈,在调速系统的故障中占有较高的比例㊂为提高开度信号的可靠性,在大中型水电站较多采用冗余方式的开度信号,调速系统开度信号冗余中导叶㊁桨叶分别配置两个或两个以上性能参数完全相同的传感器,安装位置㊁安装方式也应一致,保证传感器输出的一致性㊂实际应用中,将一个开度传感器作为主用,另一个作为备用,并以主用作为导叶㊁桨叶位移的判断依据㊂当检测到主用传感器故障时,将备用传感器作为主用,或者将两个及两个以上的传感器综合计算作为导叶㊁桨叶位移的判断依据㊂当检测到某一个传感器故障,则不再将此故障传感器作为开度综合计算的判断依据㊂这样,通过冗余配置传感器的方式,可提高开度信号的可靠性㊂5㊀压力油源冗余的可靠性压力油源向调速系统提供稳定的操作介质㊂考虑到调速系统在水轮发电机中的重要性,也会对压力油源作冗余方式设计㊂当系统的压力油源消失,水轮发电机即处于失控的情况,尤其是压力油源快速消失时,对机组是极为危险的㊂因此,应保证调速系统正常一路油源消失时能够有稳定㊁可靠的冗余备用油源或事故油源接入调速系统,保证机组的正常停机或短时间的调节运行㊂压力油源的冗余一般只是功能上实现的冗余,冗余油源的容量㊁配置与正常的压力油源不同㊂冗余油源根据水轮发电机容量㊁所在电网的重要性等不同而配置,大容量的一台机组调速系统配置一套冗余油源;部分机组由两台机组配置一套冗余油源,即两台机组合用的冗余油源;也有全厂所有机组配置一套冗余油源㊂压力油源正常时作为调速系统的操作介质,冗余油源在正常压力油源消失时作为操作介质,当检测到正常一路的油源压力较低时立即投入冗余的压力油源,并将原正常的压力油源从调速系统切除,通过冗余油源提供调速系统操作介质的可靠性㊂6㊀主配压阀冗余的可靠性主配压阀作为最后一级流量放大,由液压或行程来控制㊂阀芯上下二腔为主控制腔,分别与主接力器开启腔和关闭腔相连接,直接作用于接力器,带动水轮发电机导叶和桨叶的开启或关闭㊂阀芯中间腔为主配压阀操作油输入腔,与压油装置出口管路相连接㊂作为大功率元件,主配压阀可靠性较高,一般不太容易卡阻,冗余也较为困难,为保证机组安㊃28㊃第3期㊀基于冗余方式提高水轮发电机调速系统的可靠性提升㊀凌胜军全,可通过事故配压阀或机组快速闸门实现可靠停机㊂一般使用中经过较长时间主配压阀有磨损的情况,可考虑整体更换㊂7 结论冗余即重复配置系统的一些部件㊁设备㊂当这些部件或设备发生故障时,冗余方式配置的设备能够介入并承担工作,减少故障时间㊂根据水轮发电机调速系统的重要性和调速系统各环节的故障情况,在供电电源㊁控制器㊁电液转换㊁测频信号㊁开度信号方面有必要采用冗余配置的方式㊂压力油源可根据机组容量㊁重要性作冗余配置,在巨型水电站还应采用更多的冗余方式,如电源㊁电液转换㊁开度信号等使用两个及两个以上的冗余方式,或对其他调速系统的设备采用冗余方式,以提高调速系统的可靠性,以及水轮发电机组的可靠性㊂参考文献:[1]南海鹏.水轮发电机组PCC控制[M].西安:西北工业大学出版社,2002.[2]魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉:华中理工大学出版社,2001.[3]叶灵芝,贾立,宋鸣程.基于工况划分的火电机组运行多目标优化[J].自动化仪表,2019,40(5):25-30.[4]桂小阳,梅生伟,刘锋,等.水轮机调速系统的非线性自适应控制[J].中国电机工程学报,2006,26(8):70-71.[5]辛悦夷,李奇达.直流电机控制系统性能评价及控制优化[J].自动化仪表,2019,40(1):90-94,98.[6]饶洪德,莫京军,杨兰.智能自整定水轮机调速器PID参数[J].湖南电力,2004,24(2):1-4.[7]郭自刚,陈俊,陈佳胜,等.大型水电机组保护若干问题探讨[J].电力系统保护与控制,2011,39(3):148-151. [8]郭钰锋,徐志强,于达仁,等.考虑调频死区的二次调频控制回路设计[J].中国电机工程学报,2004,24(10):77-81. [9]凌光达,陈炳森,玉一宏.水轮机微机调速器PID调节规律及其参数整定[J].水利水电技术,2009,40(6):11-19. [10]蔡卫江.PCC在小湾水电站水轮机调速系统上的应用[J].自动化信息,2009(5):82-83.[11]陈品云.葛洲坝大江电厂电调柜的改造与完善[J].水电站机电技术,1997(3):23-25.[12]南海鹏,王德意,王涛.基于可编程控制器的水轮机调速器[J].中国农村水利水电,2001(5):55-56.[13]高炜,李树军,梁为育,等.西门子PLC与力士乐L65在手轮控制中的应用[J].自动化仪表,2018,39(3):95-98,102. [14]徐洁,张红芳,蔡波,等.水电厂数字化设备各层互联技术的现状及发展趋势[J].水电自动化与大坝监测,2008,32(6):1-4.[15]朱辰.现地控制单元在水电厂自动化中的应用和发展趋势[J].软件,2006(6):30-34.[16]严杰,徐洁,孙延岭.微型一体化可编程逻辑控制器的设计[J].水电自动化与大坝监测,2010,34(1):1-4.[17]戴义平,赵婷,高林.发电机组参与电网一次调频的特性研究[J].中国电力,2006,39(11):37-41.[18]国家质量监督检验检疫总局.GB/T9652.1-2007水轮机控制系统技术条件[S].北京:中国标准出版社,2007. [19]国家能源局.DLT/792-2013水轮机调节系统及装置运行与检修规程[S].北京:中国电力出版社,2013.[20]国家能源局.DL∕T496-2016水轮机电液调节系统及装置调整试验导则[S].北京:2016.[21]国家能源局.DL∕T1245-2013水轮机调节系统并网运行技术导则[S].北京:2013.[22]国家能源局.DL∕T1800-2018水轮机调节系统建模及参数实测技术导则[S].北京:2018.(上接第79页)[6]宋宇,刘彬,耿益营.基于FPGA的实时图像采集系统[J].长春工业大学学报,2016(6):50-54.[7]赵伟超.基于FPGA和Cortex-M4的图像采集系统设计[D].郑州:河南科技大学,2015.[8]于点.数字T/R组件测试仪的基带发生与接收模块设计[D].成都:电子科技大学,2016.[9]刘姑城.双极性阻变存储器外围关键电路设计[D].合肥:安徽大学,2018.[10]王华,娄小平,李伟仙,等.基于FPGA工具的关节臂激光扫描测头CMOS图像采集系统[J].工具技术,2017,51(6): 112-116.[11]陈彬,伍乾永,刘永春.基于FPGA的VGA控制模块设计[J].微电子学,2008,38(2):306-307.㊃38㊃。
浙江仙居抽水蓄能电站调速器电气全冗余配置优化
23第43卷 第S2期2020年12月Vol.43 No.S2Dec.2020水 电 站 机 电 技 术Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station1 概述浙江仙居抽水蓄能电站位于浙江省仙居县湫山乡境内，枢纽工程主要由上水库、输水系统、地下厂房、地面开关站及下水库等建筑物组成，安装4台375 MW 混流可逆式水轮发电机组，总装机容量为1 500 MW。
电站建成后，以500 kV 一级电压等级接入浙江电网，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。
该电站调速器主配压阀及电调由ANDRITZ 公司提供，电调中CPU 与I/O 模块之间数据交换方式为：CM0843为数据采集模块，通过Ax 总线与I/O 模块连接，CM0843把采集的冗余数据再通过高速数据线分别传送到两个CPU，采用3机冗余控制，由于两套控制CPU 的运行情况完全在协调CPU 的监控之下，实现了对CPU 进行无扰动切换。
电气柜中输入输出模块与模块之间是串联通信，有两条模块组。
每条模块组中信息全部上传I/O 控制模块PE6410后再上传CM0843，由CM0843传送给CPU 完成信息上传，最终通过CPU 至CM0843至PE6410后进行调速器电调的控制。
电气柜内每条I/O 模块除AI 模块、AO 模块、TE 模块上信号做了冗余，其DO 及DI 量信号均未做冗余。
2 事件经过及原因（1）2017年6月15日发生跳机故障，电调报告第1条模块控制器（含AO，AI，测频，DI，DO ）故障，电调发出跳机指令。
经检查，发现第1条模块控制器PE6410与后面I/O 模块之间缝隙较大，瞬间接触不良，导致I/O 模块信息不能通过I/O 模块侧面通信接点送至模块控制器PE6410。
在故障发生后，现场通过按压模块，故障复现，可确认模块之间接触问题是此次跳机原因。
（2）2017年8月20日发生跳机故障，电调报告第1条模块控制器（含AO，AI，测频，DI，DO ）故障，电调发出跳机指令。
交叉冗余技术在珊溪水力发电厂调速器上的运用
交叉冗余技术在珊溪水力发电厂调速器上的运用赵馨;陈兵阳【摘要】介绍了珊溪电厂新型调速器双PLC冗余、测频冗余技术,该冗余技术有效提高了整个调速系统的可靠性,更加满足电力安全生产的要求.【期刊名称】《浙江水利科技》【年(卷),期】2011(000)002【总页数】3页(P64-66)【关键词】调速器;双PLC;测频;交叉冗余;可靠性【作者】赵馨;陈兵阳【作者单位】浙江珊溪经济发展有限责任公司,浙江,温州,325000;浙江珊溪经济发展有限责任公司,浙江,温州,325000【正文语种】中文【中图分类】TV734珊溪水力发电厂位于浙江省文成县境内的飞云江上。
电厂以发电为主,兼有灌溉、供水、防洪、航运、旅游等综合社会效益。
电厂装有4台50 MW的混流式发电机组,电厂年平均发电量3.55亿kW◦h,由220 kV系统接入华东电网。
机组所采用调速器为长江三峡能事达电气股份有限公司生产的DFWT-100-4.0伺服电机微机调速器,电气部分以法国Schneider Modicon M340控制器,机械部分以伺服电机式无油电液转换器为主体,采用并联PID适应式变参数变结构调节方式,能够自动适应空载、大网、小网运行方式。
1 问题的提出水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备,它与电站二次回路或计算机监控系统相配合,完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务,担负着调节电网频率稳定的任务。
因此,调速器的稳定、可靠控制显得尤为重要,现代水电站和电力系统对水轮机调速器的性能及功能提出了新的和更严格的要求。
随着计算机技术的迅速发展,水轮机微机调速器得到了广泛的应用,可编程控制器调速器是我国当前水轮机微机调速器的主导产品。
可编程控制器是数字式电液调速器的控制中枢,它在很大程度上决定了调速器的性能,也是调速器发展中最活跃的部件。
运行实践表明,调速系统的可靠性不仅取决于系统设计的可靠性,更多的取决于PLC 等元器件的可靠性,调速器在长期实际运行过程中存在一些电气元件本身的老化。
冗余技术在水轮机调速器导叶开度测量中的应用
最 终 反 映 。若 导 叶 开 度 反 馈 故 障 ，调 速 器 也 就 无 法 实 现 转 速 或 功 率 控 制 的 闭 环 调 节 ，很 有 可 能 造 成 导 叶 开 度 失 控 ．威 胁 机 组 安 全 。 因 此 ， 必 须 保 证 导 叶 开度 测量 的可 靠性 。 适 当 数 量 的 传 感 器 并 联 冗 余 可 以 提 高 测 量 环 节 的 可 靠 性 ，根 据 测 得 的 多 路 导 叶 开 度 信 号 数 据 特 征 ， 经 过 故 障 决 策 逻 辑 ，实 现 故 障 传 感 器 的 判 断 和 定 位 ， 剔 除故 障传感 器 的检 测结 果而 获得 正 确信 号 。
开 度传 感 器 容 错 技 术 原 理 和方 法 进 行 了 探 讨 。 计 算 了在 给 定 可 靠 性 下 的最 优 并 联 传 感 器 数 ，提 出 了 导 叶 开 度 传 感 器 的容 错 技 术 可采 用 三 选 二 或 三 选 中冗 余 容 错 策 略 。
关键 词 ：可 靠 性 ；导 叶开 度 ；三 选 二 ；三 选 中 ；官 地 水 电 站
中 图分 类号 ： Ｔ Ｖ ７ ３ ４ ． ３ （ ２ ７ ４ ）
文献标识码 ： Ｂ
文章编号 ： ０ ５ ５ ９ — ９ ３ ４ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ ０ ６ ９ — ０ ４
调 速 器 的 品 质 与 性 能 直 接 影 响 电 网 电 能 的 品 质 和 水 电 站 的 安 全 可 靠 运 行 。 导 叶统 执 行 情 况 的 重 要 判 据 ， 也 是 调 速 器 调 节 结 果 的
由 ｎ个 传 感 器 组 成 并 联 冗 余 系 统 的 可 靠 度 为
ｎ
（ ） ＝ １ 一 （ １ 一 ｅ － ｔ ／ ￣ － Ｊ， ｔ ＞ ０
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——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
电源部分 对于冗余系统的调速器系统，电源部分要求更
加严格。一般采用对各套调节器、传感器、测频模 块分别供电。保证各套电源之间相互影响。
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
• 可编程控制器冗余 要求PLC硬件支持热备，或者可以通过通讯方
式方便、迅速的交换数据。 调节器具有完全独立的CPU、I/0通道。
记：∏MA(X)=FA·DIA·DOA·AIA·AOA·CA
则 ∏MA(X)=1，表示微机调节器A中各模块工作正常。 ∏MA(X)=0，表示微机调节器A中至少有一个模块工作不正常。
记：∏MB(X)=FB·DIB·DOB·AIB·AOB·CB
则 ∏MB(X)=1，表示微机调节器A中各模块工作正常。 ∏MB(X)=0，表示微机调节器A中至少有一个模块工作不正常。
四、冗余系统的软件设计
1. 可编程控制器软件 2. PLC调速器程序
——微机调节器软件设计
可编程控制器的编程软件
• 三菱公司PLC的编程环境 GX Developer 8.0 • 施耐德公司PLC的编程环境 PL74.5
——微机调节器软件设计
PLC调速器程序
PLC程序与一般调速器不同的地方： • 数据交换
二、冗余系统的组成原理
F模块（FA、FB）：
频率测量模块
DI模块（ DIA、 DIB）：
开关量输入模块
DO模块（ DOA、 DOB）：
开关量输出模块
AI模块（AIA、AIB）：
模拟量输入模块
AO模块（AOA、AOB）：
模拟量输出模块
C模块（CA、CB）：
通讯模块
基本定义: 将单个微机调节器A和B划分成6类功能模块，如上图所示，下标A和B分别表示
MA(X)∪MB(X)∣X=F.DI.DO.AI.AO=1，表示调节器A和B中的故障模块不相同。
—— 微机调速器的硬件分析
二、冗余系统的组成原理
微机调节器A、B间切换条件： 当∏MA(X)=1、∏MB(X)=1时，可在调节器A和调节器B间进行人为切换，
使其中任一机为主机，另一机为辅机。 调节器A为主机时，若∏MA(X)=1、∏MB(X)=0时，表明调机器A中各模
∏MA(X)=0、∏MB(X)=0、MA(X)∪MB(X)∣X=F.DI.DO.AI.AO=1、
CA·CB=1，则微机调节器A为主机，两机正常模块交叉构成正常结构的调 节器。
∏MA(X)=0、∏MB(X)=0、MA(X)∪MB(X)∣X=F.DI.DO.AI.AO=0，则无
法交叉构成正常结构的调节器，报警。
控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品。显 而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的 “Internet”环境中 MODBUS报文的用途。
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
基于MODUBS的TCP/IP
目前中国已把Modbus TCP作为工业网络标准之一，用户可免费获得协议 及样板程序，可在Unix、Linux、Windows下运行，不需要专门驱动程序。在 国外，Modbus TCP被国际半导体业SEMI定为网络标准，国际水处理、电力系 统也把它作为应用的事实标准，还有越来越多行业作为标准来用；
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
• 传感器冗余
对于重要的传感器全部采用两套或者三套，同 时进入调速器的输入通道。
如：导叶、桨叶位移信号； 频率信号； 重要开关量信号；
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
• 人机界面 可以同时采集冗余系统中各套调节器中的数据。
—— 微机调速器的硬件分析
块正常，调机器B中至少有一个模块不正常，此时将无法由调机器A切换到调节 器B。反之亦然。
若∏MA(X)=0、∏MB(X)=1，则系统自动切换到调节器B工作。
—— 微机调速器的硬件分析
二、冗余系统的组成原理
微机调节器A和B交叉构成一套新的正常调速器：
微机调节器A和微机调节器B间通过MB+网实现实时交换数据，使两者数 据共享，并完全一致。因此，只有当微机调节器A和B之间通讯正常时才可以实 现交叉冗余系统，即CA·CB=1。若CA·CB=0，则只能成为独立双机的冗余结构。
三、冗余系统的硬件结构
1. 电源冗余 2. 可编程控制器冗余 3. 传感器冗余 4. 人机界面 5. 通讯
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
• 调速器由双微机调节器A和B为控制器的自动调节 通道和通过电气手动装置/机械液压自复中机构构 成的手动控制通道组成。
触摸式图形显示操作终端
工 控 机 监 控 系 统 界 面
—— 微机调速器的硬件分析
触摸式图形显示操作终端
工 控 机 监 控 系 统 界 面
—— 微机调速器的硬件分析
触摸式图形显示操作终端
工 控 机 监 控 系 统 界 面
—— 微机调速器的硬件分析
触摸式图形显示操作终端
工 控 机 监 控 系 统 界 面
—— 微机调速器的硬件分析
触摸式图形显示操作终端
工 控 机 监 控 系 统 界 面
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
• 通讯协议 CC-LINK MB+网 基于MODUBS的TCP/IP
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
• 通讯协议 CC-LINK CC-Link是Control & Communication Link的简称，是一种可以同时高速处理控制和信息 数据的现场网络系统，可以提供高效、一体化的工 厂和过程自动化控制。
一、冗余系统的基本概念
独立的双微机调机器冗余控制结构的基本特征： ✓ 全冗余双微机调节器：CPU、输入模块、输出模块、
传感器、测频单元、电源均为冗余结构； ✓ 微机调节器自主调节主通道采用两个独立的微机调
节器A和B，通过现场总线实现双机状态和数据一致； ✓ 当微机调节器A或B之一出现故障时，可发出故障信
号并自动、无扰动的切换到另一台正常工作，可以 在线更换模块或者检修；
一、冗余系统的基本概念
多机交叉冗余容错控制结构的基本特征： ✓ 在双微机调节器的硬件基础上，不增加额外
的硬件，用通信和软件构成交叉冗余控制结 构，具有更强的容错能力。 ✓ 当多微机调节器均出现部分模块故障时，这 种交叉冗余控制结构可以容忍各个单机的不 同名模块故障，交叉构成新的、正常的调节 器，使调速器可以正常的工作。
MB＋网上的节点均为对等逻辑关系，通过获得令 牌来传递网络信息。网络中的每一个节点均分配有一个惟一 的地址，一个节点拥有令牌就可以与所选的目标进行信息传 递，或与网络上所有节点交换信息。
MB+网
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
基于MODUBS的TCP/IP MODBUS TCP/IP是简单的、中立厂商的用于管理和
主用调节器通过现场总线读取非主用调节器数据。 • 表决系统
双机冗余系统主用调节器中的两组数据，选择 无故障的一组。
三机冗余系统中主用调节器中数据选取。 例如：导叶开度反馈、频率 • 主从切换 判断大故障，无法构成交叉冗余容错系统时，由 主用调节器切换到非主用的无故障调节器。
感谢各位领导、专家
武汉事达电气股份有限公司 2008.10
微机调节器A 和B。 记模块变量为My(X)，下标Y表示A或B调节器，X表示6种模块类型F、DI、DO、
AI、AO、C。
—— 微机调速器的硬件分析
二、冗余系统的组成原理
若记My(X) =1为正常， My(X) =0为故障，则FA=1则表示微机调节器A的频 率测量模块正常；FA=0表示微机调节器A的频率测量模块故障。
• 自动调节通道为各自独立的CPU、I/O通道、测频、 导叶反馈和电源的双微机调节器A和B比例伺服阀。
• 自动调节通道的双微机调节器A和B之间通过现场 总线进行实时数据交换。现场总线保证自动调节通 道/电气手动控制系统之间的无扰动切换。
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
• 自动通道故障时，主配压阀复中，可靠地实现自动 工况到电气手动工况的无扰动切换。
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
• 通讯协议 CC-LINK
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
MB+网 MB＋网是ModBusPlus网络的简称，它是一种高速现
场总线网络，允许计算机、可编程控制器PLC和其他数据源 以对等式令牌循环方式进行通信，其电气特性为RS485，适 用于工业控制领域。MB＋网具有高速、对等通信、结构简 单、安装费用低等特点；其通信速度为1MBPs，通信介质为 双绞线或同轴电、冗余系统的硬件结构
• 电源部分
一般微机调节器一般是由交流电源和直流电源 同时供电的。要求交流电源的额定频率为50Hz （出口产品可能为60Hz）、额定电压为220V （出口产品可能为110V）、电源容量应满足各种 工况和环境条件的要求。要求直流电源的额定电压 为220V（有的电站直流额定电压为110V）、电 源容量应满足各种工况和环境条件的要求。
• 电气手动装置工作原理是微机调节器A和B跟踪接 力器实际开度度，以实现电气手动到自动的无扰动 切换。
——微机调节器软件设计
三、冗余系统的硬件结构
各种方式之间可以实现无扰动的切换，包括： • 自动通道调节器A和B之间切换； • 现地、远方操作开关切换； • 调节器A和B故障自动切换。 • 自动通道、电气手动之间的切换
微机调节器A为主机，如出现∏MA(X)=0、∏MB(X)=0，但
MA(X)∪MB(X)∣X=F.DI.DO.AI.AO=1，则可以由微机调机器A和B中的正常模块