摘要:為進一步增強調(diào)速系統(tǒng)測頻信號的可靠性和安全性，不致于水電廠調(diào)速器誤切至故障測頻信號而造成重大事故，采用二乘三取二冗余技術(shù)，針對調(diào)速器測頻信號，給出其二乘三取二硬件回路、測頻報警邏輯和測頻切換邏輯，并結(jié)合某大型電廠調(diào)速器現(xiàn)場試驗，對調(diào)速器頻率信號二乘三取二冗余測量邏輯進行了試驗驗證。結(jié)果表明：采用貝加萊“雙PCC+三測頻”模式的調(diào)速器系統(tǒng)，其兩套PCC均有三路測頻信號，程序優(yōu)化后可大大提高測頻的可靠性，使得機組調(diào)節(jié)具有更高的可靠性和安全性；二乘三取二測頻信號冗余技術(shù)可以在其他大型水電廠調(diào)速器系統(tǒng)中加以推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水電廠調(diào)速器；二乘三取二；頻率信號；冗余測量

引言

水電廠調(diào)速器系統(tǒng)的可靠性影響著發(fā)電機轉(zhuǎn)速和功率調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，決定了電網(wǎng)供電質(zhì)量。而測頻信號的可靠性對于調(diào)速器的調(diào)節(jié)過程起著至關(guān)重要的作用，國內(nèi)多數(shù)電廠調(diào)速器系統(tǒng)測頻信號有三路，分別是一路殘壓和兩路齒盤測頻，其中主用殘壓測頻信號，當殘壓測頻故障時切為齒盤1測頻，當殘壓和齒盤1均故障時切為齒盤2測頻。然而存在著問題：調(diào)速器測頻以殘壓信號為主用，當殘壓和齒盤l之間的測量頻率偏差超過0.5Hz后，切換到齒盤1測頻，該故障切換邏輯無法判斷是殘壓測頻故障還是齒盤1測頻故障，可能切至故障測頻信號，出現(xiàn)調(diào)速器誤調(diào)節(jié)風險，甚至導致機組非計劃停運。因此，國內(nèi)某電力試驗研究院發(fā)布了《關(guān)于部分水電站調(diào)速器電柜測頻邏輯不合理導致功率波動風險的預警函》?，F(xiàn)有的雙冗余測頻方式呈現(xiàn)明顯缺陷，已不能滿足大型水電機組的可靠控制，需要研究新的冗余控制策略，以避免將故障頻率信號作為調(diào)節(jié)主用的不利情況發(fā)生。[1,7]

1.容錯技術(shù)與二乘三取二冗余

容錯技術(shù)是指在一定程度上容忍故障的技術(shù)，也稱為故障掩蓋技術(shù)（faultmasking）。采用容錯技術(shù)的系統(tǒng)稱容錯系統(tǒng)。容錯主要依靠冗余設(shè)計來實現(xiàn)，它以增加資源的辦法換取可靠性。由于資源的不同，冗余技術(shù)分為硬件冗余、軟件冗余、時間冗余和信息冗余。硬件冗余是通過硬件的重復使用來獲得容錯能力。軟件冗余的基本思想是用多個不同軟件執(zhí)行同一功能，利用軟件設(shè)計差異來實現(xiàn)容錯。[2-4]

假設(shè)S(t)作為安全度變量，假設(shè)R(t)作為可靠度變量，假設(shè)λ為故障概率，假設(shè)C為故障覆蓋率，可得到單系統(tǒng)的安全度與可靠度的如下關(guān)系：S(t)=1-λ (1-R(t))。[5]

采用三取二冗余計算，得到：

R3(t)=1-[3R(1-R)2+(1-R)3]，λ 3=3λ ×2λ ×(1-C)=6 λ2(1-C)，

S3(t)=1-λ 3(1-R3(t))=1-6λ 2(1-C){1-[3R(1-R)2+(1-R)3]}。（1）

采用二乘三取二冗余計算，得到：

R4(t)=1-[3R(1-R)2+(1-R)3]2，λ4=3λ ×2λ ×(1-C)=6λ 2(1-C)，

S4(t)=1-λ 4(1-R4(t))=1-6λ 2(1-C){1-[3R(1-R)2+(1-R)3]2}。（2）

由于二取二和二乘二取二冗余方式故障覆蓋能力較弱，這里僅計算三取二和二乘三取二的安全度，計算中令 λ=0.1，C=0.9[6]。圖1所示為MATLAB編程計算得到的各冗余方式下安全度仿真曲線?？芍?，二乘三取二冗余方式的安全度有一定的優(yōu)越性，針對于調(diào)速器頻率信號的冗余測量，理論上更適宜選用二乘三取二。[7]

圖1兩種冗余方式的安全度曲線

2.二乘三取二測頻優(yōu)化

（1）硬件回路

調(diào)速器電氣柜選用了2套獨立的貝加萊公司的PCC控制器和相應(yīng)的IO模塊、通訊、電源等模塊組成，另外增加一個信號轉(zhuǎn)換模塊，原有的A、B套模塊上的網(wǎng)頻、機頻信號保留，齒盤信號改至新增的信號轉(zhuǎn)換模塊，新增模塊只處理兩路齒盤信號，同時將處理完成后的信號分別送入A、B兩套PCC控制器。優(yōu)化前、后硬件回路二次接線圖如圖2所示。

圖2優(yōu)化前與優(yōu)化后硬件回路邏輯                                圖2優(yōu)化前后硬件回路邏輯

（2）測頻報警邏輯

新優(yōu)化的程序中引入了F5、F6和F7三個比較變量，其中，F(xiàn)5=|機頻－齒盤1|；F6=|機頻－齒盤2|；F7=|齒盤1－齒盤2|。優(yōu)化后的每套PCC測頻報警邏輯如圖3所示。

當F5>0.5Hz且F6>0.5Hz且F7<0.3Hz時，報機頻偏差故障；當F5>0.5Hz且F6<0.3Hz且F7>0.5Hz時，報齒盤1偏差故障；當F5<0.3Hz且F6>0.5Hz且F7>0.5Hz時，報齒盤2偏差故障。在屏幕報警窗中增加機頻偏差故障、齒盤1偏差故障、齒盤2偏差故障、機頻采樣故障、齒盤1采樣故障和齒盤2采樣故障等故障報警量顯示，并以485通訊的方式將故障報警信號傳至監(jiān)控系統(tǒng)。

圖3優(yōu)化后的每套PCC測頻報警邏輯

（3）測頻切換邏輯

原程序判斷一路殘壓及一路齒盤；發(fā)電工況下，殘壓和齒盤測值偏差超過0.5Hz，切換至齒盤信號，采取機械測速的方式。優(yōu)化后的程序判斷一路殘壓及兩路齒盤；發(fā)電工況下，殘壓同時與齒盤1和齒盤2比較、殘壓通道無故障，采用殘壓為主用；如殘壓有故障，齒盤1和齒盤2均正常，采取齒盤1測速方式；如殘壓故障、齒盤1或者齒盤2有一路故障，則采用品質(zhì)沒有問題的其余一路齒盤為主用。優(yōu)化前、優(yōu)化后的PCC測頻切換邏輯如圖4所示。

圖4優(yōu)化前、優(yōu)化后的每套PCC測頻切換邏輯

3.試驗驗證分析

為了驗證上述優(yōu)化后測頻報警邏輯和測頻切換邏輯，結(jié)合國內(nèi)某大型水電廠現(xiàn)場靜態(tài)試驗，模擬調(diào)速器進入發(fā)電態(tài)后，利用繼保儀發(fā)頻，將一路殘壓通道和兩路齒盤通道分別輸入50Hz頻率信號，使得A、B兩套貝加萊PCC均能檢測并輸出顯示三路初始測頻50Hz信號，模擬各故障情況包括：①故障情況一：殘壓信號與另兩路信號偏差超過0.5Hz，且另外兩路偏差小于0.3Hz；②故障情況二：齒盤1信號與另兩路信號偏差超過0.5Hz，且另外兩路偏差小于0.3Hz；③故障情況三：齒盤2信號與另兩路信號偏差超過0.5Hz，且另外兩路偏差小于0.3Hz。

圖5~圖7所示分別為三種故障情況下對應(yīng)的模擬量和故障開出量等變量的錄波曲線，其中各模擬量y坐標碼值與頻率（Hz）的換算關(guān)系為：采樣碼值÷4000=頻率（Hz）值。結(jié)合圖5~圖7分析可知：

（1）在試驗1中，64s以后，當殘壓變?yōu)?0.7Hz、齒盤1變?yōu)?0.1Hz、齒盤2為50Hz時，有變量F5=0.6Hz、F6=0.7Hz和F7=0.1Hz，分別對應(yīng)于圖5錄波曲線中采樣2399、2799和400。此時，因F5、F6均大于0.5Hz且F7小于0.3Hz，故程序報機頻偏差故障，主用信號F[0]由原殘壓采樣（Unit_Freq_Smple）值202800（50.7Hz）改用齒盤1采樣（Freq_CP_Fdbk）值200402（50.1Hz）。

（2）在試驗2中，86s以后，當殘壓變?yōu)?0Hz、齒盤1變?yōu)?0.7Hz、齒盤2為50.1Hz時，有變量F5=0.7Hz、F6=0.1Hz和F7=0.6Hz，分別對應(yīng)于圖6錄波曲線中采樣2796、396和2400。此時，因F5、F7均大于0.5Hz且F6小于0.3Hz，故程序報齒盤1偏差故障，主用信號F[0]依舊選用殘壓采樣（Unit_Freq_Smple）值200007（50Hz），保持不變。

（3）在試驗3中，25s以后，當殘壓變?yōu)?0.1Hz、齒盤1變?yōu)?0Hz、齒盤2為50.7Hz時，有變量F5=0.1Hz、F6=0.6Hz和F7=0.7Hz，分別對應(yīng)于圖7錄波曲線中采樣402、2398和2800。此時，因F6、F7均大于0.5Hz且F5小于0.3Hz，故程序報齒盤2偏差故障，主用信號F[0]依舊選用殘壓采樣（Unit_Freq_Smple）值200404（50.1Hz），保持不變。

綜上分析可知，經(jīng)優(yōu)化后的程序其測頻報警邏輯與測頻切換邏輯與故障模擬試驗結(jié)果相吻合，說明其三選二邏輯優(yōu)化的正確性。

4.結(jié)論

針對水電廠調(diào)速器可能誤切至故障測頻信號而造成重大事故的風險，對調(diào)速器測頻信號進行二乘三取二優(yōu)化設(shè)計，給出其二乘三取二冗余硬件回路、測頻報警邏輯和測頻切換邏輯，并結(jié)合某大型水電廠調(diào)速器現(xiàn)場試驗，對調(diào)速器頻率信號二乘三取二冗余測量邏輯進行了試驗驗證。結(jié)果表明：采用“雙PCC+三測頻”模式的調(diào)速器系統(tǒng)，其兩套貝加萊PCC均有三路測頻信號，程序優(yōu)化后可大大提高測頻的可靠性，使得機組調(diào)節(jié)具有更高的可靠性和安全性；二乘三取二測頻信號冗余技術(shù)可以在其他大型水電廠調(diào)速器系統(tǒng)中加以推廣應(yīng)用。

圖5試驗1下各變量錄波曲線

圖6試驗2下各變量錄波曲線

圖7試驗3下各變量錄波曲線

參考文獻：

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