摘要:為進(jìn)一步增強(qiáng)調(diào)速系統(tǒng)測(cè)頻信號(hào)的可靠性和安全性，不致于水電廠調(diào)速器誤切至故障測(cè)頻信號(hào)而造成重大事故，采用二乘三取二冗余技術(shù)，針對(duì)調(diào)速器測(cè)頻信號(hào)，給出其二乘三取二硬件回路、測(cè)頻報(bào)警邏輯和測(cè)頻切換邏輯，并結(jié)合某大型電廠調(diào)速器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)調(diào)速器頻率信號(hào)二乘三取二冗余測(cè)量邏輯進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：采用貝加萊“雙PCC+三測(cè)頻”模式的調(diào)速器系統(tǒng)，其兩套PCC均有三路測(cè)頻信號(hào)，程序優(yōu)化后可大大提高測(cè)頻的可靠性，使得機(jī)組調(diào)節(jié)具有更高的可靠性和安全性；二乘三取二測(cè)頻信號(hào)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(hào)；冗余測(cè)量

引言

水電廠調(diào)速器系統(tǒng)的可靠性影響著發(fā)電機(jī)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(cè)頻信號(hào)的可靠性對(duì)于調(diào)速器的調(diào)節(jié)過(guò)程起著至關(guān)重要的作用，國(guó)內(nèi)多數(shù)電廠調(diào)速器系統(tǒng)測(cè)頻信號(hào)有三路，分別是一路殘壓和兩路齒盤測(cè)頻，其中主用殘壓測(cè)頻信號(hào)，當(dāng)殘壓測(cè)頻故障時(shí)切為齒盤1測(cè)頻，當(dāng)殘壓和齒盤1均故障時(shí)切為齒盤2測(cè)頻。然而存在著問(wèn)題：調(diào)速器測(cè)頻以殘壓信號(hào)為主用，當(dāng)殘壓和齒盤l之間的測(cè)量頻率偏差超過(guò)0.5Hz后，切換到齒盤1測(cè)頻，該故障切換邏輯無(wú)法判斷是殘壓測(cè)頻故障還是齒盤1測(cè)頻故障，可能切至故障測(cè)頻信號(hào)，出現(xiàn)調(diào)速器誤調(diào)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。因此，國(guó)內(nèi)某電力試驗(yàn)研究院發(fā)布了《關(guān)于部分水電站調(diào)速器電柜測(cè)頻邏輯不合理導(dǎo)致功率波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警函》?，F(xiàn)有的雙冗余測(cè)頻方式呈現(xiàn)明顯缺陷，已不能滿足大型水電機(jī)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(hào)作為調(diào)節(jié)主用的不利情況發(fā)生。[1,7]

1.容錯(cuò)技術(shù)與二乘三取二冗余

容錯(cuò)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(cuò)技術(shù)的系統(tǒng)稱容錯(cuò)系統(tǒng)。容錯(cuò)主要依靠冗余設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)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(shí)間冗余和信息冗余。硬件冗余是通過(guò)硬件的重復(fù)使用來(lái)獲得容錯(cuò)能力。軟件冗余的基本思想是用多個(gè)不同軟件執(zhí)行同一功能，利用軟件設(shè)計(jì)差異來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。[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(jì)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(jì)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(jì)算三取二和二乘三取二的安全度，計(jì)算中令 λ=0.1，C=0.9[6]。圖1所示為MATLAB編程計(jì)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(duì)于調(diào)速器頻率信號(hào)的冗余測(cè)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(cè)頻優(yōu)化

（1）硬件回路

調(diào)速器電氣柜選用了2套獨(dú)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(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，原有的A、B套模塊上的網(wǎng)頻、機(jī)頻信號(hào)保留，齒盤信號(hào)改至新增的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，新增模塊只處理兩路齒盤信號(hào)，同時(shí)將處理完成后的信號(hào)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(cè)頻報(bào)警邏輯

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

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

圖3優(yōu)化后的每套PCC測(cè)頻報(bào)警邏輯

（3）測(cè)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(cè)值偏差超過(guò)0.5Hz，切換至齒盤信號(hào)，采取機(jī)械測(cè)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(shí)與齒盤1和齒盤2比較、殘壓通道無(wú)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(cè)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(méi)有問(wèn)題的其余一路齒盤為主用。優(yōu)化前、優(yōu)化后的PCC測(cè)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(cè)頻切換邏輯

3.試驗(yàn)驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證上述優(yōu)化后測(cè)頻報(bào)警邏輯和測(cè)頻切換邏輯，結(jié)合國(guó)內(nèi)某大型水電廠現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)試驗(yàn)，模擬調(diào)速器進(jìn)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(hào)，使得A、B兩套貝加萊PCC均能檢測(cè)并輸出顯示三路初始測(cè)頻50Hz信號(hào)，模擬各故障情況包括：①故障情況一：殘壓信號(hào)與另兩路信號(hào)偏差超過(guò)0.5Hz，且另外兩路偏差小于0.3Hz；②故障情況二：齒盤1信號(hào)與另兩路信號(hào)偏差超過(guò)0.5Hz，且另外兩路偏差小于0.3Hz；③故障情況三：齒盤2信號(hào)與另兩路信號(hào)偏差超過(guò)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(duì)應(yīng)的模擬量和故障開(kāi)出量等變量的錄波曲線，其中各模擬量y坐標(biāo)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(yàn)1中，64s以后，當(dāng)殘壓變?yōu)?0.7Hz、齒盤1變?yōu)?0.1Hz、齒盤2為50Hz時(shí)，有變量F5=0.6Hz、F6=0.7Hz和F7=0.1Hz，分別對(duì)應(yīng)于圖5錄波曲線中采樣2399、2799和400。此時(shí)，因F5、F6均大于0.5Hz且F7小于0.3Hz，故程序報(bào)機(jī)頻偏差故障，主用信號(hào)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(yàn)2中，86s以后，當(dāng)殘壓變?yōu)?0Hz、齒盤1變?yōu)?0.7Hz、齒盤2為50.1Hz時(shí)，有變量F5=0.7Hz、F6=0.1Hz和F7=0.6Hz，分別對(duì)應(yīng)于圖6錄波曲線中采樣2796、396和2400。此時(shí)，因F5、F7均大于0.5Hz且F6小于0.3Hz，故程序報(bào)齒盤1偏差故障，主用信號(hào)F[0]依舊選用殘壓采樣（Unit_Freq_Smple）值200007（50Hz），保持不變。

（3）在試驗(yàn)3中，25s以后，當(dāng)殘壓變?yōu)?0.1Hz、齒盤1變?yōu)?0Hz、齒盤2為50.7Hz時(shí)，有變量F5=0.1Hz、F6=0.6Hz和F7=0.7Hz，分別對(duì)應(yīng)于圖7錄波曲線中采樣402、2398和2800。此時(shí)，因F6、F7均大于0.5Hz且F5小于0.3Hz，故程序報(bào)齒盤2偏差故障，主用信號(hào)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(cè)頻報(bào)警邏輯與測(cè)頻切換邏輯與故障模擬試驗(yàn)結(jié)果相吻合，說(shuō)明其三選二邏輯優(yōu)化的正確性。

4.結(jié)論

針對(duì)水電廠調(diào)速器可能誤切至故障測(cè)頻信號(hào)而造成重大事故的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)調(diào)速器測(cè)頻信號(hào)進(jìn)行二乘三取二優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出其二乘三取二冗余硬件回路、測(cè)頻報(bào)警邏輯和測(cè)頻切換邏輯，并結(jié)合某大型水電廠調(diào)速器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)調(diào)速器頻率信號(hào)二乘三取二冗余測(cè)量邏輯進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：采用“雙PCC+三測(cè)頻”模式的調(diào)速器系統(tǒng)，其兩套貝加萊PCC均有三路測(cè)頻信號(hào)，程序優(yōu)化后可大大提高測(cè)頻的可靠性，使得機(jī)組調(diào)節(jié)具有更高的可靠性和安全性；二乘三取二測(cè)頻信號(hào)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(yàn)1下各變量錄波曲線

圖6試驗(yàn)2下各變量錄波曲線

圖7試驗(yàn)3下各變量錄波曲線

參考文獻(xiàn)：

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