GE调速器在鲁布革水力发电厂应用研究与实践(鲁布革电厂赵贵文)

1、GE调速器在鲁布革水力发电厂应用研究与实践赵贵文鲁布革水力发电厂，云南 罗平 655800摘要：本文主要研究了GE调速器与发电机自动控制系统（S5-115U型PLC）的接口配合问题，并通过软件模拟，率定机械开度限制机构位置，通过硬件模拟，确定了停机阀位置，实现了调速系统与与原有自动控制系统的无缝配合，完成发电机组开停机、增减负荷等自动功能。关键词：GE调速器；优化；研究0 引言鲁布革水力发电厂装机容量4×150MW，在南方电网中主要承担调峰、调频、事故备用等任务，电厂水轮机为立轴混流式，由挪威克瓦纳公司（Kvaerner）制造，水轮机调速器为克瓦纳公司生产的“LV26b”型PID集成

2、电路型电液调速器。该调速器投运以来，运行稳定、性能可靠，但随着时间的推移，出现元器件老化、故障率增高等现象，电厂在1998年后，相继将#2、#3、#4机调速器电气柜换型改造为南瑞电控公司生产的SJ-721型双微机调速器。SJ721型微机调速器由互为备用的A、B两套微机系统构成。近年来，调速系统出现板卡金手指接触不良、开关电源模件故障率增加、伺服阀滤网堵塞、发电机负荷波动频繁发生等问题。经过调研分析，该厂决定对调速系统（包括电气调节柜、机械液压柜）换型改造，改造采用美国GE公司生产的Micronet Plus调速系统。改造要攻克的关键难点是如何保证调速器输入输出与发电机自动控制系统的有效配合，以

3、实现对发电机组的正常控制。1 GE调速系统的基本原理美国GE公司生产的Micronet Plus调速系统，由一套Micronet Plus电气调节柜和一套由FC5000阀为主组成的机械液压柜组成。GE调速器主要由电气调节柜和机械液压柜组成。其中电气调节柜电气部分采用冗余Motorola MPC5200嵌入式处理器为核心控制部件。机械液压控制系统的关键部件是自复中式FC5000主配压阀。1.1 电气调节柜功能实现调节柜控制器机箱由14槽机架及冗余电源机架组成，电路板模件插在机架中，模件之间通过VME总线连接，模件与外部设备信息交换通过接线端子板FTM (Field Terminal Module

4、)连接，系统结构如（图1）所示。机箱内包括两只24V直流电源模件、两块CPU模件、两块开关量输入输出模件（各24路开入量，12路开出量）、两块模拟量输入输出模件（各12路模入量，6路模出量），其余为占位模块。柜内有一台触摸屏，用于控制、参数调整；有一只交换机，供CPU、触摸屏、调试电脑之间通信，用于系统组态、参数调整和画面修改。系统软件使用Woodward图形化编程语言（GAP）编程，程序关键部分执行周期为5ms。正常运行时，一个CPU处于主控模式，另一个CPU处于备用模式。转速测量部分包括两路齿盘测速和残压测频装置。另有两路齿盘测速系统供发电机自动控制和电气过速保护使用。为保证系统供电可靠性

5、，电源部分设计为三冗余配置，包括两路220V直流电源和一路220V交流电源。1.2 机械液压柜功能实现机械液压控制系统包括自复中式FC5000主配压阀、控制块组件、双导叶接力器位置反馈(MLDT)、双电磁换向阀、导叶锁定装置、分段关闭装置、机械/液压过速脱扣装置、双紧急停机电磁阀、液控停机电磁阀、手动停机电磁阀等组成。控制系统油压为3.5MPa。为实现系统手动操作控制，机械柜上安装有导叶锁定手动操作把手、停机阀手动操作把手、电气紧急停机按钮及手动关闭旋钮。FC5000阀有三级闭环控制回路：内部LVDT闭环、阀芯LVDT闭环、外部MLDT闭环。多级闭环控制提高了系统运行的精确性、快速性和稳定性。

6、2 与发电机控制系统接口配合研究2.1 发电机PLC控制流程设定发电机自动控制系统以S5-115U型PLC为核心，其主要控制功能包括：机组运行状态判别、启动允许判别、开机流程执行、停机流程执行、紧急停机流程执行等。PLC在对机组控制时，每个操作命令发出后，PLC延时判断操作对象的响应，若响应正确，则控制流程继续进行，否则，流程中止，执行紧急停机流程。并发出事故报警信号。PLC与原调速系统有关控制量及反馈量有：1、满足自动开机条件的开关量输入有：停机阀在停机位置、调速器油压装置油压正常、导叶在全关位置、开度限制机构在全关位置、调速器在自动方式。2、自动开机程序中：输出命令退出导叶锁锭、置停机阀于

7、工作位置（允许开导叶）、启动电调、置开度限制机构至启动位置、发电机并网后置开度限制机构至全开位置。3、执行自动停机程序时：输出命令置负荷给定于最低位置，直至导叶已关闭到空载位置、置停机阀到停机位置、停止电调、关闭开度限制机构、导叶全关时投入导叶锁锭。4、发电机静止判别：导叶在全关位置。5、发电机运行状态判别：调速器电气柜已启动、停机阀在工作位置。2.2 调速器与发电机PLC控制流程接口设计对于上述各控制流程，主要存在两个配合难题需要解决：一是GE调速系统无机械开度限制机构；二是GE调速系统无停机阀。必须模拟机械开度限制机构的位置（全关位置、启动位置、全开位置）、停机阀位置（工作位置、停机位置）

8、反馈给PLC，以保证发电机PLC各种控制流程能正常进行。调速器与发电机PLC控制流程接口设计思路如下：模拟开度限制机构位置，采用的方法是：在调速器软件中，增加用户程序，用电气开限模拟原开度限制机构。增加、减少开度限制的命令送至调速器开关量输入板，在调速器软件中设置与机械开度限制位置相对应电气开限值（0、10%、100%开度），通过开关量输出板反馈给机组PLC。分别模拟PLC控制所需要的全关位置、启动位置和全开位置。启动位置的大小可在触摸屏上手动调整，以适应不同的水库水位。模拟停机阀位置，经分析比较，最终采用的方法是：用两个继电器构成自保持互锁回路，由PLC或者手动操作控制，分别模拟停机阀工作位

9、置、停机位置反馈给PLC，用于满足PLC顺控流程的正常执行。另外，当主配压阀处于自复中运行状态时，若发电机并网开关跳闸（偷跳或者远方切机跳闸时），机组将过速，为防止此现象发生，增加了调速器自复中状态运行时，若发电机并网开关跳闸，则启动机械事故停机回路，紧急停机电磁阀动作关闭导叶，保证机组的安全。3 系统功能优化及检验3.1 控制方式及流程优化根据实际操作控制的需要，系统共设置三种控制方式：现地手动、现地自动、远方自动。通过触摸屏切换按钮实现现地、远方切换；通过柜内切换把手实现手动、自动切换。现地手动、自动控制模式时，控制命令来自于触摸屏，远方自动控制模式时，控制命令来自开关量输入模件（开机、停

10、机、增加、减少、开度限制增加、开度限制减少等），系统正常运行置于远方自动模式。经优化组合，控制流程分为：1、现地手动启动：控制方式置于现地手动，调节柜处于 “Ready To Start” （启动允许）状态，在触摸屏上增减开度限制给定值、增减导叶开度给定值，控制发电机转速升降。手动控制时系统处于开环控制状态，主要用于调试。2、远方自动启动：控制方式置于远方且调速器在 “Ready To Start”状态，收到开机令和开度限制增加令，控制流程进入“Breakaway”（开环加速），打开导叶开度至1.3倍空载开度，当转速大于20%，流程进入 “Accelerating”（闭环加速），关闭导叶开度至

11、空载开度位置，转速升至95%Ne时，导叶开度改变至启动开度，流程进入“Speed Control”（转速控制），发电机转速以0.5%/s 的速率升至额定转速，流程进入 “Ready To Synch”（准备同期）。3、远方自动停机：发电机控制系统发出开度限制减少令和停机令，跳开发电机并网开关后，控制流程进入 “Stopping” （停机过程），当机组转速小于1% ，并且导叶开度小于1% 达到 3秒时, 顺控流程进入“Shutdown”（停机状态），若所有启动条件满足，运行模式进入“ready to start”状态。4、紧急停机流程：发电机事故跳闸时，调速器收到紧急停机开入命令，紧急关闭导叶，

12、当导叶开度< 30%时，调节柜输出命令投入分段关闭装置。经实际开停机检验，调速器与发电机控制系统配合完好，满足正常控制要求。3.2 系统功能模拟及测试设备安装结束后，多次调整设备硬件、软件参数，对系统进行静态、动态功能试验，部分试验数据如下：1、测频功能检验测量频率与输入频率一致无偏差。 2、静特性试验（一次调频动作死区设为0，永态转差率Bp=4%，转速死区ix设为0）试验结果：Bp= 4.005% ，ix=0.002，特性曲线近似为直线。 3、接力器静态响应试验（一次调频动作死区设为±0.05Hz，永态转差率Bp=4%），试验数据见表1。空载PID参数最终设置值：P=3.0，

13、I=0.3，D=0.01表1 静态响应试验给定频率响应时间（秒）稳定时间（秒）50-50.2Hz0.1313.9850-49.8Hz0.1417.014、一次调频模拟试验 (一次调频动作死区设为±0.05Hz，永态转差率Bp=4%），试验数据见表2。表2 一次调频模拟试验给定频率动作值Hz返回值Hz增加50.047 50.040 减少49.949 49.957 5、机组带负荷时的频率响应试验（并网带负荷100MW状况下），试验数据见表3。负载PID参数最终设置值：P=4.0，I=1，D=0.01 表3 带负荷频率响应试验给定频率响应时间稳定负荷变化50-50.2Hz1.18秒36秒加

14、21MW50-49.8Hz1.12秒39秒减21MW6、机组甩负荷试验，试验数据见表4。甩100%负荷过程中发电机转速上升率和钢管最大压力上升率在规定的范围内。表4 机组甩负荷试验甩负荷频率上升（%）水压上升（%）25%5.09 3.5650%14.009.7275%23.70 10.33100%32.1910.64经相关检验，确定该型调速器性能指标符合相关标准规范要求，满足电厂运行要求，可以投入运行。4 结语本次调速器换型改造，通过增加用户程序，修改软件，增加硬件，解决了调速器与发电机自动控制系统的配合问题，设备安装后，经多次静态、动态调整试验，系统主要性能指标符合标准要求。该型调速器自2010年2月在鲁布革电厂3号机上投运以来，开机并网速度快，负荷调整快速、精确，运行稳定可靠，能较好满足机组调峰调频运行的要求