摘要:為進一步增強調速系統(tǒng)測頻信號的可靠性和安全性，不致于水電廠調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，針對調速器測頻信號，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，并結合某大型電廠調速器現(xiàn)場試驗，對調速器頻率信號二乘三取二冗余測量邏輯進行了試驗驗證。結果表明：采用貝加萊“雙PCC+三測頻”模式的調速器系統(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可以在其他大型水電廠調速器系統(tǒng)中加以推廣應用。

關鍵詞：水電廠調速器；二乘三取二；頻率信號；冗余測量

引言

水電廠調速器系統(tǒng)的可靠性影響著發(fā)電機轉速和功率調節(jié)的穩(wěn)定性，決定了電網供電質量。而測頻信號的可靠性對于調速器的調節(jié)過程起著至關重要的作用，國內多數(shù)電廠調速器系統(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)調速器誤調節(jié)風險，甚至導致機組非計劃停運。因此，國內某電力試驗研究院發(fā)布了《關于部分水電站調速器電柜測頻邏輯不合理導致功率波動風險的預警函》。現(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節(jié)主用的不利情況發(fā)生。[1,7]

1.容錯技術與二乘三取二冗余

容錯技術是指在一定程度上容忍故障的技術，也稱為故障掩蓋技術（faultmasking）。采用容錯技術的系統(tǒng)稱容錯系統(tǒng)。容錯主要依靠冗余設計來實現(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，利用軟件設計差異來實現(xiàn)容錯。[2-4]

假設S(t)作為安全度變量，假設R(t)作為可靠度變量，假設λ為故障概率，假設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巳《哂喾绞降陌踩扔幸欢ǖ膬?yōu)越性，針對于調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控制器和相應的IO模塊、通訊、電源等模塊組成，另外增加一個信號轉換模塊，原有的A、B套模塊上的網頻、機頻信號保留，齒盤信號改至新增的信號轉換模塊，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，結合國內某大型水電廠現(xiàn)場靜態(tài)試驗，模擬調速器進入發(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）的換算關系為：采樣碼值÷4000=頻率（Hz）值。結合圖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果相吻合，說明其三選二邏輯優(yōu)化的正確性。

4.結論

針對水電廠調速器可能誤切至故障測頻信號而造成重大事故的風險，對調速器測頻信號進行二乘三取二優(yōu)化設計，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，并結合某大型水電廠調速器現(xiàn)場試驗，對調速器頻率信號二乘三取二冗余測量邏輯進行了試驗驗證。結果表明：采用“雙PCC+三測頻”模式的調速器系統(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可以在其他大型水電廠調速器系統(tǒng)中加以推廣應用。

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：

余紀偉,田顯斌,蔡衛(wèi)江.三選二冗余測量技術在水電機組調速系統(tǒng)中的應用研究[J].自動化信息,2012(3):54-56.

葉銀忠,潘日芳,蔣慰孫.動態(tài)系統(tǒng)的故障檢測與診斷.（綜述）《信息與控制》1985年第6期.

周東華.《容錯控制理論及其應用》2000.

張新家.《容錯控制理論及其應用》1991.

黃玉珩.《系統(tǒng)可靠性實用計算方法》1986.

任鵬.二乘三取二冗余結構設計[D].西南交通大學,2009.

李政,施海東,趙勇.基于二乘三取二的水電廠調速系統(tǒng)信號冗余技術的研究[J].水電廠自動化,2018,39(02):62-66.