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》。現有的雙冗余測頻方式呈現明顯缺陷，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，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�，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，F5=|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.

22A-A8P0N104

22A-A2P3N104

22B-A8P0N104

22B-D2P3N104

22A-A4P5N104

Allen Bradley 20G14ND248AN0NNNNN /A 

Allen Bradley 4100-234-RL /P IMC-S/234 

Allen Bradley 20F14NC140JA0NNNNN /A

Allen Bradley 20F1AND186AN0NNNNN /A

Allen Bradley 1785-L80E /F PLC-5/80E

Megger MIT30 Insulation Tester 30kV DC Input 85-264V AC 110-350V DC

Allen Bradley 1746-QS /A SLC 500

Siemens 6FC5357-0BB35-0AB0 

Fluke Networks DSX-5000 

Allen Bradley 1756-HIST2G /B 

Siemens 6ES7416-3ES06-0AB0 

Allen Bradley 20P41AD412RA0NNN /A 

Allen Bradley 1756-HIST2G /A 

 Allen Bradley 1756-HIST1G /A

Allen Bradley 1394C-SJT05-T-RL

Allen Bradley 2711-T9C1 /C

Allen Bradley 20BC085A0AYNANC0 /B 

Allen Bradley 1394-SJT22-T-RL

Allen Bradley 1326AB-B530E-S2L /B 

Siemens 6ES7414-3EM05-0AB0 

Allen Bradley 1771-IXE /D 1771-1XE 

Tektronix MDO4054C 

Giddings & Lewis 502-03994-11R4 

Allen Bradley 1756-L83E /B

Allen Bradley 2711-T10G9 /E 

Allen Bradley 2711P-T15C4D9 /A

Allen Bradley 1394C-SJT10-T /C 

GE Fanuc A02B-0236-B612 16i-TA 

Allen Bradley 1785-BEM /B PLC-5 

Allen Bradley 20BR125A0ANNANC0 /B

Allen Bradley 20G11ND065AA0NNNNN /A

Allen Bradley 2711-K10C8 /F 

Allen Bradley 2711-T10G8 /E 

 Allen Bradley 1785-L80C15 /F PLC-5/80C 

Schneider Electric 140CPU53414B

Siemens 6SL3120-1TE31-3AA3 

Siemens 6FC5357-0BB33-0AA1 

Allen Bradley 1785-L80E /E PLC-5/80E

Allen Bradley 5069-L340ERM /A 

Schneider Electric 140CPU53414B 

Gardner Denver TATA12PWZPXAXA

Siemens 6ES7417-4HL01-0AB0 

Allen Bradley 150-F480NBD /B 

Siemens 6SL3120-1TE31-3AA3 

Siemens 6FC5357-0BB33-0AE1 

Allen Bradley 1756-L82E /B 

Siemens 6FC5357-0BB33-0AA1 

Siemens 6FC5357-0BB33-0AA0 

Allen Bradley 1756-L82E /B 

Allen Bradley 2094-BC04-M03-S /C

Allen Bradley 2094-BC07-M05-S /C

Siemens 6FC5357-0BA32-0AE1

GE Fanuc A06B-6111-H022#H550 /E

Allen Bradley 1785-L46B /E PLC-5/40 

Allen Bradley 1785-ENET 

Siemens 6ES7486-3AA00-0AB0 

Allen Bradley 2711-K10C3 /C 

Allen Bradley 1785-ENET 

Allen Bradley 1756-RM /B 

Siemens 6ES7417-4XT05-0AB0 

Snap-on EEMS330 

Siemens 6SN1123-1AA00-0KA1 

Allen Bradley 1756-L75 /B

Siemens 6ES7416-3XR05-0AB0

Allen Bradley 20BD034A3AYNADA0 /A 

Allen Bradley 1785-L40E /E PLC-5/40E 

GE Fanuc A06B-6250-H030 

Allen Bradley 2711-T9C1

Allen Bradley 150-F135NBR /B 

Allen Bradley 2711P-K10C4D1 /A 

Allen Bradley 1398-PDM-030 /A

Allen Bradley 1398-DDM-075 /A

Allen Bradley 1757-SRM 

Siemens 6ES7417-4HT14-0AB0 

Allen Bradley 2711P-B15C4D9 /A

Siemens 6SN1145-1BB00-0EA1 

Allen Bradley 20BD096A3ANNANC1 /B 

Allen Bradley 2711-T10C8 

Allen Bradley 2711-T10C8 /F

Siemens 6FC5357-0BB35-0AE0

Allen Bradley 1757-SRM /B 

Siemens 6FC5357-0BB33-0AE2 

Siemens 6FC5357-0BB14-0AA0 

Allen Bradley 1756-L64 /B

Allen Bradley 1785-L40E 

Allen Bradley 2711P-K12C4A8 /A

Allen Bradley 2711T-T10R1N1 /A

Allen Bradley 1785-BCM /C

Allen Bradley 1394-SJT05-T /A

Siemens 6FC5357-0BB35-0AA0 

Allen Bradley 1756-L82E /B 

Allen Bradley 2711P-T10C6A2 /A 

Allen Bradley 1785-ENET /C 

Allen Bradley 1756-IF16IH /A 

Allen Bradley 2711P-T12W22A9P 

Allen Bradley 2711P-RDT12H /B 

Siemens 6FC5210-0DF33-2AA0 

Siemens 6AV6545-0DA10-0AX0

Allen Bradley 1785-L40C /E PLC-5/40C

Allen Bradley 20BD040A0AYNANA0 /A

Allen Bradley 1771-CFMK /C

GE Fanuc A06B-6250-H100 /K 

Siemens 6FC5210-0DF31-2AB0

Siemens 6AV6545-0DA10-0AX0 

Allen Bradley 2711-T10G8 

GE Fanuc A06B-6089-H106 

Allen Bradley 2711-T5A10L1 /B 

Allen Bradley 1785-ENET /B 

Allen Bradley 6181P-12A2MW71AC /F 

Allen Bradley 2711P-T15C4D8 /A 

Allen Bradley 2711P-T15C4D9 /A 

Allen Bradley 2711P-T10C22A9P /A 

Allen Bradley 2711P-T10C22A9P /A

Siemens 6AV7254-5HA02-0KF0 

Allen Bradley 1756-AMXN /B

Allen Bradley 1747-L552 /D

Allen Bradley 2711-K10C8 /F

Allen Bradley 1785-ENET /B

Allen Bradley 2711-T10C8 /C 

Allen Bradley 2711-T10C8

Erhardt+Leimer DC 5501 DC5501 

Giddings & Lewis 502-03994-10R3 

Allen Bradley 2711P-K12C4D2 /A 

Allen Bradley 2711P-T15C4A9

Allen Bradley 20BD027A3AYNARD0 /A 

Allen Bradley 6181P-15A3SW71AC /F

Siemens 6FC5410-0AY01-0AA0 

Allen Bradley 5069-L330ERM /A

Allen Bradley MPL-B580F-MJ72AA /A

Siemens 6FC5410-0AY01-0AA0 

Allen Bradley 2711-T6C1L1 /B

Allen Bradley 2711P-T12C4D8 

Allen Bradley 2711P-T12C4D8 

Allen Bradley 1398-DDM-019 /B

Allen Bradley 1398-DDM-030 /A 

Siemens 6ES5948-3UR13 

Allen Bradley F-4050-Q-H04AA /A 

Honeywell TK-PRS021

Allen Bradley 2711-T10C1 /D 

GE Fanuc A02B-0236-B538 

Siemens 6ES7318-3EL01-0AB0 

Allen Bradley 1771-IXE /B 

Fluke DTX-1800 

Allen Bradley 2711-K5A8 /H

Allen Bradley 2711P-T12C4D2 /A 

Allen Bradley 2711P-T15C4D7

Siemens TI 555-1105 

Allen Bradley 20AD040A3AYNARC0 /A

Allen Bradley 1756-L73 /B

Allen Bradley 2711P-T10C22A9P /A

Allen Bradley 2711P-B10C4A8 /A

Allen Bradley 2711P-K7C4A8 /A

Siemens 6SN1145-1BA01-0BA2

Allen-Bradley 1771-ACN15 /B

Siemens 6AV6643-0CD01-1AX1 

Moog G761-3600B G761 

Allen Bradley 2711P-T12C4A8 /A

Allen Bradley 2711-K10C8 

Allen Bradley 1785-L20E 

Control Techniques SP2401 

Allen Bradley 2711P-T15C4D8 /A 

Allen Bradley 2711P-T12C4D8 /A

Schneider Electric VPM02D20AA00 13130265 PS-5/10/20/400/00 

Allen Bradley 2711P-T7C4D9 /A 

GE Fanuc A06B-6154-H410 

Allen Bradley 2711-K10G8L1 /E 

Allen Bradley 2711P-B7C4D1 /A 

Allen Bradley 2711-B6C8 /B 

Allen Bradley 20G11ND027AA0NNNNN /A

Allen Bradley 2711-T10C20 /F

Siemens 6ES7414-4HJ04-0AB0 

Allen Bradley 1756-L72 /B 

Allen Bradley 2711P-B15C4A1 /A 

Allen Bradley 1771-NR /C PLC-5 

Allen Bradley 1305-BA09A 

Fluke 434 

Siemens 6ES7318-3FL01-0AB0

Allen Bradley 2711-K6C2 /B 

Allen Bradley 1757-SRM

Allen Bradley 1771-NR 

Allen Bradley 2711-T10C20 

GE Fanuc IC754VSF12CTD-FC 

GE Fanuc A06B-6114-H209 

EMERSON SP2403

Allen Bradley 2711-B5A8 

Allen Bradley 2711-T10C8 /B 

Allen Bradley 20BD040A0AYNANC0 /B 

Allen Bradley 1769-L36ERMS /A

Allen Bradley MPL-B540K-MK24AA /A

Allen Bradley 2711-B5A8 /H

Allen Bradley 1764-24AWA 

GE Fanuc A06B-6114-H207 /D 

Allen Bradley 1747-L551

GE Fanuc IC754VSI12CTD-KJ 

Allen Bradley 1305-BA09A /C

Siemens 6SL3100-0BE31-2AB0

Allen-Bradley 2711-B5A20L1 /H

Allen Bradley 6181F-17TSXP /E 

Allen Bradley 2711P-T10C4D7 /A 

GE Fanuc A06B-6114-H106 /G 

Allen Bradley 2711P-T12C4A8 /A 

Allen Bradley 2711P-T12C4D8 

GE Fanuc A06B-6150-H018 /L