关键词：水电厂调速器；二乘三取二；频率信号；冗余测量

引言

水电厂调速器系统的可靠性影响着发电机转速和功率调节的稳定性，决定了电网供电质量。而测频信号的可靠性对于调速器的调节过程起着至关重要的作用，国内多数电厂调速器系统测频信号有三路，分别是一路残压和两路齿盘测频，其中主用残压测频信号，当残压测频故障时切为齿盘1测频，当残压和齿盘1均故障时切为齿盘2测频。然而存在着问题：调速器测频以残压信号为主用，当残压和齿盘l之间的测量频率偏差超过0.5Hz后，切换到齿盘1测频，该故障切换逻辑无法判断是残压测频故障还是齿盘1测频故障，可能切至故障测频信号，出现调速器误调节风险，甚至导致机组非计划停运。因此，国内某电力试验研究院发布了《关于部分水电站调速器电柜测频逻辑不合理导致功率波动风险的预警函》。现有的双冗余测频方式呈现明显缺陷，已不能满足大型水电机组的可靠控制，需要研究新的冗余控制策略，以避免将故障频率信号作为调节主用的不利情况发生。[1,7]
     

1.容错技术与二乘三取二冗余

容错技术是指在一定程度上容忍故障的技术，也称为故障掩盖技术（faultmasking）。采用容错技术的系统称容错系统。容错主要依靠冗余设计来实现，它以增加资源的办法换取可靠性。由于资源的不同，冗余技术分为硬件冗余、软件冗余、时间冗余和信息冗余。硬件冗余是通过硬件的重复使用来获得容错能力。软件冗余的基本思想是用多个不同软件执行同一功能，利用软件设计差异来实现容错。[2-4]

假设S(t)作为安全度变量，假设R(t)作为可靠度变量，假设λ为故障概率，假设C为故障覆盖率，可得到单系统的安全度与可靠度的如下关系：S(t)=1-λ (1-R(t))。[5]

采用三取二冗余计算，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计算，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盖能力较弱，这里仅计算三取二和二乘三取二的安全度，计算中令 λ=0.1，C=0.9[6]。图1所示为MATLAB编程计算得到的各冗余方式下安全度仿真曲线。可知，二乘三取二冗余方式的安全度有一定的优越性，针对于调速器频率信号的冗余测量，理论上更适宜选用二乘三取二。[7]

图1两种冗余方式的安全度曲线

2.二乘三取二测频优化

（1）硬件回路

调速器电气柜选用了2套独立的贝加莱公司的PCC控制器和相应的IO模块、通讯、电源等模块组成，另外增加一个信号转换模块，原有的A、B套模块上的网频、机频信号保留，齿盘信号改至新增的信号转换模块，新增模块只处理两路齿盘信号，同时将处理完成后的信号分别送入A、B两套PCC控制器。优化前、后硬件回路二次接线图如图2所示。

图2优化前与优化后硬件回路逻辑                                图2优化前后硬件回路逻辑

（2）测频报警逻辑

新优化的程序中引入了F5、F6和F7三个比较变量，其中，F5=|机频－齿盘1|；F6=|机频－齿盘2|；F7=|齿盘1－齿盘2|。优化后的每套PCC测频报警逻辑如图3所示。

当F5>0.5Hz且F6>0.5Hz且F7<0.3Hz时，报机频偏差故障；当F5>0.5Hz且F6<0.3Hz且F7>0.5Hz时，报齿盘1偏差故障；当F5<0.3Hz且F6>0.5Hz且F7>0.5Hz时，报齿盘2偏差故障。在屏幕报警窗中增加机频偏差故障、齿盘1偏差故障、齿盘2偏差故障、机频采样故障、齿盘1采样故障和齿盘2采样故障等故障报警量显示，并以485通讯的方式将故障报警信号传至监控系统。

图3优化后的每套PCC测频报警逻辑

（3）测频切换逻辑

原程序判断一路残压及一路齿盘；发电工况下，残压和齿盘测值偏差超过0.5Hz，切换至齿盘信号，采取机械测速的方式。优化后的程序判断一路残压及两路齿盘；发电工况下，残压同时与齿盘1和齿盘2比较、残压通道无故障，采用残压为主用；如残压有故障，齿盘1和齿盘2均正常，采取齿盘1测速方式；如残压故障、齿盘1或者齿盘2有一路故障，则采用品质没有问题的其余一路齿盘为主用。优化前、优化后的PCC测频切换逻辑如图4所示。

图4优化前、优化后的每套PCC测频切换逻辑

3.试验验证分析

为了验证上述优化后测频报警逻辑和测频切换逻辑，结合国内某大型水电厂现场静态试验，模拟调速器进入发电态后，利用继保仪发频，将一路残压通道和两路齿盘通道分别输入50Hz频率信号，使得A、B两套贝加莱PCC均能检测并输出显示三路初始测频50Hz信号，模拟各故障情况包括：①故障情况一：残压信号与另两路信号偏差超过0.5Hz，且另外两路偏差小于0.3Hz；②故障情况二：齿盘1信号与另两路信号偏差超过0.5Hz，且另外两路偏差小于0.3Hz；③故障情况三：齿盘2信号与另两路信号偏差超过0.5Hz，且另外两路偏差小于0.3Hz。

图5~图7所示分别为三种故障情况下对应的模拟量和故障开出量等变量的录波曲线，其中各模拟量y坐标码值与频率（Hz）的换算关系为：采样码值÷4000=频率（Hz）值。结合图5~图7分析可知：

（1）在试验1中，64s以后，当残压变为50.7Hz、齿盘1变为50.1Hz、齿盘2为50Hz时，有变量F5=0.6Hz、F6=0.7Hz和F7=0.1Hz，分别对应于图5录波曲线中采样2399、2799和400。此时，因F5、F6均大于0.5Hz且F7小于0.3Hz，故程序报机频偏差故障，主用信号F[0]由原残压采样（Unit_Freq_Smple）值202800（50.7Hz）改用齿盘1采样（Freq_CP_Fdbk）值200402（50.1Hz）。

（2）在试验2中，86s以后，当残压变为50Hz、齿盘1变为50.7Hz、齿盘2为50.1Hz时，有变量F5=0.7Hz、F6=0.1Hz和F7=0.6Hz，分别对应于图6录波曲线中采样2796、396和2400。此时，因F5、F7均大于0.5Hz且F6小于0.3Hz，故程序报齿盘1偏差故障，主用信号F[0]依旧选用残压采样（Unit_Freq_Smple）值200007（50Hz），保持不变。

（3）在试验3中，25s以后，当残压变为50.1Hz、齿盘1变为50Hz、齿盘2为50.7Hz时，有变量F5=0.1Hz、F6=0.6Hz和F7=0.7Hz，分别对应于图7录波曲线中采样402、2398和2800。此时，因F6、F7均大于0.5Hz且F5小于0.3Hz，故程序报齿盘2偏差故障，主用信号F[0]依旧选用残压采样（Unit_Freq_Smple）值200404（50.1Hz），保持不变。

综上分析可知，经优化后的程序其测频报警逻辑与测频切换逻辑与故障模拟试验结果相吻合，说明其三选二逻辑优化的正确性。

4.结论

针对水电厂调速器可能误切至故障测频信号而造成重大事故的风险，对调速器测频信号进行二乘三取二优化设计，给出其二乘三取二冗余硬件回路、测频报警逻辑和测频切换逻辑，并结合某大型水电厂调速器现场试验，对调速器频率信号二乘三取二冗余测量逻辑进行了试验验证。结果表明：采用“双PCC+三测频”模式的调速器系统，其两套贝加莱PCC均有三路测频信号，程序优化后可大大提高测频的可靠性，使得机组调节具有更高的可靠性和安全性；二乘三取二测频信号冗余技术可以在其他大型水电厂调速器系统中加以推广应用。

图5试验1下各变量录波曲线

图6试验2下各变量录波曲线

图7试验3下各变量录波曲线

参考文献：

余纪伟,田显斌,蔡卫江.三选二冗余测量技术在水电机组调速系统中的应用研究[J].自动化信息,2012(3):54-56.

叶银忠,潘日芳,蒋慰孙.动态系统的故障检测与诊断.（综述）《信息与控制》1985年第6期.

周东华.《容错控制理论及其应用》2000.

张新家.《容错控制理论及其应用》1991.

黄玉珩.《系统可靠性实用计算方法》1986.

任鹏.二乘三取二冗余结构设计[D].西南交通大学,2009.

李政,施海东,赵勇.基于二乘三取二的水电厂调速系统信号冗余技术的研究[J].水电厂自动化,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