龙口水电站机组调速器系统频繁出现控制器双机自动切换的异常现象。该故障的存在不符合A/B机自动切换逻辑，会影响在线机组稳定运行，双机过度频繁切换容易引起冲击扰动，降低设备的使用寿命。本文通过对双机故障切换的原因及处理过程进行分析，找出了调速器系统反馈元件的故障检测方法及处理对策。

龙口水电站位于黄河北干流托龙段（内蒙古自治区托克托县至龙口镇）尾部，是黄河万家寨水利枢纽的配套工程。龙口水电站装设4台单机容量100 MW的轴流转桨式水轮发电机组，用于晋蒙电网调峰；1台单机容量20 MW的混流式机组，用于非调峰期向河道泄放基流并参与基荷运行。水电站采用WDST-100型调速器，调速器系统具有双机双阀交叉冗余配置，采用可编程计算机控制器（PCC）^[1]（见图 1所示），A、B自动调节通道具备独立的电源、I/O通道、测频通道、模入通道及电液随动系统。各冗余配置部分不具备分主备，均以交叉热备方式接入系统。其中，A/B机自动切换逻辑如图 2所示。

图1(Figure 1)

图1 调速器双机双阀交叉冗余结构示意图

图2(Figure 2)

图2 调速器A/B机自动切换逻辑

2015年2月，龙口水电站3号机组在停机状态，调速器发生A阀在线工况下A/B机自动切换而在线阀不切换的现象。根据调速器PCC程序确定为在线机电气故障导致A/B机自动切换，测量机频1、2输入并未发现异常，检查导叶反馈信号回路未发现有断线、超量程现象。由于A/B机自动切换现象是瞬时发生的，发生切换后进行现场检查均未发现异常。在不影响机组发电的情况下，进行了回路紧固、清扫等工作并继续观察。在随后的4个月内，故障切换的次数明显增加，而每次切换后的相关回路检查、测量均无异常。因此，需要研究一种针对调速器导叶反馈信号瞬时故障的检测方法及处理对策^[2]。

从监控系统上位机提取切机历史数据，并从中排除人工切换（定期切换）、人为拆接线等因素，其余切换均记为故障切机。统计的故障切机频次趋势见图 3所示。

图3(Figure 3)

图3 故障切机频次趋势

由图 3可知：3号机组在近4个月期间故障切机次数分别为1次/月、2次/月、5次/月、43次/月，呈明显增加趋势，且故障切机现象逐步恶化。自动切机本身属于无扰动切换，但故障切机动作过度频繁容易引起冲击和扰动问题，降低相关设备的使用寿命。

为进一步确认故障内容，为下一步故障原因分析提供依据，在调速器系统PCC程序中增加故障类型计数点，并在触摸屏实时显示故障计数。

在PCC程序的在线机电气故障判据处添加3个相应的故障计数器，分别用于统计在线机电气故障次数，具体PCC程序见图 4所示。

图4(Figure 4)

图4 导叶反馈1信号断线判断电气故障处改动前、后显示结果

将增加故障计数标志的PCC程序及触摸屏程序写入后，最先2次自动切机动作捕捉画面如图 5所示。

图5(Figure 5)

图5 故障点捕捉画面

1个月内现场先后捕捉到多次调节器自动切换在线机动作，可以充分判定导致3号机组调速器A/B机自动切换的直接原因是导叶反馈1信号断线^[3]。

针对双机切换故障原因，分析引起导叶反馈信号断线故障的主要因素及原因（见表 1所示^[4]），以确定导叶反馈信号瞬时故障的检测思路及方法。

表1(Table 1)

表 1 导叶反馈信号断线故障主要因素及原因

表 1 导叶反馈信号断线故障主要因素及原因

对照表 1所列故障因素进行逐个排查，具体排查方法及结果如下。

程序中导叶反馈断线是通过直接判断导叶采样值低于阈值（-0.076 V），即瞬时判断瞬时输出的方式。如果导叶反馈真的断线，通常采样值会长时间低于阈值，这种不加滤波处理的判据极易受到干扰而误报。

经现场查看，确认导叶传感器固定可靠；试加工作电压，使拉杆式传感器在全行程范围内缓慢动作，用WFLC-VI录波仪录波，观察电压输出信号变化平稳，零位处有少量毛刺但均在反馈断线故障判据阈值以内，因此排除导叶传感器测量回路故障因素。

调速器柜内有1块专用的驱动板，用于导叶开度控制及导叶反馈信号的放大处理，放大后的电平信号作为PCC 程序中导叶反馈信号采用WFLC-VI录波仪分别录取导叶反馈信号经比例阀驱动板调零调幅处理前后波形，对比观察全行程范围内驱动板输入、输出信号。在导叶全关位发现经驱动板调整后的波形出现较大幅值的毛刺和波动，部分负向毛刺幅值已远远超出导叶反馈断线判据阈值（-0.076 V），从而导致双机故障切换。驱动板涉及导叶反馈信号处理的电路为以LM324同向运算放大器为核心的调零调幅电路，该芯片的信号处理能力下降将会直接导致信号毛刺增多、增大。

导叶反馈信号对应CM211模块AI通道，通过FLUKE741过程校准器现场输入0~10 V电压信号，在上位机联机模式下观察该通道测值跟随外部输入效果较好，测值正确，因此排除模入通道故障因素。

经查阅图纸资料和现场核实，电源电缆和信号电缆均为带双层屏蔽层护套的电缆，且未发现信号线与电源线同缆敷设情况。

检查电气柜和机械柜，确认调速系统所用电缆屏蔽层均已正确、可靠接地。

逐个检查导叶反馈1信号回路所有接线端子接线情况，确认接线良好。

综上所述，驱动板调零调幅部分运算放大器芯片性能下降是造成导叶反馈信号断线的主要原因，而PCC程序导叶反馈断线判据未作抗干扰滤波处理是导致调速器无法区分反馈信号毛刺干扰量的重要原因。

根据上述分析结果，主要从PCC程序导叶反馈断线判据以及驱动板调零调幅部分运算放大器芯片2方面进行故障处理，具体方法如下^[5]。

（1）由于干扰性质多为20 ms以内的瞬时干扰，因此在PCC程序内反馈断线判据处增加50 ms延时，既不影响调节器对实际故障做出判断，又可有效屏蔽此类干扰。

（2）在导叶反馈断线判据处增加延时滤波环节。

（3）编译并将程序下载至A、B调节器运行，修改前、后的程序见图 6。

图6(Figure 6)

图6 反馈断线判据处增加滤波环节前、后对比情况

（1）更换比例阀驱动板上存在问题的运算放大器芯片；

（2）进行调零调幅试验，确认芯片工作正常；

（3）在导叶全关位对调零调幅处理前后反馈信号录波（见图 7）。对比、确认效果，从图 7可以明显看出，更换芯片前后反馈信号（图中绿色波形）毛刺波形大幅减少，负向幅值均小于0.01 V，大于反馈断线故障阈值，从而导致双机故障切换的干扰电平基本消失。

图7(Figure 7)

图7 驱动板芯片更换前后导叶反馈信号波形

经过对故障的分析处理，调速器再未出现双机频繁切换的现象，触摸屏电气故障点捕捉画面再未增加新的故障计数。本文中的自动切机故障属于瞬时性故障，故障时刻的设备状态难以捕捉，现场检查时故障已经消失，无法确定原因，因此瞬时故障一直是设备维护工作中的难点。为了查找瞬时故障发生的真正原因，利用PCC程序编程确定故障类别，利用录波仪进行故障分类排查，从软件及硬件两方面入手提出解决对策^{[6, 7, 8]}。该方法不但修复了调速器正常的双机冗余热备能力，为机组安全稳定运行提供了保障，更重要的是研究类似瞬时故障的方法，为以后的设备维护提供了更广阔的思路和宝贵的经验。