摘要：针对广东粤海飞来峡水力发电有限公司潮州枢纽分公司西溪电站 2#机组原阿尔斯通 NEYRPIC1500 调速器运行 18 年后出现的功能落后、故障频发、备件断供等问题，本研在不改变原有液压系统与控制原理的前提下，提出“一体化控制器＋保留 TR10 电液转换接口”的局部改造思路，选用通用TSLG 微机调速器平台完成电气控制系统升级。通过静态特性、稳定性、调节品质、转速死区、甩负荷及阶跃扰动等系列现场试验，验证了改造后系统各项性能指标符合设计要求及南网“两个细则”考核指标。优化后的调速器电气控制系统显著提升机组稳定性、抗干扰性及经济性，同时为同类型老机组调速器“低成本、高效率”改造提供了可复制的工程范例。关键词：水轮机调速器 TSLG 系统 两个细则 电气控制系统 扰动试验

1 引言

1.1 背景与意义

调速器是水轮发电机组重要附属设备之 ，能使机组保持恒定转速并承担开机、停机、紧急停机、增减负荷等任务，是保障电力系统频率稳定的核心控 ，其电气控制系统的性能直接影响机组运行经济性与电网安全。现有的西溪电站 2#机组调速器采 原阿尔斯通公司的 NEYRPIC1500 控制系统，属于二十世纪 90 年代中期的产品，由于当时的数字技术还不是很成熟，系统维护及故障查找困难。

西溪电站 2#机组调速器系统电气控制部分已经投入运行 18 年多，已达到厂家建议的设备运行使用年限，近年来系统故障不断增多。

1.2 现有系统问题诊断

基于近年来运维数据统计，目前该调速器系统存在八大关键瓶颈：

(1)功能设计已经不符合我国电网的要求：例如：手动/自动控制间不能无干扰动平滑切换等(2)硬件配置不够合理，可靠性差

(3)系统抗干扰性差，已出现多次因干扰导致的系统故障(4)系统各项功能分别置于独立卡件上，导致系统设备繁多，故障概率增多，且系统备品量大，维护成本高；(5)控制卡件对电源要求高，电源电压稍微偏低就会导致系统故障

(6)没有人机界面，参数查询、修改操作复杂(7)测速系统经常出现测速回路故障，且故障查找困(8)随着电网运行要求的不断提高，调速器许多性能指标已经不满足当前电网的要求

1.3 预期目标

(1)能自动调节水轮发电机组转速，使其保持在额定转速允许偏差内运行，并具备电网要求的水轮发电机组调速系统一次调频功能，满足电网“两个细则”考核要求

(2)能使水轮发电机组自动或手动快速启动，适应电网负荷增减(3)建立智能化运维体系，改善人机交互体验，提高设备维护、检修效率

2 优化方案设计选型

2.1 优化原则

(1)本次改造研究仅针对调速器电气部分进行，保留原调速器液压系统。遵循不改变原控制原理、不改变原PID 调节规律、不改变原有的功能、不改变原有的控制方式的“四不改变”原则，过程中结合机组的实际运行情况及功能需求对控制逻辑和调节参数等进行优化。

(2)新系统应能与现有的液压系统相匹配，能控制现有的电液转换器 TR10，能接受现有的主配压阀的反馈信息从而实现对液压系统的控制，以达到调速器整体的性能指标。

(3)充分考虑系统平台的健壮性、稳定性、可扩展性、可互操作性和安全性等因素，搭建新调速器控制系统平台，研究并采用当前先进的计算机技术及控制策略，构建调速器控制模型，优化完善监控系统对调速器控制方式，通过静态试验和动态试验等现场试验方式，最优化配置控制器参数，使其从根本上解决现有的缺陷、不足，提高系统运行可靠性和稳定性、满足完善系统功能，完全满足电网对调速器的性能要求指标。

2.2 技术路线

2.3 系统架构选型

系统架构选型原则：调速器控制器系统平台应采用当前先进的计算机技术及控制策略，技术参数配置完全满足电网对调速器的性能要求指标，具备良好的人机操作界面，方便今后技术人员的后期维护和降低运行成本。

根据市场调研及选型原则，选定通用电气水电设备（中国）有限公司的 TSLG 微机调速器系统作为升级改造系统设备。该调速器控制系统具有人机交互形强、运算速度快、精度高等特点，其支持的TSOFT 软件可跨平台使用，不局限于某个windows 系统版本，使用方便。TSLG 调速器控制系统包含一体化控制器，集成式HMI 触摸屏，TADT（调速器自动化调试工具）以及基于Windows 的调试软件等。采用新系统平台的调速器控制器，可以从根本上解决现有故障、提高系统运行可靠性和稳定性、完善系统功能以及提高技术人员业务能力。

该选型方案在严格遵循“四不改变”原则下，通过一体化控制器+适配原有TR10 电液转换器的创新设计，既保留原有液压系统，又实现精度、可靠性、运维效率的全面提升，完全符合电网“两个细则”技术要求。

2.4 主要技术指标

2.4.1 静态特性

调速器应有良好的静态特性。在接力器全行程范围内，转速对接力器位置的关系曲线应近似直线。频率死区不超过2%。

2.4.2 稳定性

机组能保持在下述范围内运行，则认为调速系统是稳定的。

（1） 当发电电动机在空载额定转速下或在额定转速和孤网系统带持续负荷运行时，永态转差率整定在 2%或以上，调速系统应能保证机组转速持续波动值不超过额定转速的±0.15%。

（2）当机组在发电工况并入电网后带零到额定负荷间的任何负荷运行时，永态转差率整定在 2%或以上，调速系统应保证机组出力持续波动值不超过额定出力的±1%。

2.4.3 调节品质

（1）机组甩100%额定负荷后，在转速变化过程中，超过稳态转速3%额定转速值以上的波峰不超过2 次。（2）机组甩 100%额定负荷后，从接力器第一次向开启方向移动起，到机组转速摆动相对值不超过±0.5%为止所经历的时间，应不大于40S。

2.4.4 转速死区

在额定转速和任何导叶开度下，未能引起导叶接力器位置发生可测移动的转速变化区不超过0.04%额定转速。导叶接力器能够反应的最小转速变化对额定转速的百分值定义为转速死区的一半。

3 应用研究与验证

3.1 参数调整范围及名称定义

3.1.1 调节参数应满足机组稳定运行的要求并在下列范围内连续可调：

（1）永态转差率bp 0^～10%

（2）比例增益 Kp 0.2~10

（3）积分时间常数 Td 1~20S

（4）微分时间常数 Tv 0~5S

（5）人工失灵区调节范围 ±1%

（6） 转速调节范围 ±10%

（7） 出力调节范围 0^～115%

（8） 开度限制整定范围 0~110%

（9） 调速器电气部分温度飘移量折算到转速相对值不超过 0.01%/ℓ^∗C 。

3.1.2 试验图曲线名称定义

STA：设备状态（1 待机状态，3 空载转态，4 并网发电状态，9 停机状态）

FG：系统频率

OR1：导叶开度

OR2：桨叶开度

PW：系统功率

GBF-OUT：频率扰动

3.2 新调速器静水试验

参考原NEYRPIC1500 调速器参数，对新调速器通过静水试验进行优化调参，以扰动试验为例：

水轮调速器进行阶跃扰动试验的主要是主动模拟设定值突变，考察调速系统在扰动过程中的响应速度和稳定性，全面检验调速器跟踪指令、维持稳定、保障电网安全的核心能力。在本次试验中，我们分别进行了下绕 1HZ和上绕2HZ 的实验，在自动工况下，使用调速器自带频率扰动工具 GBF，进行频率扰动实验，当 GBF 为 0.02 时，表示扰动量为 50Hz 1Hz。设置空载 PID 参数：Sync_Kp= 1.4 ; Sync_Ti= 6 ; Sync_Td= 1，进行扰动实验。

试验结果：

(1) 频率下调1Hz 扰动响应分析：

试验初始系统频率为 50.07 Hz，设置频率扰动量 GBF=0.02（对应设定值下调 1 Hz 至 49.07 Hz）。系统响应表现为：

① 频率在 10 s 内 降至 48.98 Hz，实际偏差为 48.98 - 49. 07=-0.0 9 Hz，满足控制精度要求（允许偏差 ⩽±0.1 Hz）；

② 导叶开度（OR1）经短暂过渡后由 11.14% 调整至 10.93%（降幅 0.21%），与理论调节方向一致（频率设定值下降→导叶开度减小→机组出力降低）。

试验结果验证了控制系统对负向阶跃扰动的跟踪精度及动态调节逻辑的正确性

(2) 频率上调2Hz 扰动响应分析：

设定初始频率 49.96 Hz，施加 GBF=-0.04 扰动（对应设定值上调 2 Hz 至 51.96 Hz）。监测数据表明：① 系统频率于 8 s 内 升至 52.06 Hz，稳态偏差为 51.96-52.06=-0. .10 Hz（符合 ⩽±0.1 Hz 精度限值）；

② 导叶开度同步由 11.28% 增大至 11.55%（增幅 0.27%），符合正向阶跃扰动下“频率升高→导叶开度增加→提升出力”的调节预期。

3.3 新调速器动水试验

调速器将机组开至空载后，由同期装置跟踪网频，并发出频率增、减指 ，频率，电压等条件满足后，同期装置发GCB 合闸指令并网。

由于此次改造，调速器电气柜内新增功率变送器，故首次并网采用开度反馈模式。

试验结果如下：

(1)空载及并网频率稳定性分析：

试验表明，机组在空载工况（STA=3）下稳定运行时，系统频率稳定维持在 49.98 Hz。其波动范围满足相关标准要求。机组并网后（STA 由 3 切换至 4），系统频率仍保持为 49.98 Hz，未出现明显波动，符合试验预期及系统稳定性要求。

(2)并网后导叶开度与出力稳定性分析：

系统并网瞬间，监测数据显示导叶开度（OR1）由并网前的 11.69% 调整至 11.94%。在后续系统出力保持稳定的运行期间，导叶开度恒定于 11.94%。此开度变化及稳定状态表明，调速系统能够有效维持机组出力，其波动幅度符合要求，即未超过额定出力的 ±1%。

3.4 甩负荷试验

甩负荷试验的主要目的是验证当发电机突然与电网断开（失去负荷）时，调速器能否迅速、准确地关闭水轮机导叶（或喷针），防止机组转速飞升过高而失控），确保机组和设备安全。

试验过程：监控系统将负荷调整至 100%额定左右，跳开 GCB（发电机出口断路器），观察机组升速，并计算稳定时间。

水头 7.5m，甩 25%额定负荷，最高升速 72.72Hz(145.44%)；

水头 7.5m，甩 50%额定负荷，最高升速 75.28Hz(150.03%)；

水头 7.5m，甩 75%额定负荷，最高升速 79.17Hz(158.34%)；

水头 7.8m，甩 75%额定负荷，最高升速 78.34Hz(156.68%)；

水头 7.8m，甩 100%额定负荷，最高升速 79.01Hz(158.02%)

(1)甩负荷转速调节分析：

根据试验监测图形数据显示，100%甩负荷工况下，转速峰值达到 79.01 Hz，超过 65 Hz 阈值的有效波峰仅出现1 次，严格满足指标限值要求。

(2)甩负荷动态响应时间分析：

试验曲线表明，机组甩100%额定负荷后，导叶开度（OR1）于 t< 390 s 时刻开始动作，并在 t<400 s 前完成动作并进入稳定状态。自接力器首次动作至转速波动收敛至稳态（波动幅值 ⩽±0 .5%额定转速）的调节时间为约20 s，显著低于系统标准规定的40 s 上限，验证了优化系统的快速响应能力。

4 总结与展望

本研究针对西溪电站2#机组调速器电气控制系统的八大瓶颈问题，提出“硬件升级+参数优化+智能运维”一体化解决方案。通过采用通用 TSLG 系统替代老旧设备，实现频率采集精度 0.0005Hz、控制精度 0.01%，支持以太网维护与可视化HMI 界面，提高人机交互体验，降低运维人员学习使用成本技术革新。通过静态特性试验验证性能达标，全面满足南网“两个细则”考核要求。解决机组开机需充磁的历史问题，根治原系统备件停产、故障频发问题提高维护、检修效率，降低运维成本。

目前行业内调速器机电转换接口控制方式从间接数字控制向直接数字控制发展，后续更新改造可以研究应用，力争潮州枢纽电站机电控制水平跟上行业领先水平。