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水輪機調速器通信故障診斷處理及防范措施

文檔作者：張官祥1，常中原1，蔣小輝2，陳自然1，涂勇1 文檔來源： 1．中國長江電力股份有限公司向家壩電廠 2．三峽大學科技學院		點擊數：	更新時間： 2025年05月30日
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第41卷第8期
2018年8月
水電站機電技術V01．41 No．8
Mechanical＆Electrical Technique of Hydropower Station Aug．2018
水輪機調速器通信故障診斷處理及防范措施
張官祥1，常中原1，蔣小輝2，陳自然1，涂勇1
(1．中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川宜賓644612；2．三峽大學科技學院，湖北宜昌443000)
摘要：針對一起水電廠水輪機調速器因PCC控制器通信異常發生的故障情況，從調速器控制器硬件和軟件設
計現狀分析故障產生的原因，制定了解決措施，并對水輪機調速器控制器現狀進行了分析，提出了防范措施和改進
建議。
關鍵詞：水輪機調速器；PCC控制器；水電廠；通信故障；處理措施
中圖分類號：TV734．4 文獻標識碼：B 文章編號：1672—5387(2018)08--0064--04
DOI：10．13599，j．cnki．11-5130．2018．08．019
0引言
水輪發電機組調速器是確保水輪發電機組在不
同功率下轉速穩定，使水輪發電機組的功率保持預
定功率值的關鍵部件。某水電廠水輪機調速器電氣
控制部分采用奧地利貝加萊B&amp;amp;R公司2005系列的
硬件配置和功能完全一樣的獨立的2套PCC控制
器組成的控制系統，從而實現“主機／熱備”功能。
控制器A和控制器B，通過以太網實現2套PCC控
制器的狀態和數據傳送一致，將數據和故障信息通
過以太網上送至電器柜觸摸屏；2套控制器中的任
意一套控制器與相應的機械液壓系統相配合，均能
獨立實現全部控制功能和保證達到全部調節性能要
求；當A套或B套控制器任意一套出現故障時，可
發出故障信號至電氣柜觸摸屏和監控系統，并自動
無擾動地切換至另一套正常的PCC控制器工作，故
障的控制器可在線更換模塊進行檢修。但是，雙套
控制器同時出現故障時嚴重影響機組的安全穩定運
行。
1事件概述
某水電廠機組在運行過程中出現調速器A套
控制器突發故障并觸發停機報警，自動切至機手動
方式運行，調速器電氣柜觸摸屏顯示A套控制器通
信異常。檢查發現，A套控制器出現故障已停止運
行，電氣柜觸摸屏上A套相關數據不更新，電氣柜
觸摸屏事件記錄顯示1 S后調速器自動切換至B套
控制器，并處于自動、開度模式運行，B套控制器數
據采集正常。
2事故情況檢查與分析
2．1故障原因設想
鑒于機組處于并網運行，為了真正的掌握和確
認故障原因，進一步確定處理故障采取的措施，防止
事故擴大化，首先對故障現象進行故障模擬和事故
預想，初步假設以下幾個方面原因，并逐步開展了相
關檢查和試驗項目：
(1)模擬DM455模塊故障。在正常運行的單
套PCC控制器試驗平臺上，拔出DM455模塊后再
插入，發現DM455模塊上的RUN燈一直處于閃爍
狀態；CPU模塊停止運行、RUN燈熄滅、READY燈
一直保持常亮狀態、ERROR燈處于常亮狀態。經
重啟PCC控制器后，上述故障現象消失，CPU和
DM455模塊運行正常。經聯機程序在線查看故障
日志，發現故障日志的描述為當模塊運行時移除了
模塊。經上述模擬驗證和分析可以得出結論，是由
于DM455模塊故障導致CPU停止運行。
(2)模擬CPU模塊故障。在正常運行的單套
PCC控制器的試驗平臺上，拔出CPU模塊后再插入，
發現CPU模塊RUN燈熄滅，READY燈一直保持常
亮狀態，ERROR燈處于常亮狀態。同時也發現所
收稿日期：2018_0l一3l
作者簡介：張官祥(1985一)，男，工程師，從事水電廠計算機監控系
統及調速器設備管理與維護工作。
萬方數據
第8期常中原，等：水輪機調速器通信故障診斷處理及防范措施
在機架上的所有模塊的RUN燈一直閃爍。經聯機
程序在線查看故障日志，發現故障日志的描述為當
模塊運行時移除了模塊。經上述模擬驗證和分析可
以得出結論，CPU模塊本體故障將會導致本機架上
的其他模塊均故障報警。
根據上述故障模擬試驗及驗證結果，初步打算
采取以下措施處理此次異常事件：
(1)在線聯機導出故障日志。在線連接故障控
制器程序，導出故障日志并根據故障日志判斷故障
原因，尋找其最優解決方案。
(2)故障控制器斷電重啟。斷電前做好參數備
份工作，斷開故障控制器的交直流電源后觀察CPU
模塊是否正常運行，觀察DM455模塊的故障是否消
失。如果能夠達到預期的效果，保持原樣并持續運
行觀察。
(3)更換DM455模塊。經控制器斷電重啟后，
如果DM455故障尚未消失，則初步判斷為DM455
內部檢測出現故障，需更換DM455模塊。
(4)更換CPU模塊。經控制器斷電重啟后，觀察
控制器CPU模塊的運行情況。如果CPU模塊不能
正常運行，DM455模塊故障未能消失則判斷為CPU
模塊故障導致DM455故障，需更換CPU模塊。
2．2設備檢查及事件分析
對機組調速器電氣柜故障記錄和監控系統事件
記錄進行分析，為了防止事故進一步惡化，監控系統
畫面中退出機組過速保護停機軟連片、調速系統停
機軟連片、一類機械事故停機軟連片。機組停機后
采取防保護信息誤動措施：退出LCU柜電氣過速保
護連片、退出LCU柜機械過速保護連片。初步檢查
并查詢監控系統歷史事件、數據曲線及調速器觸摸
屏相關數據曲線，具體檢查和分析過程如下：
2．2．1調速器電氣柜設備檢查
經檢查發現，調速器電氣柜內A套控制器CPU
模塊的“ERROR”指示燈點亮，“RUN”燈熄滅，
“READY”燈常亮；A套控制器的DM455模塊“RUN”
燈一直閃爍。B套控制器及其PCC其他模塊未發
現異常情況，均運行正常。
2．2．2電氣柜觸摸屏事件記錄分析
查看調速器電氣柜觸摸屏發現，主頁上顯示A
機通信“異常”，A套數據一覽表及其他頁面數據不
刷新，B套數據采集正常，能夠實時更新。
查看故障記錄發現，故障發生時B機的切換閥
投入和從機主用信號復歸，同時B機切至開度模式
運行，未顯示A套故障信息，只有B套故障事件記
錄信息。
2．2．3 LCU觸摸屏事件記錄分析
查看監控系統事件記錄發現，調速器A套控制
器處于主用狀態、操作方式為自動、運行模式為功率
模式時，當發現A套控制器發生故障后，A套控制
器存在由自動狀態切至機手動狀態的過程。
查看機組LCU觸摸屏事件記錄發現，當調速器
報停機報警故障時調速器自動切至B機在線，并把
調速器控制模式由功率模式切換為開度模式；調速
器主用狀態發生變化，由A機在線主用變為B機在
線主用。
2．2．4監控系統事件記錄分析
調用監控系統事件記錄，經分析得出結果如下：
(1)10月5日，09：50：40，調速器A套控制器發
生故障，所有開關量輸出信號置零，由于調速器電氣
柜停機報警信號和機手動控制方式信號采用常閉接
點上送至監控系統，所以原所有動作的輸出信號復
歸，即停機報警信號和機手動控制方式信號動作。
監控系統由于收到調速器上送的機手動控制方式反
饋信號，向調速器下發切開度控制方式命令，同時復
歸調速器模擬量給定方式信號。監控系統所報調速
器故障報警信息正常。
(2)10月5日，09：50：41，機組調速器B套控制
器因檢測到A套控制器故障，主動切為B機在線主
用狀態，并且操作方式切換為自動方式，B套控制器
的開關量輸出信號狀態刷新調速器電氣柜的輸出信
號；當調速器接收到監控系統發的切開度模式命令
后調速器切至開度模式運行，同時監控系統有功閉
環模式退出運行，機組處于有功開環模式，調速器處
于開度調節模式。監控系統和調速器功率模式切換
邏輯正常，信號報警正常。
2．2．5檢查結論
上述分析得出，當機組處于并網狀態時，A套控
制器已經處于故障狀態，導致A套控制器所檢測的
切換閥狀態復歸，B套控制器程序檢測到A機不在
線后自動切為B機在線主用狀態。因此調速器的
運行模式由功率模式切開度模式運行，屬于正常控
制邏輯。經綜合分析，初步判斷其故障原因為A套
控制器運行時未檢測到DM455模塊引起CPU模塊
停止運行，調速器控制邏輯動作正確，故障報警信息
萬方數據
水電站機電技術第41卷
正確無誤，模式切換結果正常。
3故障情況處理
上述故障經斷電重啟PCC控制器并在線更換
DM455模塊，A套控制器運行正常，切換正常。隨
后裝置運行一段時間，觀察裝置數據采樣情況，頻
率、功率、開度、主配中位等模擬量采集正常，再次檢
查程序版本、定值及相關參數設置后恢復機組為備
用態。在機組開機時做補充驗證試驗，模式切換正
常，主備用切換邏輯正常。具體處理過程如下：
(1)在線聯機查看故障日志。與A套控制器在
線聯機，查看A套PCC故障日志，發現有1個故障
和2個警告，PCC對時因程序內部尚未對時存在
顯示不一致，但是觸發時間與觸摸屏故障事件記
錄的時間完全吻合。PCC故障日志中的故障ell'Or
代碼為9206，故障描述為“PLC reboot triggered by
hardware watchdog”，由于PLC硬件看門狗觸發PLC
重啟；警告warning代碼為9210和27063。初步判
斷故障原因為PLC程序內部數據溢出導致硬件看
門狗動作。
(2)A套控制器斷電熱重啟。經過參數備份和故
障日志導出后，斷開A套控制器的交直流電源空開，
經過l min后重新上電啟動，發現A套CPU模塊運
行正常，RUN燈點亮，ERROR燈熄滅，DM455模塊
運行正常，故障消失。待CPU完全運行正常后，電
氣柜柜門上的“一般故障”燈點亮，觸摸屏故障記錄
只顯示A套水頭故障，手動無法故障復歸。此時查
看其他畫面的數據時發現A套所有觸摸屏設置數
據為零，B套數據顯示正常。第二次斷電重啟A套
控制器后，發現現象依然存在。綜合上述現象初步
判斷為在A套CPU故障狀態下，斷電重啟時A套
控制器運行參數已被故障清零。
(3)A套控制器冷重啟。連接調速器A套控制
器程序，在線聯機冷啟A套控制器后，發現觸摸屏
數據恢復為程序初始值，故障消失，手自動切換正
常。經斷開A套控制器電源重啟后未出現A套控
制器數據清零的現象。
(4)更換DM455模塊。分析高頻計數模塊測頻
程序執行異常導致程序內部數據溢出的可能性較
大，為了確保機組調速器A套控制器正常運行，以
免再次出現同類故障，更換新的DM455模塊。斷開
A套控制器電源，更換新的DM455模塊，更換后合
上A套控制器電源，A套控制器運行正常，DM455
模塊運行正常。原有的DM455模塊需在試驗室繼
續驗證和檢測。
(5)核對A套控制器運行參數設置。為了防止
調速器中位等重要參數變化導致機組不穩定運行，
按照備份的最新調速器A套控制器運行參數進行
檢查并恢復A套控制器當前運行參數設置。
(6)斷電再次重啟。上述工作完成后，為了進一
步檢驗調速器運行情況和控制器參數變化，再次斷
開A套控制器電源重啟A套CPU，發現A套控制
器運行正常，數據顯示正常。
(7)切換試驗。為了驗證A套控制器是否正常
運行，驗證控制邏輯是否正常，先后在停機態和空載
時進行了MB機主備切換試驗、手自動切換試驗，試
驗結果正常。
采取上述處理措施以后，機組調速器通信異常
情況得以解決，調速器停機報警故障已消除，調速器
A／B套控制器CPU運行正常，A套和B套控制器通
信正常，數據顯示正常，A／B機切換正常，手自動切
換正常。此后申請電網及時將機組恢復備用狀態，
大大降低了經濟損失，保證了設備安全穩定運行。
4故障原因分析
經在線聯機，查看A套PLC故障日志，結合設
備檢查以及事件記錄分析得出，A套CPU停止運行
原因是由于PLC程序內部檢測溢出，導致PLC硬件
看門狗動作，從而使A套CPU故障停止運行，CPU
模塊ERROR燈點亮，READY燈常亮，進而引起
DM455模塊故障。由此可推斷出，機組水輪機調速
系統控制器通信異常是由于A套控制器的CPU模
塊停止運行導致的。
5故障模擬及驗證
為了進一步驗證機組調速器A套通信異常故
障處理時出現的各種異常情況，為今后處理異常
情況做試驗數據準備，進行故障模擬和試驗驗證。
試驗項目：①模擬DM455模塊故障；②模擬CPU
模塊故障；③模擬AM374模塊故障；④CPU故障
狀態下斷電重啟；⑤CPU故障狀態下程序冷啟；
⑥CPU故障報警邏輯優化。經過多次試驗驗證后
得出結果：
(1)當DM455模塊帶電拔插引起故障時，將會
萬方數據
第8期常中原，等：水輪機調速器通信故障診斷處理及防范措施67
引起CPU模塊停止運行，使CPU模塊ERROR燈點
亮，READY燈常亮，DM455模塊RUN燈一直處于
閃爍狀態。
(2)當CPU模塊移除機架引起故障時，將會導
致機架所有模塊RUN燈一直處于閃爍狀態。
(3)當AM374模塊帶電拔插引起故障時，將會
導致CPU模塊停止運行，CPU模塊ERROR燈點亮，
READY燈常亮，同時將引起DM455模塊故障，其
RUN燈一直處于閃爍狀態。
(4)在CPU故障狀態下，若斷電重啟會使CPU
數據清零，不刷新存儲卡數據。
(5)在CPU故障狀態下，若程序冷啟會使CPU
保留原來數據，不修改存儲卡數據。
(6)通過軟件配置可以實現PIE模塊硬件故障
不會導致CPU停止運行。
6防范措施及優化建議
6．1調速系統控制邏輯改進措施
目前調速器硬件配置采用冗余配置，當任意一
塊PCC模塊出現硬件故障時，將會導致CPU報故
障停止運行，調速器控制器根據預定的控制邏輯
自動切至備用機運行，并報停機報警故障。當2套
PCC控制器同時出現故障時，延時一定時間后將會
觸發二類機械事故停機流程。在任意模塊出現故障
時，通過在程序內設計控制邏輯，可以實現CPU不
停止運行。如果在調速器故障控制邏輯完善且機組
安全穩定運行要求高的情況下，為了避免控制器模
塊硬件故障直接導致CPU停止運行，且保證可以實
現切換A／B機功能，可以優化程序，同時引用程序內
部定義的PIE模塊正常檢測點，對PLC模塊故障進
行檢測判斷，并納入到調速器嚴重故障判據，實現模
塊故障切機并報警功能。
6．2技術管理方面的改進措施
①加強分析和總結設備的運行規律，對長期處
于運行狀態的設備以及運行超使用周期的設備對其
狀態和故障率進行預評估，充分掌握其出現故障的
概率，在設備損壞之前或出現損壞時能夠有效地控
制事故擴大。②加強對重要部件的檢查和維護工作，
定期對關鍵元器件進行修理和維護，尤其要重視對
重要試驗項目和重要控制回路的檢修保養工作。③
加大對升級產品性能和特性的掌握力度，對設備系
統改造提出更加成熟的方案，保證設備系統升級后
能夠穩定運行。
6．3設備管理方面的改進措施
自從設備投產以來，設備運行隋況良好，尚未出
現重大事故。但隨著機組運行年限的增加，設備管
理工作需重視以下問題并加以處理：①電氣元器件
老化問題。原有電氣元器件由于線路長期發熱、絕
緣老化、金屬氧化等原因，造成電阻增大，接觸不良，
運行不穩定，隨時可能損壞或出現故障，存在較大安
全隱患。②備品備件更新換代和配件兼容性的問題。
原配件已停止生產，升級產品與原系統的硬件和軟
件均需全部升級匹配。一旦設備出現故障時備品備
件庫存數量不足，只能維修或請求外援，進口產品采
購周期長、外方專家不能短期內到達以提高技術支
持，且技術服務成本高、協調難度大，備品備件管理
和系統升級換代勢在必行。
7結束語
調速系統作為發電機組運行的核心部分之一，
與水電廠安全運行密切相關。調速器通信是調速器
雙套控制器之間的可靠保障，是數據交換和監視的
渠道。而停機報警對于水輪機調速器來說相當重要，
如果出現調速器通信異常將會丟失采集的數據，必
將對調速器控制造成影響，若雙套控制器停機報警
故障時必將會導致事故停機。而調速器停機報警和
通信異常時更加應引起重視，及早查明原因，及時處
理故障，保障設備的可靠運行。本文通過對水輪機
調速系統控制器通信異常和停機報警信號的實例進
行分析，詳細說明其查找故障的過程和分析方法，同
時結合試驗室仿真模擬試驗為今后類似事件的處理
提供經驗支撐和參考。
參考文獻：
【1】1常中原，帥小樂，李初輝，等．向家壩水電站調速系統的特
點及問題分析田．水電站機電技術，2012，35(5)：23—24,35．
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『31張官祥，陳自然，常中原．水輪機調速器液壓控制系統運
行可靠性探討『c]／／2016年電力系統自動化專委會年會
論文．
【4】張官祥，孫亞輝，常中原，等．基于MODBUS通信方式
的PCC智能調速系統的研究與應用Ⅱ】．水電站機電技
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【5】魏守平．現代水輪機調節技術【M】．武漢：華中科技大學
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