水輪發(fā)電機組調速器的發(fā)展和應用探討

曾春香

（湖南，邵東 422800）

水輪機調速器是水輪機調速系統(tǒng)的重要組成部分，它與水輪發(fā)電機組的穩(wěn)定運行有著密切的關系。水輪發(fā)電機組的控制任務主要是保持頻率和電壓兩個參數(shù)穩(wěn)定，頻率控制是通過控制發(fā)電機組的轉速實現(xiàn)的，而轉速控制正是由水輪機調速器完成的；電壓控制則由發(fā)動機勵磁調節(jié)器來完成。水輪機調速器經(jīng)歷了機械液壓調速器、模擬式電液調速器、微機調速器的發(fā)展。電液調速器比機械液壓調速器精度高、更靈敏，而且制造成本較低，所以獲得了廣泛應用，但隨著微電子技術的快速發(fā)展，模擬式電液調速器也在被微機調速器所取代，因此本文主要探討微機調速器的發(fā)展和應用。

1 微機調速器的類型、發(fā)展和控制技術

1.1 微機調速器的主要類型和發(fā)展變化

在20世紀80年代我國開始研發(fā)微機調速器并將其應用于水電站，研究起點與國外幾乎同步。從研究角度上看，我國微機調速器與國際先進水平的差距并不大，但由于基礎工業(yè)相對薄弱，在元器件質量、制造工藝、工業(yè)保證體系方面與國外仍有差距。微機調速器硬件方面經(jīng)歷了單板機到單片機、可編程控制器（PLC）和工業(yè)控制機（IPC），再到可編程計算機（PCC）的過程；開發(fā)環(huán)境則由機器碼、匯編語言、高級語言發(fā)展到圖形界面開發(fā)平臺。微機調速器在發(fā)展過程中形成了三種比較典型的調速器即雙微機調速器、PLC調速器和PCC調速器[1]。

雙微機調速器是20世紀90年代大批量生產并投入應用的?？刂撇捎脙商啄K，其中一套為主機，另一套為輔機，兩套互為熱備用。主機出現(xiàn)故障時，可切換到輔機。由于兩套模塊互備用，提高了系統(tǒng)的可靠性。雙微機調速器主要問題是：插件接觸不良、死機頻繁、板件加工工藝較差。當然，市場產品良莠不齊，也有些專業(yè)生產廠家的32位雙微機調速器，其質量可靠性幾乎與PLC、PCC相當。

PLC調速器由中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、和輸入輸出接口（I/O）電路等組成，可看作執(zhí)行邏輯功能和數(shù)字計算的控制裝置。早期的一些PLC采用繼電器進行邏輯控制，目前大多采用計算機控制系統(tǒng)。ROM用于存放系統(tǒng)監(jiān)控程序，并由廠家編寫并固化在里面。RAM允許用戶按其具體控制要求編寫程序。PLC的優(yōu)點是工作可靠、模塊組合靈活、編程簡單、安裝維修方便等，不足之處是沒能很好地利用內部穩(wěn)定的時鐘，而利用外部時鐘頻率源則增加了干擾；其次是接口和編程靈活性不太夠，尤其不易實現(xiàn)比較復雜的高級算法。

PCC兼具PLC和IPC的功能，前者易擴展、可靠性高；后者運算能力強、編程方便、實時性強。PCC硬件方面采用插拔式模塊結構；軟件方面采用高級語言編程，也具有軟件模塊疊加功能。所以，擴展能力、運算能力都非常強。支持32位或64位多個CPU同時運行，還具有高速智能處理器TPU，因此具有執(zhí)行多任務的優(yōu)點?？刂评砟钔耆煌赑LC，編程控制器直接面向過程，而且程序運行不必掃描所有程序，運行效率和可靠性都非常高。采用高速計數(shù)模塊（HSC）測頻，計數(shù)測頻可達6MHz以上，測頻精度和實時性都非常好。

1.2 微機調速器控制技術的發(fā)展

微機調速器與其他調速器的一個本質上的區(qū)別是微機可實現(xiàn)靈活編程，因而改變或增加功能也容易的多。隨著控制理論研究的不斷深入，水輪機的調速控制技術也在不斷發(fā)展和變化。常用的控制技術有：（1）PID控制技術。PID即比例（P）、積分（I）、微分（D）的線性組合。出現(xiàn)偏差時，先以比例系數(shù)進行調節(jié)；偏差趨于穩(wěn)定時，采用積分環(huán)節(jié)消除靜差；系統(tǒng)存在擾動因素時，微分環(huán)節(jié)可以發(fā)揮較大的作用。由于水輪機調節(jié)系統(tǒng)本身是非線性系統(tǒng)，常規(guī)PID無法解決穩(wěn)定性與精確性的矛盾，所以產生了許多基于PID改進的策略。（2）自適應控制。這是一種基于被控對象及其環(huán)境改變而實時改變控制方式及其參數(shù)的策略。然而，控制的穩(wěn)定性、收斂性、魯棒性等問題尚未完全得到解決。（3）智能控制。利用水輪機調節(jié)領域的專家經(jīng)驗建模，不需要很強的適應性和魯棒性，智能地處理各種調節(jié)需求。比較典型的控制方法有模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和遺傳算法控制。（4）魯棒控制。水輪發(fā)電機組調控系統(tǒng)既是非線性、時變、非最小相位的系統(tǒng)，同時又與各電站的水、機、電等個性因素有關，調節(jié)特性極為復雜。魯棒控制采用的方式與前面幾種不同，不以直接反饋調節(jié)系統(tǒng)，而是建立一個可以適應整個工域內各種變化的模式，簡言之即“不變應萬變”。但目前魯棒控制仍有局限，不具備調差和消除靜差的功能，不適合穩(wěn)態(tài)運行等。

圖1 數(shù)字化水輪機調速系統(tǒng)結構示意圖

2 微機調速器在水輪發(fā)電機組中的應用

2.1 PCC步進調速器的應用

目前，中小型水電站主要采用單片機、IPC、PLC三種類型微機調速器，所配電液隨動系統(tǒng)的技術性能和可靠性與微機調速器不相協(xié)調，主要是電液伺服閥運行過程中易堵、發(fā)卡，對油質要求高，而且滲漏問題也沒有得到解決，選擇PCC步進調速器可有效解決這些問題。

PCC調速器的硬件采用奧地利B&R公司的X20系列PCC控制器。CPU可選用CP474、CP476；測頻模塊可選擇 DI135、DI140；接力器位移量輸入模塊可用AI351、AI774；數(shù)字混合模塊用DM438；人機接口可用P120。液壓隨動系統(tǒng)采用兩級電液隨動系統(tǒng)，并在第一級液壓系統(tǒng)中以步進電機取代電液伺服閥以克服發(fā)卡失靈問題。

PCC調速器的軟件采用多任務分時操作系統(tǒng)，調速器軟件結構劃分5個模塊，測頻軟件利用調速器內置TPU模塊，計數(shù)頻率達到4MHz以上。編程可采用AS類的C語言。

2.2 采用IEC61850標準的數(shù)字調速器

IEC61850是國際電工委員會所制定的面向變電站的公共通信標準，因其良好的擴展性和體系結構，現(xiàn)在已擴展到水電站監(jiān)控、發(fā)電信息交換以及變電站與調度中心、其他變電站之間的通信控制。隨著IEC61850的不斷發(fā)展和完善，其正成為智能水電廠建設的基石。

基于IEC61850的數(shù)字化水輪機調速系統(tǒng)，將不同功能分布在各個智能電子設備（IDE）中，并通過站控層、間隔層、過程層與電站其他設備互聯(lián)，實現(xiàn)信息共享和互操作，可減少重復投資。系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)中的調節(jié)器、智能液壓伺服系統(tǒng)等采用冗余方式，兩套互為備用，具多重容錯功能，系統(tǒng)可靠性高。

結語

水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)集水、機、電于一體，其調節(jié)過程極為復雜，而且水輪機調速器發(fā)展至今也絕不僅限于調速一項功能，無論是硬件還是建立在軟件基礎上的控制策略都在不斷發(fā)展，作為水電技術人員應當經(jīng)常關注其最新發(fā)展成果并加以利用。

[1]蔡曉峰，張新龍，張雷.雙微機、淺談中國水輪機調速器電氣控制器的發(fā)展[J].水力發(fā)電，2010.

[2]高慶敏，王利平，孟繁為.現(xiàn)代水輪發(fā)電機調速策略的發(fā)展 [J].華北水利水電學院學報，2011.

[3]戴宗泉.基于PCC的步進式水輪機調速器軟硬件系統(tǒng)分析[J].中國水能及電氣化，2012.

[4]陳啟明，呂桂林.基于IEC61850的數(shù)字化水輪機調速系統(tǒng)的探討[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2011.