數字化水電站中智能水輪機調速器的設計思路

蔡衛江 陳東民 榮 紅 朱 軍 蔡曉峰

（國網電力科學研究院，南京 210003）

1 引言

智能電網以及數字化水電站是我國電力工業將來的發展方向，它的建設將集國內外的先進技術之大成，引領世界水電廠智能化的標準建設和發展方向。而水輪機調速器作為機組核心控制設備，對調節電廠機組負荷、穩定頻率，保證電網的供電品質和質量極其重要。然而目前國內已經投產和正在設計的調速器產品，大都沒有意識到當前電網智能化環境的特殊要求，如在TCP/IP網絡接口、GPS對時、現場總線、仿真與測試接口方面大多沒有充分考慮。

智能化水電廠是以通信網絡為基礎，水力聯系和電力聯系為紐帶、能源轉換控制設備為載體、安全經濟運行為目標，融合仿真、控制和信息三位一體技術實現水電站的運行控制和管理[1]，這就要求相應的調速系統具有高速可靠的通信網絡，通過配置先進的傳感和測量技術、冗余可靠的設計、高級的控制策略以及方便靈活的仿真測試接口，實現發電廠機組的可靠、安全、經濟運行。

2 總體方案

統一數據平臺是智能電網的一個基本特征。參見圖1，水電站現地級包括監控、調速器、勵磁、輔機系統等不同設備。在試圖建立統一平臺的過程中，我們參照智能化變電站的建設方案，將現地數據采集和測量按類似于“過程層”、“間隔層”、“站控層”的結構層次布置，采用兩層網絡：站控層網（MMS網）、過程層網（MODBUS TCP/IP網）組成。全站網絡采用高速光纖以太網組成。

圖1 智能水輪機調速器總體設計框圖

站控層由監控系統后臺主機（操作員站）和智能設備接口機等構成， 智能設備接口機可將調速系統、監控系統等接入站控層MMS網，監控系統，實現管理控制間隔層、過程層設備以及其他設備功能，形成全站監控、管理中心，并能與遠方調度中心通信，通信標準符合DL/T860（IEC61850）[2]。

間隔層可由若干個子系統組成，如繼電保護、勵磁系統、調速系統、監控LCU單元等二次設備，實現使用一個間隔的數據并且作用于該間隔一次設備的功能，即與各種遠方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。

過程層由電子式互感器、數字變送器等構成，完成與一次設備或其他設備相關的功能，包括實時運行電氣量（頻率、功率）、開關量（液壓系統狀態、報警等）和非電氣量（行程、油壓、油位等）的采集、設備運行狀態的監測、控制命令的執行等。

在站控層網絡，調速器的各種信息輸出（轉速、功率、開度等），目前先考慮以自定義規約和協議接入監控系統后臺，但將來最終會以61850協議接入MMS網，與其他系統共享數據。而在過程層網絡，轉速和頻率信號通過齒盤接近開關及電磁互感器以脈沖信號接入，功率信號通過電子式互感器，開度、油壓、油位等信號通過變送器以4-20mA模擬量接入，調速器將采集的數據處理后（功率、開度、報警等）以MODBUS TCP/IP協議發送至過程層供監控系統采用。

在國外，Modbus TCP被國際半導體業SEM I定為網絡標準，世界上93%的網絡都使用TCP/IP，只要在應用層使用Modbus TCP，就可實現工業以太網數據交換，用戶可免費獲得協議及樣板程序，應用非常方便。監控系統的各種指令（功率給定、水頭信息、開停機命令等）可以通過Modbus TCP傳輸給調速器，調速器采集的各種信息也可用該協議傳輸給監控系統。

智能調速器還必須具有仿真和測試接口，仿真數據可以通過網絡來高速傳輸，同時裝置還留有常規模擬量、脈沖量輸入/出接口，可滿足一次調頻、參數測試試驗的要求。

3 GPS對時

調速器的對時非常關鍵，內部及外部產生的重要信號變化都需要記錄較精確的時鐘信息，特別是當系統發生故障時，只有在統一精確的時鐘系統的控制下才能準確地記錄下事件動作的先后時間，從而為分析事故原因，事故類型，事故發生發展過程提供可靠依據。這就需要系統對時，系統對時的時間來源是GPS。

現行的GPS衛星時鐘同步系統支持硬對時（脈沖節點PPS、PPM、PPH）、軟對時（串口報文）、編碼對時（IRIG-B、DCF77）和網絡NTP對時，可滿足國內外不同設備的對時接口要求。IRIG-B碼實際上也可以看作是一種綜合對時方案，因為在其報文中包含了秒、分、小時、日期等時間信息，同時每一幀報文的第一個跳變又對應于整秒，相當于秒脈沖同步信號。這種對時比較精確。推薦在智能調速器上采用。

具體對時方案參見圖1，首先在電站中控室安裝一面GPS時間同步系統屏，配置一臺標準同步鐘本體，完成GPS衛星信號的接收、處理，及向調速、勵磁、監控等裝置提供標準同步時間信號（RS422電平方式IRIG-B）。調速器采用了硬件RS422通信接口，具有接收IRIG-B（DC）時碼時間信息功能。通過RVVP兩芯的屏蔽通訊電纜，接入GPS同步時鐘裝置的B碼輸出標號段。當調速器內部時鐘接收到外部時間基準信號時，被外部時間基準信號同步，當接收不到外部時間基準信號時，保持一定的走時準確度，直到外部時間基準信號恢復時自動切換到正常工作狀態。

4 智能水輪機調速器的設計思路

智能化水電站中的調速系統技術上應滿足“可靠性、靈敏性、穩定性”的要求，并在此基礎上提高設備的性能和智能化水平。系統在功能實現上是統一的整體，需要傳感變送元件、液壓隨動系統、各模塊之間的配合協調，發揮其整體性能。

4.1 系統硬件冗余配置

智能調速系統CPU單元及開入/出、模入/出、測頻等硬件模塊應按雙重化原則配置，每套系統裝置功能獨立完備、安全可靠，雙重化配置的多個過程層網絡應遵循完全獨立的原則。同時系統應配置一套功能簡單的智能切換單元，通過CAN總線或常規I/O接口接受兩套控制器的信息[3]。

參見圖2，以目前高端調速器的主流配置方案為例，選用貝加萊PCC2005控制器CP340和IP161組成其硬件核心。其他電源、開入開出等模塊組成系統整體硬件單元，選用歐姆龍ZEN系列智能繼電器組成切換單元，相互之間聯系如圖2所示。

圖2 智能水輪機調速器硬件冗余配置圖

通常情況下，兩個調節器之間通過CAN接口進行通信，確保兩個調節器之間的信息冗余和相互切換時穩定工作。每個調節器具有獨立的供電電源和獨立的反饋采樣通道，一套系統處于主控模式，一套處于熱備用模式，當其中一套發生故障或退出控制轉入調試時，通過智能切換單元使另一套自動投入。智能切換單元實時監測兩套控制器的工作狀態（通過心跳脈沖檢測），以及其他的狀態和故障信息。實時選擇正常的一套做主機輸出。

4.2 智能電液隨動系統

早期調速器大多采用帶機械反饋的機械式隨動操作機構，由于安裝復雜，控制精度差，已逐漸被淘汰。現在使用的電液操作機構，大都是通過主配壓閥自動回復中位來保證主接力器穩定在某個位置。這種方式缺點是沒有引入主接力器反饋，手動操作是開環控制，會產生位置漂移，危害機組安全。而智能調速器電液隨動系統的控制要求，不僅在自動工況下要可靠、精度高、速動性好，手動控制時也要穩定、具有一定的調節精度，最關鍵的是電液隨動系統還要有一定的智能性，即能實時監測隨動系統液壓元件、傳感元件的狀態，同時還具有保護機組的功能[4]。

參見圖3，我們的方案是在機械隨動裝置上增設一套控制單元，采用微控制器、電子傳感元件等組成獨立的智能閉環隨動系統。該系統引入伺服閥、主配、接力器位置反饋信號、轉速測量信號、液壓元件故障檢測信號等。正常自動控制情況下，電調只需將開度指令信號通過模擬量傳給電液隨動裝置，裝置根據指令自動調節導葉到預定位置，調節精度主要靠伺服閥、主配壓閥、主接力器位置三個反饋信號來保證。手動工況下，裝置保持當前導葉開度不變，可接受人為增減指令開入，調節導葉到給定位置。此時若機組出現事故（如超速），裝置自動閉鎖外部指令，自動關閉導葉到空載開度，以避免機組事故。另外，智能裝置實時監視伺服閥、主配壓閥等液壓元件、各反饋變送器的狀態，當發現某元件故障時，裝置自動發出報警信號給電調，電調會根據故障信號隨時調整控制策略，進行切換、停機等處理。以微控制器為核心組成電液隨動裝置，可極大減輕電調控制柜的一部分負擔，是調速器機械部分逐步向智能化、電子化發展的一個方向。

圖3 智能電液隨動控制系統原理圖

4.3 反饋系統三選二冗余設計方案

大部分電廠調速器出現的事故主要與各類反饋信號異常有關，轉速、功率、導葉開度信號的故障都可能造成調速器的異常動作或不動作，造成機組事故擴大。因此在智能調速器的重要反饋信號采集方面一定要采用非常可靠的設計方案。

多單元并聯冗余系統的最簡單常用的決策邏輯就是“多數表決”，即通過“多數表決”方式判斷系統中是否有單元發生故障，并定位故障單元,然后采取相應的措施。三選二表決冗余系統即在信號采集方面，選用3個傳感器測量同一個信號，經過表決，最后輸出一路采樣信號。我們知道，采用雙變送器組成的冗余設計，若兩個采樣數據不一致，又都在量程范圍內，很難判斷哪一個正確，采用三選二表決機制很容易克服上述問題，目前該方法已在多數較重要的數據采集場合中使用[5]。因此我們建議在智能調速器的機組轉速、導葉開度、機組功率信號采集方面，采用三選二冗余變送器配置，可極大提高其可靠性。軟件流程如圖4所示。

圖4 三選二冗余數據處理示意圖

功率、頻率、開度信號分別通過三路變送器信號進入控制器通道，程序上先進行數據采集、濾波處理，然后進行數據差值比較，選擇差值最小的兩組數據作為合理數據，再進行平均，得到最終的反饋信號數據。

從圖4可以看出。若有任一路反饋傳感器故障，三選二冗余模式均會自動剔除故障數據；裝置會自動選擇正常的兩路傳感器數據輸出。可見，采用該冗余模式后，裝置的可靠性大大提高。 同時若一路反饋傳感器故障，裝置會有相關報警輸出（傳感器故障或3路采樣不平衡），可輸出到監控系統報警。

4.4 數字化變送器采集技術

智能變送器及現場總線技術已經在電力系統數據采集方面得到了廣泛應用，在設計智能調速器的數據采集方面我們希望能采用成熟的現場總線技術來組建調速器現地級數據總線。由于調速器需要采集的數據種類并不多，同時對數據的要求也不盡相同，如功率、轉速、導葉位移數據的實時性以及采樣率要求很高，而油壓、水位數據實時性要求較低且采樣率要求不高，因此我們在設計現地級數據總線時，采用兩種形式，一種是高速CAN總線網絡，主要連接智能功率變送器、導葉位移變送器；另一種為MODBUS RS485總線網絡，主要連接油壓、水位等智能變送器；對于轉速（頻率）數據采集，我們還是建議采用接近開關（互感器）等方波脈沖（正玄）信號輸入，主要是調速器對頻率信號的精度及實時性要求極高，普通現場總線還不能滿足其要求。

我們要求功率、開度、水位等智能變送器除了具備相應數字總線接口外，還應具有常規模擬信號（4～20m A）輸出，便于調速器常規模擬量采集。兩種信號可以根據需要互為主備用和冗余切換。

4.5 仿真與測試接口設計

當前，水輪機調速器的一次調頻及參數辨識試驗已經成為水電站必須進行的試驗項目，這就要求智能微機調速器必須充分滿足當前測試裝置的接口要求。從一次調頻要求來看，調速器必須具有高精度試驗頻率信號輸入、頻率信號輸出接口，功率、開度反饋模擬信號輸出，一次調頻狀態信號開入/出等。從參數測試要求來看，調速器除了一次調頻必須的信號接口外，還需要有階躍信號輸入接口（時域法用），白噪聲模擬輸入（頻域法用）、PID等各中間變量模擬輸出、各給定信號模出、伺服閥、主配反饋信號模出等，因此我們在設計智能調速器時，除了常規信號接口外，必須充分考慮上述試驗信號的輸入輸出，硬件上必須最大化設計，軟件上必須具備相應的接口和功能模塊，以充分滿足當前兩種試驗的要求。

關于仿真方面的接口，目前我們設計了一種基于宿主機和目標機的仿真模式。即在xPC目標環境下，PC機作為宿主機，安裝MATLAB、Simulink軟件，用Simulink模塊來創建模型并進行水輪機組及電力系統的仿真，智能微機調速器作為目標機，將采集到的導葉開度信息通過以太網實時傳遞給宿主機，宿主機將仿真結果（機組轉速、功率、水頭等）通過以太網接口傳輸給智能調速器，調速器則根據這些信號進行閉環控制[6]。這種模式，仿真模型升級、設置非常方便，要求調速器必須有專門的以太網接口和軟件模塊滿足仿真裝置的要求。

5 結論

當前，我國對可再生能源的水電保持了重點發展的政策。智能化、數字化是將來水電站自動化發展的方向，調速器作為其中重要的組成部分，必須充分滿足和適應當前技術發展的需要，本文從智能微機調速器的設計思路出發，提出了新形式下調速器在網絡通訊、硬件結構、可靠性，接口等方面的設計要求，并提出了一些觀點，希望能為今后水電站調速器的設計提供一定參考。另外要真正實現水電站的智能化還有很多技術問題要解決，任重而道遠，我們希望這些想法能在不遠的將來實現。

[1] 李朝暉等.水電機組數字化及其應用研究. 中國水力發電工程學會電力系統自動化專委會2007年年會暨學術交流會論文集, 2007:134-137.

[2] 張亞楠等. 數字化變電站與水電站自動化系統. 2009中國水電控制設備論文集, 2009:380-390.

[3] 邵宜祥等. 1000MW水輪機調速系統SWT－1000技術方案.第二屆水力發電技術國際會議論文集, 2008:536-538.

[4] 蔡衛江等. 適用于大型水輪機調速器的智能手操機構的設計[J]. 水電廠自動化,2008(2):25-27.

[5] 林建輝等. 基于2/3(G)表決冗余加速度傳感器容錯技術的研究[J]. 電子測量與儀器學報,2003, 17(3):15-18.

[6] 姜達軍.基于xPC目標的蓄能機組調節對象實時仿真的研究[P].國網電力科學研究院2010年碩士學位論文, 2010:8-12.