水輪發電機組調速器的發展和應用探討

曾春香

（湖南，邵東 422800）

水輪機調速器是水輪機調速系統的重要組成部分，它與水輪發電機組的穩定運行有著密切的關系。水輪發電機組的控制任務主要是保持頻率和電壓兩個參數穩定，頻率控制是通過控制發電機組的轉速實現的，而轉速控制正是由水輪機調速器完成的；電壓控制則由發動機勵磁調節器來完成。水輪機調速器經歷了機械液壓調速器、模擬式電液調速器、微機調速器的發展。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展和應用。

1 微機調速器的類型、發展和控制技術

1.1 微機調速器的主要類型和發展變化

在20世紀80年代我國開始研發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，但由于基礎工業相對薄弱，在元器件質量、制造工藝、工業保證體系方面與國外仍有差距。微機調速器硬件方面經歷了單板機到單片機、可編程控制器（PLC）和工業控制機（IPC），再到可編程計算機（PCC）的過程；開發環境則由機器碼、匯編語言、高級語言發展到圖形界面開發平臺。微機調速器在發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。控制采用兩套模塊，其中一套為主機，另一套為輔機，兩套互為熱備用。主機出現故障時，可切換到輔機。由于兩套模塊互備用，提高了系統的可靠性。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，可看作執行邏輯功能和數字計算的控制裝置。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。ROM用于存放系統監控程序，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，因此具有執行多任務的優點?？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。采用高速計數模塊（HSC）測頻，計數測頻可達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展

微機調速器與其他調速器的一個本質上的區別是微機可實現靈活編程，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。出現偏差時，先以比例系數進行調節；偏差趨于穩定時，采用積分環節消除靜差；系統存在擾動因素時，微分環節可以發揮較大的作用。由于水輪機調節系統本身是非線性系統，常規PID無法解決穩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境改變而實時改變控制方式及其參數的策略。然而，控制的穩定性、收斂性、魯棒性等問題尚未完全得到解決。（3）智能控制。利用水輪機調節領域的專家經驗建模，不需要很強的適應性和魯棒性，智能地處理各種調節需求。比較典型的控制方法有模糊邏輯控制、神經網絡控制和遺傳算法控制。（4）魯棒控制。水輪發電機組調控系統既是非線性、時變、非最小相位的系統，同時又與各電站的水、機、電等個性因素有關，調節特性極為復雜。魯棒控制采用的方式與前面幾種不同，不以直接反饋調節系統，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，不適合穩態運行等。

圖1 數字化水輪機調速系統結構示意圖

2 微機調速器在水輪發電機組中的應用

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，所配電液隨動系統的技術性能和可靠性與微機調速器不相協調，主要是電液伺服閥運行過程中易堵、發卡，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；數字混合模塊用DM438；人機接口可用P120。液壓隨動系統采用兩級電液隨動系統，并在第一級液壓系統中以步進電機取代電液伺服閥以克服發卡失靈問題。

PCC調速器的軟件采用多任務分時操作系統，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，現在已擴展到水電站監控、發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的不斷發展和完善，其正成為智能水電廠建設的基石。

基于IEC61850的數字化水輪機調速系統，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，實現信息共享和互操作，可減少重復投資。系統結構如圖1所示。系統中的調節器、智能液壓伺服系統等采用冗余方式，兩套互為備用，具多重容錯功能，系統可靠性高。

結語

水輪發電機組調速系統集水、機、電于一體，其調節過程極為復雜，而且水輪機調速器發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展，作為水電技術人員應當經常關注其最新發展成果并加以利用。

[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展[J].水力發電，2010.

[2]高慶敏，王利平，孟繁為.現代水輪發電機調速策略的發展 [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分析[J].中國水能及電氣化，2012.

[4]陳啟明，呂桂林.基于IEC61850的數字化水輪機調速系統的探討[J].水電自動化與大壩監測，2011.