貝加萊PCC在黃河龍口水電站的應用

摘要：介紹了水輪機數字調速器系統在黃河龍口水電站的應用，主要闡述了PCC比例數字式冗余可編程微機調速器系統配置、系統性能特點及現場運行情況。

關鍵詞：可編程計算機控制器；水輪機調速器

PCC（Programmable Computer Controller）也稱可編程計算機控制器。由奧地利BR公司生產的PCC，集成了PLC和IPC的優勢，既有PLC的高可靠性、易擴展性，又有IPC的分時多任務操作系統功能，運算能力強、實時性好、編程方便，同時PCC的CPU模塊有獨特的時間處理單元（TPU），可以在不增加主CPU負荷的前提下很好的解決水輪機調速器的頻率測量問題，所以近年來在水輪機調速器領域得到了大量應用（見文獻[1]）。

黃河龍口水電站位于山西省河曲縣與內蒙古自治區準格爾旗交界處。電站裝機容量420MW，裝機5臺，其中四臺機組單機容量100MW，一臺機組單機容量20MW，水輪機組調速系統采用長控所生產的WDT型雙微機調速系統。微機調節器部分以BR公司的PCC2003控制器為核心，機械液壓部分以BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉換單元，美國GE公司的FC20000閥為主配壓閥，電源、控制模塊、傳感器、電液轉換等均采用了雙冗余配置，整個系統的硬件配置不僅性能卓越，且可靠性極高。

1 PCC水輪機調速器

1.1PCC水輪機調速器基本原理

隨著現代水輪機微機調速器的不斷發展，出現了很多工作原理和系統結構各異的機械液壓系統。WDT型調速器主要特點是采用電液比例閥作為電液轉換組件、采用電氣反饋的機械液壓隨動系統。

1.2 PCC水輪機調速器的配置

水輪機調節器采用奧地利貝加萊公司的BR 2003系列可編程計算機控制器CP476為硬件核心，配以電源系統、信號處理模塊、人機界面、接力器位移傳感器、繼電器操作回路，組成了性能優越、可靠性高、操作方便的水輪機調速器電氣控制系統。圖2為PCC2003水輪機調速器電氣系統配置圖。

圖2 PCC2003水輪機調速器電氣系統配置

PCC2003調節器采用雙通道配置，A和B通道完全獨立，互為冗余。每個調節器的配置如下：1個CPU模塊CP476、1個混合模塊CM211（提供8路開關量輸人和輸出、2路模擬量輸入和輸出）、1個16路開關量輸入輸出模塊DI465、1個模擬量模塊AI354。CPU模塊CP476的編程口為RS-232接口，可以利用串行通信幀驅動器對該通信口進行編程，實現PCC與顯示器之間的通信；同時，CP476還提供一個遠距離網絡通信用的CAN現場總線接口。

2 PCC的技術特點

2.1 分時多任務操作系統

PCC區別于其他常規PLC的最大特點是它的分時多任務操作系統。與常規PLC采用的單任務時鐘掃描方式不同，采用分時多任務操作系統，應用程序的運行周期由操作系統的循環周期來決定，而與程序的長短無關，由此，它將應用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區別開來，滿足了實時控制的要求。同時，根據各程序的數據大小，這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求任意修改。配合PCC的TPU功能，可以將實時性要求較高的頻率測量置于高速任務中，一般為3ms；對于那些實時性要求一般的程序則置于較低速度的任務中運行，一般為10ms；對外輸出的報警信號、上位機通訊則可以置于50ms的任務中。這樣，應用程序的運行周期由操作系統中各任務的循環周期決定，它將應用程序的掃描周期與真正外部的控制周期相區別，滿足了實時控制的要求。此外，PCC支持高級語言編程，BASIC語言、C語言是最主要的編程手段，不僅減輕了設計工作量，減少了程序出錯率，且程序易于閱讀、修改和完善；同時，PCC還支持常用的梯形圖編程。

2.2 測頻環節

測頻環節是水輪機調速器最重要的前置環節，是調節器的計算基礎，一旦出錯或故障，調速器自動通道就無法進行正常的工作。

PCC本體的開關量輸入接口中有3個通道具有TPU功能，用來處理測頻。它可以同時測量3路頻率，即機組頻率2路和電網頻率1路。包括機組殘壓測頻主通道一路，機組齒盤測頻通道一路，電網殘壓測頻通道一路。

PCC采用調節器內部時鐘，外加中斷直接測頻的方式。對應于3路專用測頻通道，PCC有專用的測頻語句。更重要的一點是，PCC中攜帶有測頻程序的專用功能塊。只需要將頻率的數字方波信號接入測頻通道端口，然后按照規范稍作軟件上的通道設置，通過調用測頻功能塊和運行測頻程序，就可以獲得頻率的數值。接口功能板可以對機頻PT和網頻PT信號、齒盤信號進行變壓器隔離、方波整形、電平轉換、光電隔離等處理，輸出方波信號去PCC模塊用于頻率測量。

2.3 通訊

PCC提供了串行通訊幀驅動器（Frame Drive），它允許編寫串口通訊規約，方便不同產品、不同通訊協議之間的互聯。這大大方便了同電站監控系統的相互通訊，實時、準確的上送調速器系統的運行狀態信號。

3 水輪機調速器黃河龍口水電站的應用

在黃河龍口水電站投入運行5套，運行已經超過6年，在運行過程中，逐步對PCC水輪機調速器的調節性能進行總結分析。

龍口水電站1#機組調速器設備投產時的空載擾動試驗，空載頻率擾動-4HZ，頻率從52Hz至48Hz，最小值46.94Hz，超調量為26.4%；空載頻率擾動+4HZ，頻率從48Hz至52Hz，最大值52.56Hz，超調量為14%。可見系統調節品質滿足國標要求。

圖3 開機過程及甩負荷過程

上圖為龍口水電站3#機組自動開機及甩負荷錄錄波圖，機組轉速從0到50HZ上升過程中，導葉調節平穩，轉速無超調，穩定性很好，便于機組快速并網。甩負荷時，轉速上升后很快穩定。可以說，甩負荷過程控制非常理想。

4 結語

龍口水電站調速系統選擇PCC作為機組調速器的核心，借助PCC模塊的高可靠性、32位機、TPU功能、軟硬件功能化和模塊化、分時多任務操作系統的特點和編程語言的優點，充分滿足了機組調速器對可靠性和實時性的要求。

參考文獻：

[1]齊蓉.可編程計算機控制器原理及應用.西安：西北工業 大學出版社，2002.

[2]潘熙和，周國斌.水輪機可編程調速器若干問題研究.長江科學院院報，2001.

[3]潘熙和，張祖貴，黃業華.PLC與PCC勵磁調節器的研究與實現.人民長江，2003.

[4]南海鵬.水輪發電機組PCC控制.西安：西北工業大學出版社，2002.

[5]潘熙和，嚴國強.可編程計算機控制器在水電站機組控制中的應用.中國水電控制設備論壇，2007.