基于PCC數(shù)字控制器的龍灘水電廠調(diào)速系統(tǒng)改造

王雨生

（龍灘水力發(fā)電廠，廣西 天峨 547300）

1 引言

龍灘水電站一期裝機為7×700 MW，采用單機容量700 MW立式混流水輪發(fā)電機，位于廣西天峨縣境內(nèi)。電站調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)全部由東方電機控制公司按照聯(lián)合設(shè)計的要求設(shè)計和制造，調(diào)速系統(tǒng)電氣部分由法國ALSTOM公司提供。

龍灘調(diào)速系統(tǒng)由調(diào)速器電氣控制部分（數(shù)字式雙冗余微機調(diào)節(jié)器、功率變送器、接力器位移傳感器、主配壓閥位移傳感器、電源模塊、液晶觸摸屏、轉(zhuǎn)速信號裝置等）、油壓裝置（包括壓力油罐、高壓氣罐、管路、閥門、壓油泵、過濾器、冷卻器、回油箱、自動補氣裝置、插裝閥組、漏油箱、漏油泵、控制柜和相應(yīng)的自動化元器件等）、調(diào)速器機械液壓控制部分（包括雙精濾油器、閥門、插裝閥組、雙比例伺服閥、主配壓閥、分段關(guān)閉閥、事故配壓閥等）3大部分組成（圖 1）。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

調(diào)速系統(tǒng)設(shè)置有主用和備用兩套電氣控制系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)采用同種類型的伺服比例閥分別根據(jù)相同的電氣控制信號進行動作，在自動回路之后同時設(shè)置一套獨立于伺服比例閥控制的機械手動控制回路；同時設(shè)置有事故配壓閥，以備在主配壓閥失靈的情況仍能關(guān)閉導(dǎo)葉（圖2）。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

TSLG有兩種類型獨立的模塊組成：

機組過程控制模塊（UPC）的功能：負責(zé)速度調(diào)節(jié)和負載/頻率控制，通過過程測量信號來產(chǎn)生電液轉(zhuǎn)換器位置設(shè)定值。

位置反饋模塊（SPC）的功能：對接力器的位置進行反饋（每個接力器有一個位置反饋）。

2 龍灘水電廠調(diào)速器存在的問題

龍灘電廠原有的調(diào)速系統(tǒng)投產(chǎn)以來，雖然整體運行穩(wěn)定，在運行中主要存在以下幾個方面的現(xiàn)象：

（1）機組在正常運行中頻報“調(diào)速器TSLG備用通道小故障/復(fù)歸”信息，帶固定負荷運行，系統(tǒng)未發(fā)生任何擾動；

（2）主通道在停機狀態(tài)下有功、轉(zhuǎn)速、開限輸出異常，重啟后有功輸出依然在跳變，斷開有功變送器到UPC的回路后，跳變情況消失，但開限、轉(zhuǎn)速輸出仍異常，確認(rèn)主通道的相關(guān)輸出出現(xiàn)故障，備用通道UPC轉(zhuǎn)速、有功輸出異常，有功值有跳變現(xiàn)象，斷開有功變送器到備用通道UPC回路故障無法消除；

（3）機組調(diào)速器電氣柜有功功率表及轉(zhuǎn)速表有較大幅度的擺動。

經(jīng)檢查分析，調(diào)速系統(tǒng)主控制模塊（UPC和SPC模塊）輸入輸出接口出現(xiàn)損壞，由于控制模塊（UPC和SPC模塊）為一體化集成模塊，在現(xiàn)場無法修復(fù)，更換損壞的模塊后正常。把更換下來損壞模塊寄回廠家維修，廠家分析為設(shè)計缺陷，但維修后的模塊使用一段時間后還是發(fā)生類似故障，問題一直沒有徹底解決。

調(diào)速器電氣柜的控制系統(tǒng)主要存在的問題：主控制模塊（UPC和SPC模塊）在5臺機組都存在不同程度的損壞現(xiàn)象，損壞的頻次多；主控制模塊（UPC和SPC模塊）損壞在現(xiàn)場無法維修，需寄回國外廠家進行整體維修，維修費用很高，時間長；主控制模塊為原裝進口產(chǎn)品，價格昂貴、采購周期長（6個月以上），不能保證損壞的模塊得到及時更換；主控制模塊輸入輸出沒有隔離裝置。以上存在的問題嚴(yán)重影響機組的安全穩(wěn)定運行，隨著設(shè)備老化，故障率會更高，因此，必須逐步對進口調(diào)速器電氣部分進行改造，以保證機組安全穩(wěn)定運行。

3 調(diào)速器技術(shù)改造方式及特點

3.1 改造方式

保持原有液壓部分、比例閥及電磁閥、油壓裝置的機械及電氣部分不變，更換新型調(diào)速器電氣柜，即采用HGS-E412型調(diào)速器電氣柜（圖3）。

HGS-E412型調(diào)速器電氣柜以PCC數(shù)字控制器為硬件核心，輔以雙路大功率開關(guān)電源和測頻接口模塊以及一套15”彩色液晶顯示觸摸屏，具有極高的可靠性。PCC數(shù)字控制器全部采用B&R公司的X20系列可編程計算機控制器硬件平臺，包括兩套完全獨立、互為備用的數(shù)字控制器A和數(shù)字控制器B。該電氣柜具有良好的全中文界面和在線幫助系統(tǒng)，以兩套互為熱備用的可編程控制計算機PCC（X20）為自動控制通道的硬件核心，并配以彩色液晶觸摸屏作為操作顯示接口，操作簡單方便。

主要配置包括：

2套PCC數(shù)字控制器構(gòu)成冗余雙通道系統(tǒng)；

2套頻率測量接口模塊；

2套伺服比例閥功放模塊；

2套功率變送器；

1套HMI人機界面（彩色液晶顯示器）；

2套廠用交直流雙路供電電源系統(tǒng)；

1套開關(guān)、按鈕及其他附件。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 PCC X20的技術(shù)特點

PCCX20是高性能可編程計算機控制器，有很強的分析計算能力，其外圍信號輸入輸出的巨大帶寬可滿足水電廠調(diào)速器電氣部分調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和速動性要求，特點如下：

（1）系統(tǒng)響應(yīng)速度快。采用帶浮點協(xié)處理器的32位Celeron 266 comp處理器，集成I/O處理器，并具有故障診斷和狀態(tài)顯示功能。

（2）采用分時多任務(wù)實時操作系統(tǒng)。用戶可將整個任務(wù)分解成具有不同優(yōu)先權(quán)的多個子任務(wù)，在進行編程時，運行過程中保持優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)先運行；剩余的時間才執(zhí)行優(yōu)先權(quán)低的任務(wù)，這一特點使得控制器在執(zhí)行工業(yè)現(xiàn)場實時控制中具有高級任務(wù)優(yōu)先的特點。

（3）支持編程語言高級化、多樣化，使得解決復(fù)雜的控制任務(wù)編程時的多語言整合工作更方便、高效。

（4）采用分布式底板設(shè)計和導(dǎo)軌安裝方式，接線簡單、結(jié)構(gòu)精密且易于裝卸，選件靈活、擴展方便。

（5）數(shù)字量輸入/輸出（DI/DO）接口均采用光電耦合隔離技術(shù)，模擬量輸入均經(jīng)過濾波、隔離處理，故能有效抑制外部干擾源對硬件 電路的影響，具有完善的故障診斷（如信號斷線或信號越限等）檢測措施，大大提高系統(tǒng)可靠性。

（6）智能化開發(fā)環(huán)境。計算機控制器的開發(fā)環(huán)境，不但包括豐富的功能庫，其自身還有強大的自診斷、監(jiān)控及在線幫助功能。

3.3 改造后控制系統(tǒng)功能

（1）采用交叉冗余技術(shù)。調(diào)速器的兩套平行控制通道設(shè)為主備用通道，均可獲得冗余的信號輸入并控制冗余的模塊，當(dāng)認(rèn)定的主用控制通道故障時，將實現(xiàn)自動切換通道功能。

（2）具有強大的通訊功能和多個通訊接口，能以以太網(wǎng)或總線通訊方式與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，通訊方式可通過軟件配置完成。同時HGS-E412型調(diào)速器還具有CPU及I/O模塊的自我診斷功能等優(yōu)點，對于模塊自身故障可實時診斷并送出信號；對于外圍傳感器信號，可通過I/O模塊內(nèi)部硬件檢查回路直接獲得，不必經(jīng)過軟件處理，使冗余切換準(zhǔn)確而快速。

（3）信號的預(yù)處理如開關(guān)量的去抖動、模擬量的線性折算及有效性判斷等，都是在輸入輸出板上完成的，無需占用CPU處理器的資源。

（4）全中文圖形操作界面和多級操作權(quán)限管理功能使得用戶可在線顯示或修改調(diào)速器控制系統(tǒng)的各種配置參數(shù)和運行參數(shù)，自行選擇調(diào)速器運行狀態(tài)及信息顯示內(nèi)容。

（5）控制系統(tǒng)集成性能測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)調(diào)速器接力器開/關(guān)機時間測試、調(diào)速器系統(tǒng)靜態(tài)特性和各種動態(tài)特性測試、調(diào)速器隨動系統(tǒng)調(diào)整與測試等，極大簡化系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試及維護工作，易于調(diào)速器的使用與維護。

（6）控制系統(tǒng)具有各種操作及故障事件記錄和信號錄波功能，可以有效的對系統(tǒng)故障進行分析和查找。

4 結(jié)束語

龍灘水電廠調(diào)速系統(tǒng)改造投運以來，機組開停機正常，運行穩(wěn)定，負荷調(diào)節(jié)正常，一次調(diào)頻功能正常。

運行證明，基于可編程計算機控制技術(shù)PCCX20作為核心部件的龍灘水電廠機組調(diào)速系統(tǒng)電氣控制部分，具有運算功能強大、可靠性高、響應(yīng)速度快、良好的人機界面和調(diào)試維護簡單等特點，各項試驗指標(biāo)和運行情況證明，國產(chǎn)HGS-E412型調(diào)速器完全滿足龍灘水電廠巨型水輪發(fā)電機組的運行要求。