我國水輪機調速技術創新回顧與學科前景展望

潘熙和，王麗娟

(長江科學院長江控制設備研究所，武漢 430010)

我國水輪機調速器行業開始于20世紀50年代，目前處于迅速發展階段。正值長江科學院建院60周年之際，回顧學科的技術創新歷程，展望不斷發展的未來，希望能對學科建設起到承上啟下、推動技術進步的作用。

近10多年來，我國水輪機調速器行業廣泛運用計算機技術、現代控制理論和現代液壓技術的新成果，大量吸收工控行業先進成熟的技術成果和經驗。各專業制造公司和科研單位極大地發揮工程技術人員的創造性，不斷推出調速器新品種，使我國水輪機調節技術取得了巨大的進步，產品整體技術水平達到了國際先進水平，完全滿足我國水電能源發展和水電站自動化控制的要求。

目前，除因為非技術因素的調速控制設備從國外采購外，混流式、軸流轉漿式、貫流式、沖擊式水輪機組所需配套的調速器都由國內生產。如2010年投運的三峽右岸電廠12臺機組的調速系統設備全部實現國內采購，標志著我國巨型水電機組及其輔助設備國產化取得重要進展［1］。

1 我國水輪機調速器技術發展歷程回顧

解放初期，我國水輪機調速器大部分產品從蘇聯購買，少量制造亦是照搬蘇聯圖紙生產。在20世紀50年代末，我國第一臺電子管電液調速器誕生，由當時的水利水電科學研究院、哈爾濱工業大學和哈爾濱電機廠等單位聯合研制，并安裝在廣東從化流溪河水電站運行;但20世紀50至60年代，我國的水輪機調速器大部分系機械液壓型調速器;至20世紀60年代中期，我國第一臺晶體管電液調速器誕生，由當時的水利水電科學研究院、天津電氣傳動設計研究所和長江水利委員會(原長江流域規劃辦公室)等單位聯合研制，并在湖北陸水試驗電站運行;20世紀70年代至80年代初，新建的大中型水電站較多地采用了電子管、晶體管或小規模集成電路電液調速器，此階段可算是機械液壓調速器與電氣液壓調速器并重。

20世紀80年代，隨著改革開放和電子技術的進步，國內相關科研單位、高等院校聯合制造部門，開始研制以微處理器為核心的微機調速器。如微機調節器以Z-80單板機、MIC-2000工控機以及自行研制的以8086CPU等等為硬件核心。采用適應式變參數PID調節模式、雙微機調節器的雙通道系統結構的微機調速器，其自動控制水平產生質的飛躍。以微處理器為核心的微機調速器成功地應用于葛洲壩、三門峽、巖灘、寶珠寺等水電廠。從此，水輪機調節系統進入微機調速階段，并與計算機工業的技術進步和發展同步。

因我國基礎工業水平的制約，與外國產品相比，整機硬件可靠性較低，性能一致性與長期運行的穩定性難以保證。20世紀90年代以來，各單位相繼開展了將工業可編程微機控制器(PLC)應用到調速器中的研究工作，開發出不同品牌的PLC微機調節器。由華中科技大學與相關單位合作開發的PLC微機調節器，首臺于1993年5月在歐陽海水電廠成功投運。目前，PLC可編程調速器已成為我國微機調速器的主導產品［2］。

21世紀的微機調速器，隨著可編程計算機控制器概念的提及，宜昌能達公司、武漢長江控制設備研究所、西安理工大學等單位相繼開發了貝加萊B＆R2003，B＆R2005和X20等系列的 PCC微機調速器，其測頻的精度、實時性、可靠性以及整機的性能指標和可靠性都得到了改善，不失為較為理想的水輪機調節器［3］。

隨著電子技術的更新發展，推動了水輪機調速器行業的發展。目前，機械液壓型調速器已被微機電液型調速器完全取代，很多依靠機械液壓來進行位置測量或反饋的環節，轉變為由電子元器件以電量形式完成。因國內調速器油環境不夠好而影響其可靠性，人們在電液轉換環節的研究中花了大功夫，電液伺服閥、比例閥、數字閥、控制電機(步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機)等作為電機轉換器的調速器在不同時期也為中國調速器的發展做出了貢獻。在水輪機調速器中廣泛采用電子技術、液壓技術和自控技術的最新技術成果，使現代水輪機調速器的面貌煥然一新，其可靠性和主要技術指標大為提高，控制功能不斷擴展和完善。這不僅適應了水電廠計算機監控的需要，而且為機組安全和經濟運行奠定了基礎。

2 我國水輪機調節技術和水輪機調速器技術創新成果

我國水輪機調節技術和水輪機調速器技術創新成果如下:

(1)大中型水輪機組的調速器基本上采用了微機調節器加電液隨動系統的經典結構模式，提高了調速器整機的靜態和動態技術性能指標。

(2)采用國際知名品牌的工業控制機(IPC)、可編程序控制器(PLC)或可編程計算機控制器(PCC)作調速器電氣柜硬件核心，使微機調速器電氣柜核心硬件的質量和可靠性達到了國際先進水平［4］。

(3)微機調速器充分發揮了微型計算機所具有的強大運算能力、記憶能力、邏輯判斷能力和通訊功能。目前，調節器與上位機通訊、頻率跟蹤、電氣開度限制、人工失靈區設置、故障診斷及處理為必備功能;大多數微機調速器還設有手自動無條件與無擾動切換、離線診斷與維護和計算機輔助試驗功能;除此以外，還可以實現事故數據記錄功能，防錯、容錯控制功能，死區和零點漂移的動態補償等先進功能［5］。

(4)采用觸摸式高分辨率的彩色顯示屏作人機交互界面，界面友善、內容豐實，便于實現對調速器的狀態監視、參數修改和試驗曲線顯示等［6］。

(5)電液轉換元件采用數控機床中成熟的步進電機、交流伺服電機和直流伺服電機作調速器的電機轉換器，構成了具有我國自主知識產權的用控制電機控制的水輪機微機調速器新品種。這類伺服電機控制調速器由于采用了無油結構的電機轉換器，解決了電液轉換環節的抗油污問題，特別適合油質清潔度難以保證的水電站使用。

(6)近年來，用伺服電機作為電機轉換器的技術不斷完善，實現了失電后自動復中的功能。這種具有自動復中功能的電機轉換器在電液隨動系統中直接與主配壓閥的引導閥連接，使系統結構簡化，提高了隨動系統的可靠性。其動態和靜態性能指標優越，機械液壓部分機構的簡潔程度不亞于采用比例閥和液壓集成式結構的調速器［7］。同時，這類電機轉換元件由于不存在液壓污染的卡阻故障，因而在調速器中取消防止電液轉換器失靈而設置的機械開度限制機構及其桿件系統是可行的。

(7)調速器工作油壓普遍提高，大型水輪機調速器已由2.5 MPa逐步提高到4.0 MPa和6.3 MPa;大部份中小型水輪機調速器已實現高壓化，即調速器工作油壓提高到14.0 ～16.0 MPa［8］。

(8)近些年來，調速器機械液壓控制元件大量采用工業標準液壓件，例如:采用電液比例閥作調速器電液轉換部件，采用邏輯插裝閥作油泵組合閥、分段關閉裝置、事故配壓閥等，采用模塊式結構設計，標準化程度大大提高，結束了水輪機調節技術長期游離于現代液壓技術之外而制約液壓新技術在調速器中應用的不正常局面。

(9)我國具有自主知識產權的水輪機調速器試驗用實時仿真系統研制成功并得到普遍應用，該仿真系統可以在調速系統生產的試驗室階段和現場蝸殼充水前對調速器進行全面檢查試驗。

(10)業界已制定和更新了十余種有關水輪機調速器的國家標準、行業標準，并積極參加國際電工委員關于水輪機調速器標準的制訂和討論工作，提出有價值的建議和意見，引起國際同行的關注，在技術標準上較好地實現了與國際接軌。

3 我國水輪機調速器主要制造廠家的設備特性情況介紹

武漢長江控制設備研究所研制的微機調速器，計算機部分采用PLC或PCC，電液轉換部分采用比例伺服閥(或數字閥)和控制電機(交流伺服電機、直流伺服電機、步進電機3種)2大類，它們分別以流量和位移輸出的方式直接控制主配壓閥，其系統結構皆為電液隨動系統結構(無機械反饋)［9］。

中國水利水電科學研究院生產的微機調速器以PLC/IPC為硬件平臺，采用液壓數字邏輯插裝技術或比例插裝技術，以快速開關閥和插裝閥等元件/組件分別代替電液轉換器和主配壓閥，系統無需D/A轉換，調節與控制無需由閥的“中間位置”來保證，具有靜態耗油量小、元件互換性好、集成化程度高等優點，且能實現液壓系統全面的容錯控制。

天津電氣傳動設計研究所生產的微機電液調速器采用以PLC為核心的調節器，步進電機-凸輪傳動裝置取代電液轉換器。這種不用油的電機轉換元件解決了過去電液轉換器抗油污能力差、易卡阻之弊病。

武漢三聯水電控制設備公司生產的微機調速器，大部分采用PLC步進缸構成電液隨動系統，少部分采用脈寬調制開關閥加主配結構的形式。

武漢事達電氣有限公司生產的微機調速器，均以PLC為核心，用步進電機螺紋伺服缸取代電液轉換器，構成新型電液隨動系統。

能達通用電氣公司生產的微機調速器，以PLC為核心，步進電機螺桿機構取代中間接力器，并配以機械液壓隨動系統。

電力自動化研究院的微機調速器，采用自制硬件構成的雙微機冗余系統，應用比例伺服閥和脈寬調制式電磁閥構成液壓容錯控制。

東方電機股份有限責任公司生產的微機調速器，采用雙工控機冗余系統，電液隨動系統中配用比例伺服閥，并設有液壓跟蹤手動控制閥供手動運行。

此外，我國中小型微機調速器的液壓系統除了傳統結構產品外，以武漢長江控制設備研究所為代表的企業還采用16 MPa的皮囊式蓄能器構成的高油壓液壓系統，減少了液壓放大環節，減小了尺寸且簡化了結構，同時還解決了調速器液壓系統中存在的油氣混合帶來的元件銹死、腐蝕、振動和氣蝕等問題［10］，為電站省去了調速器專用的高壓供氣系統及相應設備，體現了十分明顯的技術經濟優勢。

4 值得關注的問題

水輪機調節技術取得了長足的進步，微機調速器產品不斷推陳出新，出現了“百花齊放，百家爭鳴”的大好局面。針對當前微機調速器的發展方向和不同用戶對水輪機調速器提出的要求，我們認為亟待需要關注如下問題。

4.1 水輪機調速器各類執行標準的持續性及有效性

我國水輪機調速器行業的執行標準主要有國家標準、行業標準、企業標準及IEC國際標準等，長期以來指導和監查調速器的設計、生產和試驗、運行等過程。隨著水輪機調節技術的進步和大量引入工業計算機、液壓行業的先進技術，調速器產品不斷更新。因此，業界非常有必要定期修訂完善現有標準或根據實際需要制定新的標準，同時，應進一步強調在調速器的設計、生產和試驗、運行等過程中，嚴格貫徹執行，從而對該行業產品做到持續、有效的科學管理。在貫徹執行各類標準時，還應對測試技術和儀器設備予以足夠的重視，必要時投資配置相關測試設備，并積極開展測試技術方面的研制工作，有效地控制測量的準確度，保證產品質量的可靠性。如，目前各制造廠家的電磁兼容試驗均不具備相應的試驗設備。

4.2 電液轉換元件的選擇和應用

電液轉換元件是調速器中不可缺少的重要元件，其可靠性問題尤為突出，在水輪機調速器中得到相當高的重視。行業傳統的自制電液轉換器由于小批量生產的局限性和抗油污能力問題，已逐步轉成液壓行業通用的比例控制元件，如比例閥、比例伺服閥、數字閥等等。20世紀末，國內大多數調速器專業廠商開發出了具有自主知識產權的用伺服電機控制的微機調速器，即電液轉換元件采用無油結構的控制電機:電機轉換器。因此，電液轉換元件形成了電液轉換器和電機轉換器2大類，其中電液轉換器包括電液比例閥、比例伺服閥、數字閥等等;電機轉換器包括直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機等等，可謂品種繁多。

電液比例閥和比例伺服閥是液壓工業中的標準件，在液壓控制系統中得到廣泛應用，用作水輪機調速器電液隨動系統的電液轉換部件是十分適合的。在采用比例閥控制的調速器中，控制信息的傳遞和變換都是流量，可以實現無間隙的傳遞，極大地降低了死區，提高了反應的靈敏度，調速器整機靜動特性優良，這類調速器主要應用于大中型機組。用步進電機和伺服電機控制的調速器確實能適應油質清潔度較差的環境，而且可靠性高，使用和維護方便，動靜態指標都能滿足國家調速器技術標準的要求，深受廣大用戶歡迎［11］。

電液轉換器和電機轉換器2類電液轉換元件在調速器電液隨動系統中的作用一致的，但其結構形式和技術性能構成參數是有很大差異的。

4.3 電源和控制器的選擇

電源在調速器設備中處于非常重要的地位，其功率要求和電源電壓要求是有講究的。除廠用交、直流必須同時引入外，首先對廠用交流電必須進行隔離，變壓器必須保證有足夠的負載能力。為了設計簡單化，且對電源電壓要求不要太高，開關電源不宜用數字電源(5 V)等級，只用24 V一個電壓等級的電源。因為5 V的電源主要是為數字電路提供工作電源，電源工作范圍比較狹窄，如TTL芯片工作電源范圍是4.75～5.25 V;而24 V電壓等級的開關電源由于工作范圍較寬，正負1～2 V工作起來也沒有問題。因此，調速器接口設計電路(包括自制核心模板)等不考慮數字電路，只用24 V一個電壓等級的開關電源。

可供選擇的控制器有可靠性高的PLC和PCC等。目前有的PLC廠家非常關注水電市場，很了解PLC水輪機調速器的技術瓶頸是測頻的可靠性、精度和實時性，采用1 MHz(微秒基準)以上的內部時鐘來做基準，硬件上只需將24 V電平的測頻方波引入即可，測頻回路非常簡單，且有很好的性能價格比，所以PLC是調速器非常理想的控制器。

4.4 冗余控制的選擇

眾所周知，水輪機調速器調節與控制品質的優劣關系到水輪機調節系統的靜態和動態品質，調速器的運行狀況直接關系到電力系統的供電質量，大型或巨型機組調速器的可靠性甚至將直接影響到電網安全。為進一步提高調速器的可靠性，做到零故障，要求調速器對其故障率高的環節進行冗余控制，具有容錯功能。

從微機調速器的構成環節來看，主要有測頻環節、微機調節器、電液轉換部件(含電驅動)、液壓放大、位移傳感器、電源系統等。目前，微機調速器除液壓放大環節(大功率液壓放大器主配壓閥等)和人機界面觸摸屏不考慮冗余，其余環節均可實現冗余控制［12］。

從冗余的方案來看，有采用2套各環節完全相同的系統并列和交叉全面冗余，有采用局部某環節的主備冗余，也有采用局部非相同性能的主備冗余。從技術層面上講，并列和交叉的熱備冗余是非常理想、非常全面的冗余方式。對于這種方式只要整個調速器冗余系統沒有出現相同的2個故障點，熱備冗余工作便可繼續，應該說調速器的可靠性非常高，在巨型機組的調速器中建議使用。

值得注意的是，無論是哪種冗余方案，必須具備可靠的自檢、監視和裁決系統，一旦出現故障點，則應自動切換到備用通道，保證冗余系統各環節完好無缺，以便熱備系統進入待機狀態，同時上傳至監控系統。

4.5 油質管理問題

我國的調速器工作油環境不夠好，我們國家的調速器研發者盡管在提高電液轉換環節的可靠性上下了大功夫，但沒有取得大的進展。為了使調速器技術及產品與國際接軌，并從根本上提高水輪機調速器的技術水平，提高產品的可靠性，建議改善用油的清潔度，加強油質管理。

4.6 加強與主機廠協調，設計調速器新品種

目前調速器專業生產廠商開發的高油壓調速器，將接力器外置，可以降低調速器和主機造價，提高調速系統品質。建議組織主機廠與調速器專業廠聯合設計，并制定相互連接的標準。沖擊水輪機調速器與主機聯系也比較多，利用目前水輪機調節專業已取得的成果，與主機廠聯合，可以設計出更新更好的沖擊式水輪機調速器。

5 發展前景展望

通過廣大科研人員和工程技術人員的努力，我國水輪機調節技術取得了顯著的進步，獲得了一批具有國際先進水平的科研成果，創造了具有我國自主知識產權的微機調速器新產品，為水電建設提供了品種豐富、品質優良的水輪機控制設備，很好地滿足了迅速發展的水電建設事業的需求，有力地支持了電力工業生產［13］。

近10多年來，水輪機調節技術的發展主要表現在以下3個方面。

5.1 調速器高壓化問題

水輪機調速器是一個相對獨立的學科。近10余年來，隨著科學技術進步和先進液壓控制技術的應用，雖然大中型水輪機微機調速器的工作油壓已由最初的2.5，4.0 MPa逐步提高到了6.3 MPa，但油壓等級仍屬于中低壓范疇［14］。

中小型水輪機組調速器的工作油壓已經普遍提高到了16.0 MPa。由于工作油壓的提高，調速器油壓裝置和機械液壓執行元件及接力器的結構尺寸相應減小，設備體積大大減小，調速器更多更好地結合液壓工業技術、引入標準液壓元件、減少自制加工件的不穩定因素，從而降低制造成本和提供工作可靠性。

目前，高油壓技術在我國水輪機微機調速器的應用中已取得一定的成果，體現了十分明顯的技術經濟優勢，同時也積累了一定的經驗，為盡快在大型機組上實現高壓化奠定了良好的基礎。當然，高壓化在大型水輪機微機調速器上的應用，一方面調速器制造廠家仍有大量工作需深入，另一方面還有待得到水輪機制造廠的支持。

5.2 調速器的測試與試驗功能

對大型調速器而言，調速器內部最好具有調速器的現場測試與試驗功能:如靜特性測試、空載擺動值測試、模擬開停機等。在沒有仿真設備和機組不充水的情況下，調速器本體可完成自己的模擬功能試驗和靜態特性測試。

5.3 開發適合農村小水電的綜合自動化設備

2011年中央一號文件是新中國成立62年來中共中央首次全面部署水利工作。面對如此好的機遇，水利水電人任重道遠，大力開發農村小水電是重中之重。目前我國小型水電廠自動化水平仍然處于比較落后的狀態，國家從2002年開始，對單機容量大于1 000 kW的小型水電站要求采用計算機控制;對20世紀90年代以前建設的小電廠，按總體目標要求，做出更新改造規劃。我國小型水電廠自動化發展的總體目標是:2015年農村水電行業全面實現現代化，其中總裝機5 MW及以上的水電站，調速器、勵磁和廠內油、水、氣、閘門等設備應采用微機控制。

由此可見擺在我們面前的任務很多很重，希望有志于農村水電自動化的專業廠商制定切實可行的科研設計和實施方案，開發出有農村小水電特色的綜合自動化設備，為我國農村小水電自動化建設事業做出貢獻。

［1］吳應文.三峽電站水輪機調速器的關鍵技術及國產化問題初探［J］.長江科學院院報，2003，(3):53－55.(WU Ying-wen.Preliminary Research on Key Technologies and Problems of Using Domestic Turbine Governors for Three Gorges Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，(3):53－55.(in Chinese))

［2］潘熙和，周國斌.水輪機可編程調速器若干問題研究［J］.長江科學院院報，2001，(1):55－57.(PAN Xihe，ZHOU Guo-bin.Research on Some Problems of Programmable Turbine Governor［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2001，(1):55－57.(in Chinese))

［3］潘熙和，李昌梅，嚴國強，等.水輪機微機調速器測頻方式與測頻方法的探討與實踐［J］.水力發電，2009，(8):52－55.(PAN Xi-he，LI Chang-mei，YAN Guoqiang，et al.Discussion and Practice on Manner and Method of Frequency Measure for Turbine Microcomputer Governor［J］.Water Power，2009，(8):52－55.(in Chinese))

［4］潘熙和，嚴國強，孫立新.可編程計算機水輪機調速器研制及技術特點分析［J］.長江科學院院報，2003，(1):50－53.(PAN Xi-he，YAN Guo-qiang，SUN Lixin.Development of Programmable Computer Turbine Governor and Analysis to Its Technical Characteristic［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，(1):50－53.(in Chinese))

［5］趙彬彬，魏守平，常 黎.基于現場總線的全數字式水輪機調速器［J］.水電自動化與大壩監測，2004，(3):24－27.(ZHAO Bin-bin，WEI Shou-ping，CHANG Li.A Fieldbus-Based Digital Electro-Hydraulic Governor［J］.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2004，(3):24－27.(in Chinese))

［6］黃業華，蔡維由，潘熙和.用PPC機作為人機界面的水輪機微機調速器［J］.華東電力，2003，(8):75－77.(HUANG Ye-hua，CAI Wei-you，PAN Xi-he.Turbine Microcomputer Governor with PPC as Man-Machine Interface［J］.East China Electric Power，2003，(8):75－77.(in Chinese))

［7］王麗娟，周國斌，潘熙和，等.潮汐能發電站水輪機調速設備若干問題的探討［J］.水力發電，2009，(1):34－37.(WANG Li-juan，ZHOU Guo-bin，PAN Xi-he，et al.Discussions on Several Problems of Speed Governor System for Turbine of Tidal Power Plant［J］.Water Power，2009，(1):34－37.(in Chinese))

［8］賈寶良，潘熙和，吳應文，等.長控調速器技術發展與展望［J］.中國農村水電及電氣化，2006，(3):51－54.(JIA Bao-liang，PAN Xi-he，WU Ying-wen，et al.Development and Prospect of Governor Made by Wuhan Changjiang Control Equipment Research Institute［J］.Rural Hydropower and Electrification in China，2006，(3):51－54.(in Chinese))

［9］潘熙和，張建明，季筱湘，等.我國水輪機調速器技術發展與市場狀況分析［J］.長江科學院院報，2009，(9):88－90.(PAN Xi-he，ZHANG Jian-ming，JI Xiaoxiang，et al.Analysis on Technical Development and Market of Domestic Turbine Governor［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，(9):88－90.(in Chinese))

［10］郭建業，羅禹權，郭 恩.巨型水輪機調速器比例集成式電液隨動裝置［J］.長江科學院院報，2000，(2):48－50.(GUO Jian-ye，LUO Yu-quan，GUO En.Proportional Integrated Electro-Hydraulic Servo-Positioner Suitable for Giant Turbine Governor［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2000，(2):48－50.(in Chinese))

［11］王麗娟，吳應文，劉立祥，等.具有我國自主知識產權的電機控制類水輪機調速器［J］.中國水能及電氣化，2006，(6):62－65.(WANG Li-juan，WU Ying-wen，LIU Li-xiang，et al.The Electric Speed Governor of Hydraulic Turbine Provided with Intellectual Property Owned by Our Country［J］.China Waterpower＆ Electrification，2006，(6):62－65.(in Chinese))

［12］潘熙和，黃業華，畢東紅，等.水輪機調速器冗余方案探討與丹江口電站實踐［J］.電力系統自動化，2009，(21):104－107.(PAN Xi-he，HUANG Ye-hua，BI Dong-hong，et al.Discussion on Redundant Scheme for Turbine Governor and Practice on Danjiangkou Power Station［J］.Automation of Electric Power Systems，2009，(21):104－107.(in Chinese))

［13］潘熙和，賈寶良，吳應文.我國水輪機調速技術最新進展與展望［J］.長江科學院院報，2007，(5):79－83.(PAN Xi-he，JIA Bao-liang，WU Ying-wen.Progress and Prospect of Domestic Turbine Control Technology［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute ，2007，(5):79－83.(in Chinese))

［14］吳應文.水輪機微機調速器若干問題的探討［J］.水利機械技術，200l，(3):56－59.(WU Ying-wen.Discussion on Issues of Turbine Microcomputer Governor［J］.Water Conservancy Mechanical Technology，200l，(3):56－59.(in Chinese))