水電廠計算機監控系統功率調節的控制方式探討

【摘 要】對水電廠計算機監控系統功率調節的控制方式進行探討，提出了非常規控制方式。

【關鍵詞】計算機監控系統；功率調節；控制方式

1.水電廠計算機監控系統功率調節的功能

水電廠計算機監控系統的功率調節主要針對機組而言，是對機組發出的有功、無功功率進行調節控制，以使機組的有功、無功功率實發值保持在設定的范圍內，以確保電站發出的總有功、無功出力始終在調度下發的設定值或負荷曲線的允許范圍內。

功率調節功能可分為三個部分：

（1）調節功能：由機組LCU（計算機監控系統現地控制單元）采集功率實發值，并通過LCU主PLC程序計算出調節輸出脈寬來控制機組出力的增或減，通常水電廠計算機監控系統采用PID 調節原理進行計算。

（2）監視功能：在機組運行時，監視發電機出力是否在要求范圍之內，如果超出則需對機組進行調節，以恢復到設定值。

（3）調節保護：在機組功率調節過程中對機組的各項參數進行監視，防止機組在調節過程中出現異常，如果有問題出現，調節程序應退出或輸出閉鎖并做相應的報警。

2.水電廠計算機監控系統功率調節的常規控制方式

水電廠計算機監控系統的功率調節通常采用PID控制方式，PID調節是典型的工業閉環調節。這種控制方式的主角是LCU，且應用非常廣泛，由LCU采集到機組的有功、無功出力，繼而由LCU的主PLC程序，根據有功、無功的目標值和實發值進行PID運算，在每一個PID運算周期，輸出逐步遞減的脈寬信號，驅動相應的增、減有功、無功繼電器同步動作及復歸，而增、減有功、無功這4個繼電器，與調速器系統及勵磁系統的連接，采用硬接線的方式，為減少干擾及誤動，繼電器輸出接點，可采用兩付接點串行，硬接線可采用屏蔽、雙絞線，單獨敷設，并與高壓、高頻、大電流設備及其電纜保持安全距離。

3.水電廠計算機監控系統功率調節的非常規控制方式

目前，各大電網對各水電廠的有功、無功出力的品質要求日趨嚴格，電力調度系統的設備也日趨完善，對水電廠帶負荷的速率要求也越來越嚴格，如某電網對所轄水電廠帶有功功率的速率要求達到了80%額定負荷/分鐘。

水輪機有很大的慣性和滯后性，且水電廠水頭的變化也可能很頻繁，如果對有功負荷調節速率的要求很高，則監控系統的PID控制很難用一組或者幾組參數來實現，往往是參數調整完畢后，勉強達到要求，而數天后甚至數小時、數分鐘后，因為水頭的變化、調速器油壓及油溫的變化、調速器協聯曲線或調節參數不完善等因素，PID參數又不適應了，調節負荷時超調甚至震蕩嚴重，這樣就給計算機監控系統提出了新的難題。當然，提高調速器系統功率調節靈敏性、采用隨水頭變化調用多組PID參數、細化調速器協聯曲線和調節參數等等，還是可以解決此問題的。不過，水電廠無功功率的調節還是可以很容易地達到調度的要求，畢竟，勵磁系統的調節速率還是很快的。

不少專家提出了非常規的控制理念，即將有功功率的調節任務交由調速器來實現，監控系統只是下發有功設定值給調速器，減少了監控系統主動調節負荷這個中間環節，提高了功率調節的效率。不過，此控制理念很早就已出現，但卻常常作為調速器的一個基本功能，在工程招投標的時候提出來，很少使用，原因一是大家很難摒棄監控系統主動調節功率這一既成做法，二是擔心監控系統與調速器系統之間的聯絡容易受到干擾等不可靠的因素，造成功率調節誤動作，進而遭到調度考核，甚至引起危險，三是調速器系統采集的信號不如監控系統廣泛，防誤動作及保護閉鎖功能比較難實現。

本人近期對這種非常規的控制理念進行了研究，以有功調節為例，在此跟大家分享，以拋磚引玉。

首先，在監控系統上位機畫面中添加功率調節方式選擇，可以在監控系統常規PID控制方式和模出至調速器控制方式中進行選擇，默認常規控制方式。

監控系統增加模出信號至調速器系統，將監控系統的負荷設定值送至調速器，調速器系統增加模出信號至監控系統，將調速器系統收到的監控下發的負荷設定值返送給監控系統，同時也將調速器系統采集到的機組的功率實發值送給監控系統，兩側均采用4-20mA標準模擬量，模出電纜采用屏蔽、雙絞線，單獨敷設，并與高壓、高頻、大電流設備及其電纜保持安全距離。或采用監控與調速器雙方的通訊方式來傳送模擬量數據，通訊方式采用常規modbus規約，具體通訊細節雙方約定即可，通訊電纜要求同上，但以現地層modbus通訊方式來傳送控制信息，可靠性及安全性堪憂，因此不建議使用。

監控系統以繼電器輸出的方式來傳送控制切換信號，由硬接線送至調速器系統，同時，調速器系統也將其當前所處的狀態，即監控控制還是調速器控制，返送給監控系統。

接下來交由監控系統主PLC來完成，修改程序實現以下功能：

（1）監控系統切調速器控制方式后，監控系統下發新的功率設定值時，開始計時，三分鐘后（三分鐘也是監控系統PID控制的調節時間，超出即認為有故障存在，退出控制），如果實發值仍無法到達設定值，則認為有故障存在，監控系統將控制方式切回常規的監控PID控制方式，同時上位機進行報警。

（2）監控系統切調速器控制方式后，實時比較監控系統的功率設定值和調速器返送來的功率設定值，如果差值超出一定的范圍，經延時后仍無法恢復，則認為信號傳送有誤或調速器故障，監控系統將控制方式切回常規的監控PID控制方式，同時上位機進行報警。

（3）監控系統切調速器控制方式后，實時比較監控系統采集的功率實發值和調速器采集并送至監控側的功率實發值，如果差值超出一定的范圍，經延時后仍無法恢復，則認為信號傳送有誤或調速器故障，監控系統將控制方式切回常規的監控PID控制方式，同時上位機進行報警。

（4）監控系統切調速器控制方式時，如在一定時間內，調速器無法返送切換成功的信號即切換后的調速器控制方式信號，則認為信號傳送有誤或切換失敗，監控系統將控制方式切回常規的監控PID控制方式，同時上位機進行報警。

（5）監控系統切調速器控制方式后，實時對調速器系統返送的功率控制方式進行比較，如果不一致，則認為信號傳送有誤或調速器側進行了人為或保護性切換，監控系統將控制方式切回常規的監控PID控制方式，同時上位機進行報警。

此外，調速器控制方式值班時，如監控系統監測到調節過程中出現異常，由監控系統將控制權切回監控系統，接著進行退出保護或輸出閉鎖并做相應的報警。

4.綜述

本文針對水電廠計算機監控系統功率調節的特性，闡述了自己的觀點，通過工廠調試，證明此方案可行，安全性和穩定性大幅提高，可作為水電廠計算機監控系統功率調節方式的備用值班方式，同時，在調試中對發現的不足之處及時給予修正，使本方案實用性更強，安全穩定性更好，達到了設計要求和目的。