水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的發(fā)展和應(yīng)用探討

曾春香

（湖南，邵東 422800）

水輪機(jī)調(diào)速器是水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分，它與水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行有著密切的關(guān)系。水輪發(fā)電機(jī)組的控制任務(wù)主要是保持頻率和電壓兩個參數(shù)穩(wěn)定，頻率控制是通過控制發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的，而轉(zhuǎn)速控制正是由水輪機(jī)調(diào)速器完成的；電壓控制則由發(fā)動機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器來完成。水輪機(jī)調(diào)速器經(jīng)歷了機(jī)械液壓調(diào)速器、模擬式電液調(diào)速器、微機(jī)調(diào)速器的發(fā)展。電液調(diào)速器比機(jī)械液壓調(diào)速器精度高、更靈敏，而且制造成本較低，所以獲得了廣泛應(yīng)用，但隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，模擬式電液調(diào)速器也在被微機(jī)調(diào)速器所取代，因此本文主要探討微機(jī)調(diào)速器的發(fā)展和應(yīng)用。

1 微機(jī)調(diào)速器的類型、發(fā)展和控制技術(shù)

1.1 微機(jī)調(diào)速器的主要類型和發(fā)展變化

在20世紀(jì)80年代我國開始研發(fā)微機(jī)調(diào)速器并將其應(yīng)用于水電站，研究起點(diǎn)與國外幾乎同步。從研究角度上看，我國微機(jī)調(diào)速器與國際先進(jìn)水平的差距并不大，但由于基礎(chǔ)工業(yè)相對薄弱，在元器件質(zhì)量、制造工藝、工業(yè)保證體系方面與國外仍有差距。微機(jī)調(diào)速器硬件方面經(jīng)歷了單板機(jī)到單片機(jī)、可編程控制器（PLC）和工業(yè)控制機(jī)（IPC），再到可編程計(jì)算機(jī)（PCC）的過程；開發(fā)環(huán)境則由機(jī)器碼、匯編語言、高級語言發(fā)展到圖形界面開發(fā)平臺。微機(jī)調(diào)速器在發(fā)展過程中形成了三種比較典型的調(diào)速器即雙微機(jī)調(diào)速器、PLC調(diào)速器和PCC調(diào)速器[1]。

雙微機(jī)調(diào)速器是20世紀(jì)90年代大批量生產(chǎn)并投入應(yīng)用的。控制采用兩套模塊，其中一套為主機(jī)，另一套為輔機(jī)，兩套互為熱備用。主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可切換到輔機(jī)。由于兩套模塊互備用，提高了系統(tǒng)的可靠性。雙微機(jī)調(diào)速器主要問題是：插件接觸不良、死機(jī)頻繁、板件加工工藝較差。當(dāng)然，市場產(chǎn)品良莠不齊，也有些專業(yè)生產(chǎn)廠家的32位雙微機(jī)調(diào)速器，其質(zhì)量可靠性幾乎與PLC、PCC相當(dāng)。

PLC調(diào)速器由中央處理器（CPU）、隨機(jī)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(zhí)行邏輯功能和數(shù)字計(jì)算的控制裝置。早期的一些PLC采用繼電器進(jìn)行邏輯控制，目前大多采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。ROM用于存放系統(tǒng)監(jiān)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(yōu)點(diǎn)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(nèi)部穩(wěn)定的時(shí)鐘，而利用外部時(shí)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(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的高級算法。

PCC兼具PLC和IPC的功能，前者易擴(kuò)展、可靠性高；后者運(yùn)算能力強(qiáng)、編程方便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。PCC硬件方面采用插拔式模塊結(jié)構(gòu)；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(kuò)展能力、運(yùn)算能力都非常強(qiáng)。支持32位或64位多個CPU同時(shí)運(yùn)行，還具有高速智能處理器TPU，因此具有執(zhí)行多任務(wù)的優(yōu)點(diǎn)。控制理念完全不同于PLC，編程控制器直接面向過程，而且程序運(yùn)行不必掃描所有程序，運(yùn)行效率和可靠性都非常高。采用高速計(jì)數(shù)模塊（HSC）測頻，計(jì)數(shù)測頻可達(dá)6MHz以上，測頻精度和實(shí)時(shí)性都非常好。

1.2 微機(jī)調(diào)速器控制技術(shù)的發(fā)展

微機(jī)調(diào)速器與其他調(diào)速器的一個本質(zhì)上的區(qū)別是微機(jī)可實(shí)現(xiàn)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(jī)的調(diào)速控制技術(shù)也在不斷發(fā)展和變化。常用的控制技術(shù)有：（1）PID控制技術(shù)。PID即比例（P）、積分（I）、微分（D）的線性組合。出現(xiàn)偏差時(shí)，先以比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；偏差趨于穩(wěn)定時(shí)，采用積分環(huán)節(jié)消除靜差；系統(tǒng)存在擾動因素時(shí)，微分環(huán)節(jié)可以發(fā)揮較大的作用。由于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)本身是非線性系統(tǒng)，常規(guī)PID無法解決穩(wěn)定性與精確性的矛盾，所以產(chǎn)生了許多基于PID改進(jìn)的策略。（2）自適應(yīng)控制。這是一種基于被控對象及其環(huán)境改變而實(shí)時(shí)改變控制方式及其參數(shù)的策略。然而，控制的穩(wěn)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(jī)調(diào)節(jié)領(lǐng)域的專家經(jīng)驗(yàn)建模，不需要很強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，智能地處理各種調(diào)節(jié)需求。比較典型的控制方法有模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法控制。（4）魯棒控制。水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)控系統(tǒng)既是非線性、時(shí)變、非最小相位的系統(tǒng)，同時(shí)又與各電站的水、機(jī)、電等個性因素有關(guān)，調(diào)節(jié)特性極為復(fù)雜。魯棒控制采用的方式與前面幾種不同，不以直接反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而是建立一個可以適應(yīng)整個工域內(nèi)各種變化的模式，簡言之即“不變應(yīng)萬變”。但目前魯棒控制仍有局限，不具備調(diào)差和消除靜差的功能，不適合穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等。

圖1 數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 微機(jī)調(diào)速器在水輪發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用

2.1 PCC步進(jìn)調(diào)速器的應(yīng)用

目前，中小型水電站主要采用單片機(jī)、IPC、PLC三種類型微機(jī)調(diào)速器，所配電液隨動系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性與微機(jī)調(diào)速器不相協(xié)調(diào)，主要是電液伺服閥運(yùn)行過程中易堵、發(fā)卡，對油質(zhì)要求高，而且滲漏問題也沒有得到解決，選擇PCC步進(jìn)調(diào)速器可有效解決這些問題。

PCC調(diào)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(shù)字混合模塊用DM438；人機(jī)接口可用P120。液壓隨動系統(tǒng)采用兩級電液隨動系統(tǒng)，并在第一級液壓系統(tǒng)中以步進(jìn)電機(jī)取代電液伺服閥以克服發(fā)卡失靈問題。

PCC調(diào)速器的軟件采用多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)，調(diào)速器軟件結(jié)構(gòu)劃分5個模塊，測頻軟件利用調(diào)速器內(nèi)置TPU模塊，計(jì)數(shù)頻率達(dá)到4MHz以上。編程可采用AS類的C語言。

2.2 采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字調(diào)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(biāo)準(zhǔn)，因其良好的擴(kuò)展性和體系結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已擴(kuò)展到水電站監(jiān)控、發(fā)電信息交換以及變電站與調(diào)度中心、其他變電站之間的通信控制。隨著IEC61850的不斷發(fā)展和完善，其正成為智能水電廠建設(shè)的基石。

基于IEC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，將不同功能分布在各個智能電子設(shè)備（IDE）中，并通過站控層、間隔層、過程層與電站其他設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息共享和互操作，可減少重復(fù)投資。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器、智能液壓伺服系統(tǒng)等采用冗余方式，兩套互為備用，具多重容錯功能，系統(tǒng)可靠性高。

結(jié)語

水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)集水、機(jī)、電于一體，其調(diào)節(jié)過程極為復(fù)雜，而且水輪機(jī)調(diào)速器發(fā)展至今也絕不僅限于調(diào)速一項(xiàng)功能，無論是硬件還是建立在軟件基礎(chǔ)上的控制策略都在不斷發(fā)展，作為水電技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)經(jīng)常關(guān)注其最新發(fā)展成果并加以利用。

[1]蔡曉峰，張新龍，張雷.雙微機(jī)、淺談中國水輪機(jī)調(diào)速器電氣控制器的發(fā)展[J].水力發(fā)電，2010.

[2]高慶敏，王利平，孟繁為.現(xiàn)代水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速策略的發(fā)展 [J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011.

[3]戴宗泉.基于PCC的步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器軟硬件系統(tǒng)分析[J].中國水能及電氣化，2012.

[4]陳啟明，呂桂林.基于IEC61850的數(shù)字化水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的探討[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2011.