基于PCC數字控制器的龍灘水電廠調速系統改造

王雨生

（龍灘水力發電廠，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立式混流水輪發電機，位于廣西天峨縣境內。電站調速器機械液壓系統全部由東方電機控制公司按照聯合設計的要求設計和制造，調速系統電氣部分由法國ALSTOM公司提供。

龍灘調速系統由調速器電氣控制部分（數字式雙冗余微機調節器、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、控制柜和相應的自動化元器件等）、調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、分段關閉閥、事故配壓閥等）3大部分組成（圖 1）。

圖1 調速系統結構關系圖

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

圖2 調速系統結構框圖

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：負責速度調節和負載/頻率控制，通過過程測量信號來產生電液轉換器位置設定值。

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 龍灘水電廠調速器存在的問題

龍灘電廠原有的調速系統投產以來，雖然整體運行穩定，在運行中主要存在以下幾個方面的現象：

（1）機組在正常運行中頻報“調速器TSLG備用通道小故障/復歸”信息，帶固定負荷運行，系統未發生任何擾動；

（2）主通道在停機狀態下有功、轉速、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、轉速輸出仍異常，確認主通道的相關輸出出現故障，備用通道UPC轉速、有功輸出異常，有功值有跳變現象，斷開有功變送器到備用通道UPC回路故障無法消除；

（3）機組調速器電氣柜有功功率表及轉速表有較大幅度的擺動。

經檢查分析，調速系統主控制模塊（UPC和SPC模塊）輸入輸出接口出現損壞，由于控制模塊（UPC和SPC模塊）為一體化集成模塊，在現場無法修復，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，廠家分析為設計缺陷，但維修后的模塊使用一段時間后還是發生類似故障，問題一直沒有徹底解決。

調速器電氣柜的控制系統主要存在的問題：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象，損壞的頻次多；主控制模塊（UPC和SPC模塊）損壞在現場無法維修，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。以上存在的問題嚴重影響機組的安全穩定運行，隨著設備老化，故障率會更高，因此，必須逐步對進口調速器電氣部分進行改造，以保證機組安全穩定運行。

3 調速器技術改造方式及特點

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，更換新型調速器電氣柜，即采用HGS-E412型調速器電氣柜（圖3）。

HGS-E412型調速器電氣柜以PCC數字控制器為硬件核心，輔以雙路大功率開關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、互為備用的數字控制器A和數字控制器B。該電氣柜具有良好的全中文界面和在線幫助系統，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數字控制器構成冗余雙通道系統；

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；

1套開關、按鈕及其他附件。

圖3 調速系統結構框圖

3.2 PCC X20的技術特點

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速器電氣部分調節的穩定性和速動性要求，特點如下：

（1）系統響應速度快。采用帶浮點協處理器的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顯示功能。

（2）采用分時多任務實時操作系統。用戶可將整個任務分解成具有不同優先權的多個子任務，在進行編程時，運行過程中保持優先權高的任務先運行；剩余的時間才執行優先權低的任務，這一特點使得控制器在執行工業現場實時控制中具有高級任務優先的特點。

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

（4）采用分布式底板設計和導軌安裝方式，接線簡單、結構精密且易于裝卸，選件靈活、擴展方便。

（5）數字量輸入/輸出（DI/DO）接口均采用光電耦合隔離技術，模擬量輸入均經過濾波、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，大大提高系統可靠性。

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

3.3 改造后控制系統功能

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

（2）具有強大的通訊功能和多個通訊接口，能以以太網或總線通訊方式與電站計算機監控系統進行通信，通訊方式可通過軟件配置完成。同時HGS-E412型調速器還具有CPU及I/O模塊的自我診斷功能等優點，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模塊內部硬件檢查回路直接獲得，不必經過軟件處理，使冗余切換準確而快速。

（3）信號的預處理如開關量的去抖動、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限管理功能使得用戶可在線顯示或修改調速器控制系統的各種配置參數和運行參數，自行選擇調速器運行狀態及信息顯示內容。

（5）控制系統集成性能測試系統，可實現調速器接力器開/關機時間測試、調速器系統靜態特性和各種動態特性測試、調速器隨動系統調整與測試等，極大簡化系統現場調試及維護工作，易于調速器的使用與維護。

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

4 結束語

龍灘水電廠調速系統改造投運以來，機組開停機正常，運行穩定，負荷調節正常，一次調頻功能正常。

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