摘要：介绍了水轮机数字调速器系统在黄河龙口水电站的应用，主要阐述了PCC比例数字式冗余可编程微机调速器系统配置、系统性能特点及现场运行情况。
关键词：可编程计算机控制器；水轮机调速器
PCC（Programmable Computer Controller）也称可编程计算机控制器。由奥地利B&R公司生产的PCC，集成了PLC和IPC的优势，既有PLC的高可靠性、易扩展性，又有IPC的分时多任务操作系统功能，运算能力强、实时性好、编程方便，同时PCC的CPU模块有独特的时间处理单元（TPU），可以在不增加主CPU负荷的前提下很好的解决水轮机调速器的频率测量问题，所以近年来在水轮机调速器领域得到了大量应用（见文献[1]）。
黄河龙口水电站位于山西省河曲县与内蒙古自治区准格尔旗交界处。电站装机容量420MW，装机5台，其中四台机组单机容量100MW，一台机组单机容量20MW，水轮机组调速系统采用长控所生产的WDT型双微机调速系统。微机调节器部分以B&R公司的PCC2003控制器为核心，机械液压部分以BOSCH公司的比例伺服阀作为电液转换单元，美国GE公司的FC20000阀为主配压阀，电源、控制模块、传感器、电液转换等均采用了双冗余配置，整个系统的硬件配置不仅性能卓越，且可靠性极高。
1 PCC水轮机调速器
1.1PCC水轮机调速器基本原理
随着现代水轮机微机调速器的不断发展，出现了很多工作原理和系统结构各异的机械液压系统。WDT型调速器主要特点是采用电液比例阀作为电液转换组件、采用电气反馈的机械液压随动系统。
1.2 PCC水轮机调速器的配置
水轮机调节器采用奥地利贝加莱公司的B&R 2003系列可编程计算机控制器CP476为硬件核心，配以电源系统、信号处理模块、人机界面、接力器位移传感器、继电器操作回路，组成了性能优越、可靠性高、操作方便的水轮机调速器电气控制系统。图2为PCC2003水轮机调速器电气系统配置图。
图2 PCC2003水轮机调速器电气系统配置
PCC2003调节器采用双通道配置，A和B通道完全独立，互为冗余。每个调节器的配置如下：1个CPU模块CP476、1个混合模块CM211（提供8路开关量输人和输出、2路模拟量输入和输出）、1个16路开关量输入输出模块DI465、1个模拟量模块AI354。CPU模块CP476的编程口为RS-232接口，可以利用串行通信帧驱动器对该通信口进行编程，实现PCC与显示器之间的通信；同时，CP476还提供一个远距离网络通信用的CAN现场总线接口。
2 PCC的技术特点
2.1 分时多任务操作系统
PCC区别于其他常规PLC的最大特点是它的分时多任务操作系统。与常规PLC采用的单任务时钟扫描方式不同，采用分时多任务操作系统，应用程序的运行周期由操作系统的循环周期来决定，而与程序的长短无关，由此，它将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。同时，根据各程序的数据大小，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求任意修改。配合PCC的TPU功能，可以将实时性要求较高的频率测量置于高速任务中，一般为3ms；对于那些实时性要求一般的程序则置于较低速度的任务中运行，一般为10ms；对外输出的报警信号、上位机通讯则可以置于50ms的任务中。这样，应用程序的运行周期由操作系统中各任务的循环周期决定，它将应用程序的扫描周期与真正外部的控制周期相区别，满足了实时控制的要求。此外，PCC支持高级语言编程，BASIC语言、C语言是最主要的编程手段，不仅减轻了设计工作量，减少了程序出错率，且程序易于阅读、修改和完善；同时，PCC还支持常用的梯形图编程。
2.2 测频环节
测频环节是水轮机调速器最重要的前置环节，是调节器的计算基础，一旦出错或故障，调速器自动通道就无法进行正常的工作。
PCC本体的开关量输入接口中有3个通道具有TPU功能，用来处理测频。它可以同时测量3路频率，即机组频率2路和电网频率1路。包括机组残压测频主通道一路，机组齿盘测频通道一路，电网残压测频通道一路。
PCC采用调节器内部时钟，外加中断直接测频的方式。对应于3路专用测频通道，PCC有专用的测频语句。更重要的一点是，PCC中携带有测频程序的专用功能块。只需要将频率的数字方波信号接入测频通道端口，然后按照规范稍作软件上的通道设置，通过调用测频功能块和运行测频程序，就可以获得频率的数值。接口功能板可以对机频PT和网频PT信号、齿盘信号进行变压器隔离、方波整形、电平转换、光电隔离等处理，输出方波信号去PCC模块用于频率测量。
2.3 通讯
PCC提供了串行通讯帧驱动器（Frame Drive），它允许编写串口通讯规约，方便不同产品、不同通讯协议之间的互联。这大大方便了同电站监控系统的相互通讯，实时、准确的上送调速器系统的运行状态信号。
3 水轮机调速器黄河龙口水电站的应用
在黄河龙口水电站投入运行5套，运行已经超过6年，在运行过程中，逐步对PCC水轮机调速器的调节性能进行总结分析。
龙口水电站1#机组调速器设备投产时的空载扰动试验，空载频率扰动-4HZ，频率从52Hz至48Hz，最小值46.94Hz，超调量为26.4%；空载频率扰动+4HZ，频率从48Hz至52Hz，最大值52.56Hz，超调量为14%。可见系统调节品质满足国标要求。
图3 开机过程及甩负荷过程
上图为龙口水电站3#机组自动开机及甩负荷录录波图，机组转速从0到50HZ上升过程中，导叶调节平稳，转速无超调，稳定性很好，便于机组快速并网。甩负荷时，转速上升后很快稳定。可以说，甩负荷过程控制非常理想。
4 结语
龙口水电站调速系统选择PCC作为机组调速器的核心，借助PCC模块的高可靠性、32位机、TPU功能、软硬件功能化和模块化、分时多任务操作系统的特点和编程语言的优点，充分满足了机组调速器对可靠性和实时性的要求。
参考文献：
[1]齐蓉．可编程计算机控制器原理及应用．西安：西北工业 大学出版社，2002．
[2]潘熙和，周国斌．水轮机可编程调速器若干问题研究．长江科学院院报，2001．
[3]潘熙和，张祖贵，黄业华．PLC与PCC励磁调节器的研究与实现．人民长江，2003．
[4]南海鹏．水轮发电机组PCC控制．西安：西北工业大学出版社，2002．
[5]潘熙和，严国强．可编程计算机控制器在水电站机组控制中的应用．中国水电控制设备论坛，2007．
论文作者:时宏艳1,张茂盛2
论文发表刊物:《基层建设》2015年12期
论文发表时间:2016/11/16
标签：调速器论文; 水轮机论文; 龙口论文; 机组论文; 可编程论文; 水电站论文; 频率论文; 《基层建设》2015年12期论文;