摘要：调速器是水轮机调节系统的重要组成部分，主要用来调节机组的转速及出力，它关乎着水轮发电机组的稳定运行。小峡水电站选用贝加莱X20系列PCC作为调速器的控制核心，本文结合电站实际应用，介绍了双冗余PCC控制电液式调速器在本电站中的应用，并通过仿真实验证明了该调速器具有良好的调节品质和性能指标，还说明了PCC控制器在水轮机调速器中的应用前景。
关键词：PCC 双冗余 电液式调速器 性能指标
前言
小峡水电站自投产以来4台机组全部采用步进式调速器控制系统。在十几年的运行过程中该款调速器性能可靠，运行稳定，基本满足小峡电站在西北电网中一次调频及水轮机调节系统并网运行的要求。
为保持电网的频率稳定，实现电网的综合优化，以求安全、质量及经济效益三者间的平衡统一，应充分发挥并网运行发电机组的一次调频能力，使并网运行机组能随时适应电网负荷和频率的变化，以保持电网频率变化在允许范围之内。随着电网对并网运行发电机组一次调频能力的不断完善和发展，对电站机组调速器系统的控制性能提出了更高的要求。步进式调速器控制系统在本电站运行年限较长，设备元器件有老化现象，调节性能较差，设备缺陷率增多，已无法满足电网对并网运行发电机组调节品质的要求，故于2016年11月至2017年3月对电站4台机组调速器控制系统进行技术改造，更换为南瑞SAFR-2000H系列双冗余PCC电液伺服式调速器。
1 PCC电液伺服式调速器概述
1.1调速器发展概述
水轮机调速器经历了机械液压式调速器、模拟式电液调速器以及微机电液调速器等阶段。电液式调速器比机械液压式调速器调节精度高，反应更为灵敏，制造成本也较低，一经推出就得到了广泛应用，随着微电子技术的快速发展，微机电液调速器以其高可靠性、简便性等特点已逐步取代了其他类型的电液调速器。
上世纪80年代初，我国率先研制成功双微机双通道调速器电气调节装置，在90年代进行了大规模生产并投入使用。受限于当时的技术发展水平，尽管双微机电气调节装置获得了很大成功，但随着市场保有量的不断增长，一些问题也随之暴露了出来，像制造工艺差、运行不稳定、工业保证体系跟不上等。
将可编程逻辑控制器（PLC）应用于调速器是在2000年左右。PLC主要由中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）及I/O接口等组成，可看做是一个执行逻辑功能和数字运算的工业控制装置，PLC的主要特点有:编程简单灵活、工作可靠、便于维护、能适应各种恶劣的现场环境等[1]。
双微机控制器、可编程逻辑控制器（PLC）以及可编程计算机控制器（PCC）是现代调速器具有代表性的三种控制器，用这三类控制器组成的电液调速器调节灵敏度高，运行可靠，转速死区小，速动性好，具有良好的调节品质。其中可编程计算机控制器（PCC）结合了PLC和IPC（工业控制机）的优点，是未来调速器电气调节装置的主流发展方向。
1.2 PCC控制器介绍
可编程计算机控制器（PCC）作为一个全新的概念于上世纪90年代中期在工控界提出，它融合了PLC和IPC的特点，既具有PLC的高可靠性和易扩展性，又有着IPC的强大数据运算、处理能力和较高的实时性及开放性，已成为当前工业控制器发展的新方向之一。
奥地利贝加莱（B&R）在2007年推出的X20系列PCC成为了高精度自动化和高可靠性过程自动化等复杂、灵活控制系统的通用选择。其在软、硬件方面的优势促使其作为控制系统核心的方案正逐渐成为工业自动化系统配置的一种新格局：
（1）模块式的插装结构，可带电插拔
（2）高性能、全开放、集成化的CPU
（3）CPU具有多处理器结构并配备了大容量存储单元
（4）实时多任务的操作系统
（5）配有多种专用模块和功能模块
（6）极高的系统响应速度
（7）强大的网络通信功能
（8）高可靠性
（9）可移植性强
（10）灵活的软件开发方式
（11）PCC具有高速计数模块，可实现内部测频，利用TPU模块可使测频精度达0.001Hz以上
1.3 电液调速器简述
SAFR-2000H系列电液调速器调节装置是应用现代控制理论与微电子技术相结合的一种新型调节控制器，是基于PCC和实时操作系统支持的水轮机调节器，适用于各类水轮发电机组的转速调节、有功功率调节的运行控制[2]。
1.3.1调速器电气柜的构成及作用
调速器电气柜主要由变压器（隔离变）、双重供电模块、开关电源模块、PCC（贝加莱X20）、智能切换继电器、信号综合模块、二极管对顶板及功率变送器等元器件构成，全部采用双冗余配置，且采用第三方智能切换单元作为仲裁判断。
调速器电气柜可实现机组实时监控、信息显示及操作和控制功能。其中触摸显示屏PCC-HMI采用全中文图形化界面，共由运行监控窗、状态报警窗、设置窗、信息窗、开关量、系统无水及有水试验等几部分组成。
调速器运行过程中的实时监控画面如图2所示
从运行监控窗上可以清楚的看到下位机与上位机的连接状态，机组当前所处的状态，调速器是否正常运行，当前机组的频率、机组有功、导桨叶开度、运行水头等信息。
1.3.2调速器液压操作柜的构成及作用
调速器液压操作柜主要由变压器（隔离变）、双重供电模块、开关电源模块、伺服阀功放模块及综合控制模块等构成。机械液压部分选用BOSCH公司的比例伺服阀作为电液转换单元，ZFL-125/S作为导叶、桨叶主配压阀。其中电源、控制模块、传感器等采用双冗余配置。
前面板可现实数字信息：机组频率、导叶开度、桨叶开度；指示灯有：导叶手动/自动状态、伺服阀切换、滤油器状态、锁锭状态、电源状态等。
2 双冗余方式的实现
2.1 回路及元器件的冗余配置
各电气元器件及回路均为双套配置，在一路事故情况下可切换至另一路工作。导、桨叶行程传感器为独立运行的两套，回路如有断线则另一路自动投入；发电机转速信号回路由三个测量原理不同的转速测量信号来实现，两套齿盘测速装置和残压测速[3]。
导叶在自动控制回路配备了双伺服比例阀，正常工作情况下伺服1在工作，一旦电气柜检测到伺服阀卡阻或综合模块失电便自动切换到伺服2，如两套伺服阀均故障，切纯手动回路同时报严重故障；桨叶只配置了一套比例伺服阀，一旦检测到卡阻或综合模块失电，切电手动运行同时报严重故障。
需要说明的是，一旦切至纯手动运行，程序会自动闭锁切回自动控制回路，此时需运行人员到电气柜按下复归按钮，才可切回自动运行。
2.2 冗余PCC控制器的主备转换
电气柜配备双冗余PCC，两套互为热备用，依靠智能切换装置，将A套PCC切换至B套PCC，当故障恢复后，自动复归到A套PCC，可实现无扰切换，维持系统工况不变。
3.1.2 导叶副环试验
方法：选择设置窗，选择A套，进图导叶副环扰动界面，设置Kp，积分死区参数，进行阶跃扰动。
目的：（1）检查闭环控制中输出电压与电液伺服阀配合是否适当；
（2）确定导叶副环控制的比例、积分死区、稳零输出等参数；
试验曲线如下：
结果：导叶闭环控制稳定，功放和电液伺服阀匹配良好。
选定最佳参数：Kp=8 积分死区：5
3.1.3 桨叶副环试验
方法：选择设置窗，选择A套，进入桨叶副环扰动界面，设置桨叶副环Kp、Ki，积分死区参数，进行阶跃扰动。
目的：（1）检查闭环控制中输出电压与电液伺服阀配合是否适当；
（2）确定桨叶副环控制的比例、积分死区、稳零输出等参数；
试验曲线如下：
结果：试验后经计算，转速死区为0.002%，符合国标中对静特性转速死区的要求（国标为4/万分）。
3.2 系统有水试验
3.2.1 空载扰动试验
方法：将机组开到空载，待转速接近额定后，选择“空载扰动试验”，输入一组PID初始参数和当前频率值。选取不同的Kp、Ki、Kd参数，输入不同的频率阶跃，进行空载扰动试验，根据过程调节曲线，选择最佳的比例、积分、微分参数。
目的：观察机组空载时调速器的稳定性与各项调节指标；选择最佳的参数，使调节性能指标达到最优。
试验曲线如下（以A套为例）：
结果：机组水头17.7米左右，空载开度5.3%，调速器接到停机令后即执行停机操作，导叶在2秒内达到全关。
3.2.3 调速系统甩负荷试验
目的：检验机组在突甩负荷情况下，调速器的速动性及其动态调节品质。记录动态过渡过程，测定调节时间、振荡次数、不动时间等指标。
最大开度：66.2%；调节时间：79秒；最大频率：65.8Hz；最小频率：44.1Hz
结果：试验结果均优于国标有关要求，满足电厂调速系统技术要求。
4 装置维护及故障处理
由于采用了高性能的PCC模块，并设计了合理的外围电路，因此电气故障率较低。如出现问题应先检查相应的电源和信号接触是否良好，尤其是导叶、频率的反馈信号是否出现断线故障，其次再检查相应的参数设置是否正确[2]。本文列举几种常见的故障及分析处理方法供读者参考。
4.1 系统故障
4.2 电气及机械故障
五 结束语
冗余式PCC控制电液式调速器在本电站投运以来，运行情况良好，并且能按照电站实际运行的要求，灵活地进行设置、可靠的运行、方便且简单地进行维护和智能调试，抗干扰性强，功能设计符合有关技术规范，满足电厂调速系统技术要求。电液伺服阀在运行过程中偶有发卡现象，经与厂家研究分析，初步判断是油质不达标所致，后将透平油过滤、伺服阀拆解清洗后发卡频率已明显降低。
参考文献
[1]王永华. 现代电气控制及PLC应用技术（第2版）[M]. 北京航空航天大学出版社.2008
[2]何林波、梅高鑫.《SAFR-2000H水轮机调速器电气调节装置技术说明书》.2015
[3]赵永祯、申建亮.冗余PCC步进式调速器在龙羊峡水电站的应用[C].全国大中型水电厂技术协作网第二届年会.2005
论文作者:成瑞刚
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第05期
论文发表时间:2019/7/31
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