摘要：本文介绍了官地水电站调速系统在电气、液压控制系统及油压装置设计方面的主要特点。电气控制系统具备先进的PCC2005控制器，可靠的冗余设计以及智能切换功能。液压控制系统以双伺服比例阀，两位六通紧急停机阀为核心，并具备自复中功能。油压装置则在电机油泵组的设置，现场安装调试等细节做出针对官地电站的特殊配置，保证了其可靠性。现场应用情况验证了官地水电站调速系统设计的正确性和技术的先进性。
关键词： 冗余设计 液压控制 油压装置
1引言
官地水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市与盐源县交界的雅砻江干流河段上，其上游有在建的锦屏一级水电站和锦屏二级水电站，下游有已建成的二滩水电站，电站总装机容量240万千瓦（4×60万千瓦）。官地水电站工程于2004年10月开始筹建，2012年3月首台机组投产发电，2013年3月最后一台机组正式并网发电。
官地水电站调速系统采用南瑞生产的SWT-2000型双微机调速器。微机调节器部分以B&R公司的PCC2005为控制核心，机械液压部分以BOSCH公司的伺服比例阀为电液转换单元，GE公司的FC-20000为主配压阀。电源模块、传感器、电液转换等均采用了双冗余配置，且采用的第三方智能切换单元，整个系统的硬件配置性能优越，可靠性高。液压控制系统具备自动控制、电手动控制、纯手动控制、紧急停机和掉电自复中等功能，液压系统的功能完善，集成度高，操作简单，维护方便。油压装置采用YZ-10×2-6.3型，设置一台增压油泵和两台工作油泵，最大限度的避免了大油泵频繁启动产生的冲击影响，大油泵进油口采用柔性连接，减小了现场安装难度，提高了油泵使用寿命。
2调速系统设计特点
2.1电气控制柜设计特点
2.1.1冗余设计
1、双主机IP161和CP340;
官地水电站调速器选用2005系列的PCC作为调速器的硬件主体。PS465作为PCC的电源模块；IP161作为调速器的CPU模块，该CPU模块功能强大，具有850KB SRAM，1.5MB FlashPROM，2个RS232接口，1个CAN接口，12个数字量输入输出，6个模拟量输入，6个模拟量输出，同时具有TPU功能，可以方便的完成对机组频率或电网频率的测量，借助于IP161可以完成机组调速器的调节计算和控制输出；选用CP340作为辅助处理器和通信单元CP340具有32MB DRAM、512kB SRAM、Compact Flash、1个aPCI通讯模块插槽、1个USB接口、1个RS232接口、1个10/100M Ethernet接口；数字量输入模块DI476作为调速器开关量输入模块，开关量输入包括开机、停机、增加、减少等外部开关量命令；数字量输出模块DO479作为调速器开关量输出模块，开关量输出包括空载、发电、停机的指示灯信号以及一些故障输出信号，如图1所示为电气连接原理图。
图1 调速器电气连接原理图
2、双电源
采用两个24V开关电源分别对双套PCC进行供电，这两个开关电源的输入均为220V交流和220V直流双路输入，并保证在较宽的输入电压范围内稳压输出。两个电源通过二极管的隔离处理对工控机显示屏供电。这样可以互不干扰，如果一套因电源模块损坏而无法工作将自动切除，备用机自动投入。
3、双测频
设计的测频方式为：①测网频，信号取自电网PT；②测机频，分两路，一路机组PT残压测频，另一路为双探头齿盘测频，两路测频互为备用。正常运行时，残压测频经与齿盘测频进行比较验证无误后，供调速器测频使用。当残压测频故障或比较结果超出范围时，用齿盘测频信号供调速器测频使用。调速器在并网后，网频仍可作调速器机频单元的后备。
为提高齿盘齿盘精度，齿盘测速设计为双传感器，用于消除由于大轴摆度和震动、以及齿盘加工精度的误差造成测频信号的精度下降。双传感器信号通过整形隔离后，同时送到PCC。
4、可靠切换ZEN
无扰切换的双机冗余系统：采用冗余配置系统可以大大提高调速器的可靠性，无扰可靠的切换是保证双机冗余系统可靠性的关键因素。选用的智能切换继电器是一个可编程继电器，它实时监测两套调节器的工作状态，在两套调节器都正常的情况下，按照运行人员的指令把系统的控制权授予相应的调节器；在一套调节器出现故障时，控制权自动授予另一套调节器，保证双机无扰切换。
2.2液压系统设计特点
液压系统以GE公司的FC-20000阀作为主配压阀，BOSCH公司的伺服比例阀作为电液转换单元，采用液压集成式设计，其控制系统无杠杆、无明管、无渗漏。能够实现电手动、纯手动、紧急停机、掉电自复中等功能，系统集成度高，可靠性好，如图2为官地水电站调速器液压系统原理图。
图2 液压系统原理图
2.2.1、控制功能
系统设置了双伺服比例阀，实现了电液转换单元的双冗余自动控制功能，提高了系统的稳定性。自动运行状态是调速器正常的工作状态，伺服比例阀SV1作为主用，伺服比例阀SV2处于热备用状态，当伺服比例阀SV1出现故障，切换阀EV1动作，伺服比例阀SV2作为主用。
系统具备电手动操作功能，手动增/减信号作用于伺服比例阀，通过液压操作柜内的综合控制模块实现电手动闭环控制；系统还具备纯手动功能，当切换至纯手动功能时，切换阀EV2和EV3动作，使得主配压阀的控制端接通回油，定中缸接通压力油，主配压阀芯保持在中间位置，此时可以操作手动增加阀EV4开导叶，也可以操作手动减少阀EV5关导叶。
2.2.2、掉电自复中功能
系统具备掉电自复中功能，当调速系统失电，主配压阀保持在中间位置，既不向接力器开腔配油，也不向接力器关腔配油，使导叶接力器保持在掉点前的位置不动，最大限度的保证电网的安全、稳定。系统是通过掉电自复中切换阀EV3和主配压阀定中缸DZ实现的，正常工作时候EV3电磁线圈得电，定中缸接通回油，当调速系统失电，EV3电磁线圈失电，EV3换向，主配压阀定中缸接通压力油，主配压阀阀芯保持在中间位置，实现了掉电自复中功能。
2.3油压装置设计特点
油压装置用来给水轮机调速器液压系统提供具有一定流量和压力的液压能。油压装置是向水轮发电机组调速系统提供操作油源的装置,其工作可靠性直接关系到机组运行的安全。官地水电站油压装置型号为YZ-10×2-6.3，压力罐总容积为20m³，额定工作压力6.3MPa。压力油罐上安装有空气安全阀、压力表、压力开关、压力变送器、油位计、自动补气等仪表。在额定压力下，油箱内油气体积比例大约为1:2。
2.3.1油泵的设计及安装特点
针对官地水电站调速系统特点，经过详细设计计算和反复推理论证，油压装置设置有三台油泵，其中两台为工作油泵，布置于回油箱旁边的地面上，采用卧式布置，配套电机功率110kW，另配1台增压泵，布置于回油箱上，配套电机功率15kW。
三台油泵的运行方式为：压力油罐压力低于6.1MPa时启动增压泵，压力低于6.0MPa时启动主油泵，压力低于5.8MPa时启动备用油泵，三台油泵采用轮换工作制。增压泵可以补充系统漏油并能够提供在机组发电态小幅度调节时的用油，减小了工作油泵频繁启动时带来的冲击，当机组开关机或大幅度调节时，工作油泵启动向压力油罐打油。
3调速系统现场应用情况
1、开机录波
图3 调速器自动开机录波图
在该试验中，调速器一旦接到开机命令，即执行开机操作。开机动作迅速，超调量为0.38Hz，无波动，开机时间为47秒，如图3所示为调速器自动开机录波图。
2、空载扰动
图4 48HZ-52HZ空载扰动曲线
最优参数选择为：Kp=3，Ki=0.2，Kd=1，调节过程如图4（48HZ-52HZ空载扰动曲线）。
3、甩负荷
在机组甩25%（150MW）负荷时，最大开度31%，调节时间8s，最大频率53.33HZ，震荡次数0.5次，最小频率49.63HZ。
在机组甩100%（600MW）负荷时，最大开度79.56%，调节时间10s，最大频率71.51HZ，震荡次数0.5次，最小频率49.84HZ。
4、停机录波
调速器一旦接到停机命令，即执行停机操作。导叶接力器4.0秒内达到全关。转速达到零的时间约为90秒。
现场应用情况表明：官地水电站调速器各项静态、动态指标全部满足并且部分优于国标GB 9652中的相关技术要求。
4结语
综上所述，官地水电站调速系统具有先进的电气冗余设计、强大的通讯及扩展功能，保证了调速器的高可靠性；集成式的液压控制系统，功能齐全、性能稳定、外形简洁，创新性的采用两位六通紧急停机阀，大大提高了系统的安全性。目前，官地电站4台机组全部投产发电，现场应用情况表明：官地水电站调速器各项静态、动态指标全部满足并且部分优于国标GB 9652中的相关技术要求，其优良的调节性能和高可靠性，检验了系统设计的技术先进性和元件选型的正确性，也说明南瑞调速器在单机容量600MW、700MW的巨型机组上技术是可靠的成熟的。
参考文献:
[1] 沈祖诒. 水轮机调节（第三版）. 北京: 中国水利水电出版社. 1998,5.
[2] 南海鹏. 水轮发电机组PCC控制. 西安: 西北工业大学出版社. 2002,8.
[3] 孔昭年. 2004中国水电控制设备论文集.黄河水利出版社.2004.10
【作者简介】 周鑫（1984-），男，云南昆明，硕士，工程师，从事电能质量和机网协调工作。
论文作者:周鑫1,冯源1,刘奔2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第7期
论文发表时间:2018/7/2
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