關(guān)鍵詞：水輪機調速器 PCC控制器 雙機熱備 測頻 智能切換 現場(chǎng)試驗 國產(chǎn)化

　　0、 概述：

　　PCC（Programmable Computer Controller）也稱(chēng)可編程計算機控制器。由奧地利B&R公司生產(chǎn)的PCC，集成了PLC和IPC的優(yōu)勢，既有PLC的高可靠性、易擴展性，又有IPC的分時(shí)多任務(wù)操作系統功能，運算能力強、實(shí)時(shí)性好、編程方便，同時(shí)PCC的CPU模塊有獨特的時(shí)間處理單元（TPU），可以在不增加主CPU負荷的前提下很好的解決水輪機調速器的頻率測量問(wèn)題，所以近年來(lái)在水輪機調速器領(lǐng)域得到了大量應用（見(jiàn)文獻[1]）。

　　小灣水電站位于云南省鳳慶縣與南澗縣交界的瀾滄江上。電站裝機容量4200MW，裝機6臺，單機容量700MW，水輪機組調速系統采用南瑞集團公司生產(chǎn)的SWT-2000H型雙微機調速系統。微機調節器部分以B&R公司的PCC2005控制器為核心，機械液壓部分以BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉換單元，美國GE公司的FC20000閥為主配壓閥，電源、控制模塊、傳感器、電液轉換等均采用了雙冗余配置，且采用了第三方智能切換單元作為仲裁機構，整個(gè)系統的硬件配置不僅性能超群，且可靠性極高。軟件部分則采用了南瑞公司專(zhuān)有的變結構變參數改進(jìn)型并聯(lián)PID算法，擁有完全自主知識產(chǎn)權。

　　1、 調速器電氣系統總體設計

　　小灣電站調速器微機控制部分就選用了B&R公司的2005系列PCC模塊作為機組調速器的硬件主體，其中PS465作為PCC的電源模塊，IP161作為調速器的CPU模塊。該CPU模塊功能強大，具有850 KB SRAM，1.5 MB FlashPROM，2個(gè)RS232 接口，1 個(gè)CAN 接口，12個(gè)數字量輸入輸出，同時(shí)還具有TPU功能，6個(gè)模擬量輸入，6個(gè)模擬量輸出，可以方便的完成對機組頻率或電網(wǎng)頻率的測量以及調速器的調節計算和控制輸出。數字量輸入模塊DI476作為調速器開(kāi)關(guān)量輸入模塊，數字量輸出模塊DO479作為調速器開(kāi)關(guān)量輸出模塊，雙機之間切換由一個(gè)智能切換繼電器來(lái)保證，人機接口部分選用12英寸高亮度液晶觸摸顯示屏，作為控制系統的監控顯示和操作界面。詳細系統配置圖見(jiàn)圖1所示。下面是各模塊詳細資源分配：

　　CPU模件資源分配：

　　串口1：IF1，RS232，MODBUS通訊協(xié)議，和觸摸屏通訊。

　　串口2：IF2，RS232，通過(guò)轉換器轉為485，MODBUS通訊協(xié)議，和監控通訊。

　　CAN口：雙機系統通訊。

　　模擬量輸入通道：共6路，其中導葉變送器1、2占用兩路，功率變送器占用1路，水頭變送器占1路，功率給定采樣占1路，備用1路。

　　模擬量輸出通道：共6路，導葉控制輸出占2路，機組功率模擬輸出占1路，備用3路。

　　測頻通道：共4路，其中機組頻率測量占1路，齒盤(pán)測頻占2路，電網(wǎng)頻率測量占1路。

　　開(kāi)關(guān)量輸入：共4路，引出備用4路。

　　開(kāi)關(guān)量輸出：共4路，引出備用3路。

　　開(kāi)關(guān)量輸入資源分配：

　　共16路，其中開(kāi)機令、停機令、增加、減少、調相、主斷路器、GIS斷路器、中間斷路器、導葉手動(dòng)、功率調節方式、一次調頻方式、綜合模塊故障、主從機狀態(tài)、一次調頻投入、一次調頻退出占15路，備用1路。

　　開(kāi)關(guān)量輸出資源分配：

　　共16路，其中總故障、導葉采樣故障、手動(dòng)狀態(tài)、一次調頻動(dòng)作、PCC運行、PCC調試狀態(tài)、伺服閥故障、功率采樣故障、頻率采樣故障、通訊故障、切換閥控制、切手動(dòng)控制占12路，備用4路。

    2、 調速器電氣系統特點(diǎn)

　　由上述模塊組成的調速器電氣部分具有以下特點(diǎn)：

　?。?） 可靠的雙機冗余熱備系統：采用冗余配置可以大大提高機組調速器的可靠性。

　　小灣調速系統中所有的PCC模塊均為冗余配置，組成的兩個(gè)調節器之間通過(guò)CAN接口進(jìn)行通信，可以保證兩個(gè)調節器之間的信息冗余和相互切換時(shí)穩定工作。兩個(gè)調節器又具有獨立的供電電源和獨立的反饋通道。通過(guò)兩套PCC的采樣模塊采集信號，兩套CPU同時(shí)各自處理采集的信號，一套處于主控模式，一套處于熱備用模式，當其中一套發(fā)生故障或需要檢修時(shí)，通過(guò)智能切換繼電器使另一套立即自動(dòng)投入工作，維持系統工況保持不變。

　?。?） 獨特的第三方智能切換機構：如果冗余系統之間的無(wú)擾切換保證不了，那么勢必

　　使雙機冗余系統的可靠性大大降低，所以進(jìn)行無(wú)擾可靠的切換是保證雙機冗余系統可靠性的關(guān)鍵因素。小灣調速器選用的切換繼電器是歐姆龍公司的ZEN可編程智能繼電器，它實(shí)時(shí)監測兩套PCC調節器的工作狀態(tài)，在兩個(gè)調節器都正常的情況下，按照運行人員的指令把系統的控制權授予相應的調節器;在一個(gè)調節器出現故障時(shí)，控制權自動(dòng)授予另一個(gè)調節器，保證雙機之間的無(wú)擾動(dòng)切換。

　?。?） 強大的通信功能：兩套PCC利用CPU模塊上的CAN接口進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，保證

　　兩套調節器之間的信息冗余;兩套PCC和上位機顯示屏通過(guò)Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，PCC和監控系統可以通過(guò)約定的通信協(xié)議進(jìn)行通信，一般選用Modbus協(xié)議。

　?。?） 可靠的供電電源：采用兩個(gè)24V開(kāi)關(guān)電源分別對雙套PCC進(jìn)行供電，這兩個(gè)開(kāi)

　　關(guān)電源的輸入均為220V交流和220V直流雙路輸入，并保證在較寬的輸入電壓范圍內穩壓輸出。兩個(gè)電源通過(guò)二極管的隔離處理對工控機顯示屏供電。這樣可以互不干擾，如果一套因電源模塊損壞而無(wú)法工作將自動(dòng)切除，備用機自動(dòng)投入。

　?。?） 方便可靠的頻率測量單元：普通PLC控制器沒(méi)有內部時(shí)鐘，測頻一般采用高速計

　　數和外部擴展高頻時(shí)鐘的辦法，精度和可靠性不夠高。而PCC內部具有高達6MHZ的測量時(shí)鐘，可作為測量基準，所以測頻非常方便，硬件上只需要將測量信號濾波、整形處理成PCC能接受的方波信號，輸入TPU通道，軟件上調用相應模塊即可實(shí)現。（見(jiàn)文獻[2]）。

　?。?） 可植入嵌入式仿真系統：PCC提供了一種更適合完成復雜的工業(yè)控制和監視的自

　　動(dòng)化編程語(yǔ)言Automation Basic（AB）。它與C語(yǔ)言類(lèi)似，并充分利用PCC的特點(diǎn)，使編程更簡(jiǎn)單、更靈活，小灣調速系統就利用AB編寫(xiě)了嵌入式水輪機仿真模型，具體方法是：采集當前導葉開(kāi)度信號，通過(guò)建立的水輪機仿真模型計算出相應仿真轉速輸出，并利用高速TPU通道輸出相應仿真頻率，在試驗室或現場(chǎng)機組不具備開(kāi)機情況下，可聯(lián)合液壓執行機構，通過(guò)內置水輪機模型，完成機組開(kāi)、停機、并網(wǎng)、甩負荷等試驗。

　　3、 PCC水輪機調速器的現場(chǎng)應用

　　小灣電廠(chǎng)第一套調速設備目前已經(jīng)安裝完畢，但設備還沒(méi)有投入運行，采用小灣相同配置的調速器電柜目前已經(jīng)在云南瀾滄江漫灣電廠(chǎng)投入運行5套，最長(cháng)已經(jīng)超過(guò)1年，下圖2到圖5為漫灣3#機設備投產(chǎn)時(shí)的試驗錄波，從波形上看，空載頻率擾動(dòng)-4HZ，超調量為0，調節時(shí)間為13秒，空載頻率擾動(dòng)+4HZ，超調量為5%，調節時(shí)間為10秒?？梢?jiàn)系統調節品質(zhì)較高，數據均優(yōu)于國標要求。從自動(dòng)開(kāi)機錄波圖看，機組轉速從0到50HZ時(shí)間約51秒，導葉調節平穩，轉速基本無(wú)超調，穩定性很好，便于機組快速并網(wǎng)。從甩負荷錄波圖看，不動(dòng)時(shí)間約0.18秒，轉速上升后很快穩定?？梢哉f(shuō)，甩負荷過(guò)程控制非常理想。

　　總之，采用PCC控制器開(kāi)發(fā)的微機調速器動(dòng)態(tài)性能指標、穩定性能指標均優(yōu)于國標、部標有關(guān)要求，具有功能完善、可靠性高、維護、調試方便、抗干擾性強以及性能指標高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于大型水電機組的控制。

　　4、 結束語(yǔ)

　　目前，我國除了三峽、龍灘、拉西瓦、小灣、瀑布溝外，已經(jīng)投產(chǎn)和在建的600MW以上水輪發(fā)電機組越來(lái)越多，水輪機調速系統是其中最重要的輔控設備之一，巨型機組調速器軟硬件目前主要還是依賴(lài)國外進(jìn)口，相應也會(huì )帶來(lái)有許多問(wèn)題，如價(jià)格昂貴，流程設計不完全滿(mǎn)足中國國情，備件、售后服務(wù)難以及時(shí)保證等。和國外相比，這些正好又是國內調速器的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，國內調速器制造和設計水平已大大提高，在產(chǎn)品的多樣性、創(chuàng )新方面取得了不少成績(jì)，在調速系統控制規律，調速系統對電網(wǎng)安全穩定的作用等方面也取得不少研究成果。

　　小灣調速系統選擇PCC作為巨型機組調速器的硬件，借助PCC模塊的高可靠性及分時(shí)多任務(wù)操作系統的特點(diǎn)和編程語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，充分滿(mǎn)足了巨型機組調速器對可靠性和實(shí)時(shí)性的要求。不僅硬件的可靠性和工藝大大提高，軟件設計也吸取了國內的部分研究成果，這樣更加符合中國國情。

　　總之，小灣調速系統是國內自主研發(fā)的產(chǎn)品，具有完全自主知識產(chǎn)權，我們爭取在產(chǎn)品研制、設計、生產(chǎn)、測試等每個(gè)階段都嚴格控制、精益求精，力爭打造出國內適用于巨型機組的調速器精品。希望能為巨型水輪機調速系統的設計提供一定的參考，同時(shí)也希望為推進(jìn)巨型水輪機組調速系統國產(chǎn)化積累經(jīng)驗。

　　參考文獻

　　[1] 潘熙和等，PCC在水電站調速器和勵磁裝置上的應用，水電站自動(dòng)與大壩檢測，2008，VOL32，NO.3，P19-23

　　[2] 南海鵬，水輪發(fā)電機組PCC控制，西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002