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1 引言
        水輪機調(diào)速器是水電站最重要的自動控制設(shè)備之一，其運行的好壞直接影響著機組運行可靠性和電能質(zhì)量。現(xiàn)代水輪機調(diào)速器的模式一般為電子調(diào)節(jié)器+電液隨動系統(tǒng)[1]。目前，電子調(diào)節(jié)器主要有基于單片機、工業(yè)控制機（IPC）和可編程邏輯控制器（PLC）等三種類型。基于單片機的調(diào)速器，其硬件多為自行設(shè)計，硬件上受到CPU、內(nèi)存容量及I/O 接口的限制，其通用性、兼容性和擴展性相當差。近幾年來，PLC 調(diào)速器以其高可靠性在水電站得到廣泛的應(yīng)用，但PLC 由于其本身性能的限制，解決不了水輪機調(diào)速器頻率測量的精度和實時性的問題，因而市場上大多數(shù)的PLC調(diào)速器靠另加一單片機完成測頻任務(wù)。單片機測頻后向PLC 傳送頻率值時，易受外界信號干擾，從而降低了PLC 調(diào)速器整機可靠性。另外，傳統(tǒng)的電液隨動系統(tǒng)普遍存在抗油污能力差，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，標準化集成度不高，可靠性較低等問題。針對以上問題，提出了基于可編程計算機控制（PCC）的微機調(diào)節(jié)器和強驅(qū)動、力反饋集成式電液隨動系統(tǒng)構(gòu)成的新型調(diào)速器。
       可編程計算機控制（PCC）是由奧地利B&R 首先在工控界提出的一個全新概念，將計算機的多任務(wù)分時操作系統(tǒng)及高級編程語言引入可編程計算機控制器，其性能比常規(guī)PLC 有較大的增強和提高[3]。
強驅(qū)動、力反饋集成式電液隨動系統(tǒng)采用最新專利技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，功能完善，抗油污能力強，技術(shù)指標高[2]。

2 整體結(jié)構(gòu)
       PCC 強驅(qū)動、力反饋集成式水輪機調(diào)速器的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 PCC 強驅(qū)動、力反饋集成式水輪機調(diào)速器的整體結(jié)構(gòu)

        測頻子程序分別將機頻和網(wǎng)頻變換為數(shù)字量，經(jīng)容錯邏輯子程序判斷后與頻率給定值進行比較，其差值經(jīng)PID 子程序運算后與調(diào)整值相加，再經(jīng)開限子程序限制后送至驅(qū)動放大器，驅(qū)動放大器再將由開限子程序送來的信號（電氣開度信號）與由主接力器位-電變換器送來的導葉反饋信號（反映主接力器實際位移即導葉實際開度的電信號）的差值進行放大，其輸出的功率信號去控制強驅(qū)動、力反饋集成式電液主配壓閥。

3 PCC 強驅(qū)動、力反饋集成式水輪機調(diào)速器硬件設(shè)計
3.1 PCC 硬件配置
       PCC 強驅(qū)動、力反饋集成式水輪機調(diào)速器硬件配置如圖２所示。該調(diào)速器以B&R2003 系列為硬件主體。2003 系列裝有一根I/O 總線，CPU 與電源集成在一起，具有結(jié)構(gòu)緊湊，集成端子排技術(shù)，標準現(xiàn)場總線等技術(shù)。針對水輪機調(diào)速器的功能要求，選用CP430作為調(diào)速器的CPU 模塊，采用２塊CM211-組合模塊作為數(shù)字量、模擬量的輸入、輸出模塊。其中每一個CM211-組合模塊有２路模擬量輸入，２路模擬量輸出，８路數(shù)字量輸入，８路數(shù)字量輸出。為了提高測頻的精度和可靠性，專門選用高速輸入模塊DI 135作為調(diào)速器測頻輸入模塊。人機界面模塊采用B&R PANELWARE，以可視化全中文界面顯示機組運行狀態(tài)、參數(shù)。

圖2 PCC 強驅(qū)動、力反饋集成式水輪機調(diào)速器的硬件配置

3.2 強驅(qū)動、力反饋集成式電液隨動系統(tǒng)[2]
       強驅(qū)動、力反饋集成式電液隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖３所示。

圖3 強驅(qū)動、力反饋集成式電液隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        在圖３中 ，擺動電機將從驅(qū)動放大器輸入的功率驅(qū)動信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的力去驅(qū)動先導閥；先導閥在該力作用下輸出流量，使輔助接力器產(chǎn)生位移；輔助接力器的位移一方面使主配壓閥輸出流量，去推動主接力器，另一方面通過位移-力變換器將其位移變換為力，反饋給先導閥，促使先導閥復(fù)中；穩(wěn)定后先導閥所受輔助接力器的反饋力與擺動電機的驅(qū)動力大小相等、方向相反，從而處于中位，輔助接力器及主配壓閥則處于與驅(qū)動力成正比的位移位置。在這個過程中，先導閥的位移量實際上很小，因而可以應(yīng)用輸出位移雖然不大但輸出力卻很大的電-機轉(zhuǎn)換器，如擺動電機、比例電磁鐵、步進電機等，以產(chǎn)生很強的驅(qū)動力，進一步提高其抗油污能力；而輔助接力器及主配壓閥的位移量并不受先導閥位移量的限制，可以在相當大的范圍內(nèi)根據(jù)需要進行設(shè)計：因為在同樣的驅(qū)動力下輔助接力器及主配壓閥所對應(yīng)的位移量與位移-力變換器（如反饋彈簧）的剛度有關(guān)，剛度大位移量小，剛度小則位移量大。
        此新型隨動系統(tǒng)集電機轉(zhuǎn)換器、液壓先導級、輔助接力器、主配壓閥于一體，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。采用擺動電機作電-機轉(zhuǎn)換器可方便地獲得很強驅(qū)動力，從而使得隨動系統(tǒng)抗油污能力大大提高。

4 PCC 強驅(qū)動、力反饋集成式水輪機調(diào)速器軟件設(shè)計
       本研究采用PL2000 高級語言編程。PL2000 是一種以文本為基礎(chǔ)的高級編程語言，語言的結(jié)構(gòu)符合IEC1131-3 的標準，程序可讀性強，編程效率高。
4.1 頻率測量
       將取自電網(wǎng)和機組電壓互感器的交流電壓信號經(jīng)過放大整形電路后，變成同頻率的方波信號，再經(jīng)過二分頻電路后，送到PCC 的高速數(shù)字量輸入模塊DI135，通過測頻子程序，計算出機頻和網(wǎng)頻。顯然，分頻后的信號的半周期正好等于機組頻率和電網(wǎng)頻率的周期。由于DI135 的計數(shù)頻率為４MHz，設(shè)機組頻率Fg=50 Hz，則周期Tg=0.02 s，測得的周期數(shù)Ng=0.02×4×106=80000，即分辨率為50Hz/80000=0.000625 Hz，由此可見，此方法具有很高的分辨率和度。另外，在軟件設(shè)計上，還考慮了測頻失效容錯處理，即在機組并網(wǎng)運行狀態(tài)下，當機組測頻正常時，輸出機頻；當機組測頻失效，電網(wǎng)測頻正常時，輸出網(wǎng)頻；當機組及電網(wǎng)測頻均失效時，輸出給定頻率，即額定頻率，從而保證了測頻環(huán)節(jié)的可靠性。
4.2 改進型并聯(lián)PID 調(diào)節(jié)規(guī)律
       測頻模塊輸出頻率值經(jīng)容錯邏輯子程序判斷后，與頻率給定值進行比較，其差值輸入PID 調(diào)節(jié)器，由PID 子程序進行相關(guān)運算。本文采用改進型并聯(lián)PID調(diào)節(jié)規(guī)律。
并聯(lián)PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的傳遞函數(shù)為：

改進型并聯(lián)PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的傳遞函數(shù)為：

改進型并聯(lián)PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的傳遞函數(shù)較并聯(lián)PID調(diào)節(jié)規(guī)律的傳遞函數(shù)極點數(shù)少一個，所以此改進型并聯(lián)PID 調(diào)節(jié)規(guī)律比并聯(lián)PID 調(diào)節(jié)規(guī)律有更大的超前作用。而水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對象是非最小相位系統(tǒng)，調(diào)節(jié)對象嚴重滯后，所以要求調(diào)節(jié)規(guī)律有較大的超前作用。因此，用改進型并聯(lián)PID 調(diào)節(jié)規(guī)律更合適。

5 現(xiàn)場應(yīng)用
       該新型調(diào)速器已于2001 年應(yīng)用于新疆烏蘇市一級水電站1 號機和2 號機?，F(xiàn)場運行穩(wěn)定可靠，性能指標均滿足或優(yōu)于國標GB/T9652.1-1997 的規(guī)定值，其中主要特性試驗結(jié)果如下：
(1) 靜特性試驗，頻率死區(qū)ix=0.025%
(2) 甩25%額定負荷時，接力器不動時間為0.14 s。
(3) 甩100%額定負荷時，轉(zhuǎn)速上升為最大額定轉(zhuǎn)速的126%，調(diào)節(jié)時間為20 s，轉(zhuǎn)速波動次數(shù)為1 次。

6 結(jié)束語
        PCC 強驅(qū)動、力反饋集成式水輪機調(diào)速器是在長期現(xiàn)場實際運行的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。PCC 調(diào)節(jié)器與強驅(qū)動、力反饋集成式電液隨動系統(tǒng)的結(jié)合，使整個調(diào)速器性能大大提高，現(xiàn)場運行深得用戶好評，是目前水輪機調(diào)速器發(fā)展的方向。

[參 考 文 獻]
[1] 魏守平.現(xiàn)代水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)[M].武漢：華中科技大學出版社，2002 年1 月.
[2] 雷踐仁.新型力反饋先導式方向流量或雙向位移輸出型多級電液伺服控制元件/組件[P].專利申99115713.3.
[3] 齊蓉.新一代可編程計算機控制器技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2000 年4 月.
[收稿日期] 2004-02-10
[作者簡介]
張曉英（1973-）,女，四川人，2001 年畢業(yè)于西安理工大學，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)自
動化，講師。