PCC可編程水電站應用論文

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1．前言

漾頭水電站位于貴州省銅仁市附近，裝機容量為2X8000KW，水輪機為軸流轉槳式，設計水頭為18M。原調速器為某廠生產的模擬電液調速器，機械控制部分采用電液轉換器，二級放大部分采用主配壓閥，接力器與主配壓閥開環無反饋；在電氣上采用模擬電子調節器，抗干擾性能差；自動運行時，常誤動作。自投入運行以來，隨著長時間的運行，機械的磨損，電氣分立元件的老化嚴重地影響機組的安全運行。

原調速器存在的主要問題是：

1)抗卡阻效果差。調速器對油質要求較高，常卡阻，不能保證長期自動運行。

2)運行操作不方便。由于機械磨損主配壓閥滲漏造成接力器漂移，且手動運行時無反饋，運行人員總要不斷的調整，勞動強度較大。

3)抗干擾能力差。任何電磁干擾都可能造成調速器誤動作。

4)檢修維護不方便。調整環節太多，每次檢修后，僅調整各個節流閥就需要幾天時間。

2．改造方案

針對漾頭水電站的具體情況，擬定如下改造方案：

方案一.用ZFST－100型數字閥pcc可編程智能調速器整機替換原調速器。采用機電合柜形式。

方案二.保留原調速器主配壓閥，去掉原調速器中除主配壓閥以外的其他部分，采用步進電機替代電液轉換器，采用PCC可編程智能調節器替換原模擬電子調節器。采用機電合柜形式。

由于主配壓閥的結構形式為滑閥，主配壓閥活塞與襯套之間的間隙所造成的滲漏就不可避免，為了減少主配壓閥活塞與襯套之間的滲漏，就要在主配壓閥活塞閥盤與襯套與窗口之間加大搭疊量，而搭疊量加大了調速器機械死區。由于主配壓閥活塞與襯套之間的間隙所造成的滲漏不可避免，因此在手動運行時就需要機械反饋來補償，否則，接力器就要漂移。

由于漾頭水電站原調速系統沒有采用機械反饋。因此，在設備改造時，必須采用無鋼絲繩反饋（或杠桿反饋）結構，只采用電氣反饋。如采用方案二即保留原調速器主配壓閥，手動運行時溜負荷。由于溜負荷，增加了運行人員的勞動強度。而采用方案一數字閥調速器則能解決這一難題。

綜上所述采用方案一最為理想。

為了適應機組安全穩定運行要求，實現水電站“無人值班”（少人值守），銅仁市地方電力公司漾頭水電站經過調查研究，選用天津市科音自控設備有限公司研制的新一代調速器：ZFST-100型數字閥PCC可編程智能調速器，對原調速器進行了整機更換改造，率先實現了在軸流轉漿式水輪發電機組上應用數字閥+可編程計算機控制器的智能調速器。

3．數字閥PCC可編程智能調速器

結合水輪機調速器的特殊性，ZFST-100型數字閥PCC可編程智能調速器，選用不同于常規PLC的新一代可編程控制產品－PCC，即從貝加萊公司（B&R）進口的可編程計算機控制器B&R2003。它面向自動化過程，而不是面向繼電器邏輯電路仿真，這就是B&R2003的理念。PCC代表著一個全新的控制概念，它集成了可編程邏輯控制器(PLC)的標準控制功能和工業計算機的分時多任務操作系統功能。它能方便地處理開關量，模擬量，進行回路調節。并能用高級語言編程，具備大型機的分析運算能力。其硬件具有獨特新穎的插拔式模塊結構，可使系統得到靈活多樣的擴展和組合。軟件也具備模塊結構，系統擴展時只需在原有基礎上疊加運用軟件模塊。CPU運行效率高，用戶存儲器容量大。這些優越性都為智能式水輪機調速器提供了強有力的資源保證。

在電氣機械轉換方面，采用電磁球閥替代電液轉換器；在放大級采用二通插裝閥替代主配壓閥。調速器從總體上降低了對油質的要求，從根本上避免了電液轉換器發卡的弊病。由于數字閥技術是采用高速電磁球閥為先導閥，以二通插裝閥為主閥，而且插裝閥的密封形式為錐閥，因此數字閥又具有液壓鎖的功能，有效地避免了接力器的漂移，因此主接力器無需機械反饋。所以數字閥調速器在漾頭水電站的應用，可以以最小的改動，達到整機改造的目的。由于該系統的先導電磁球閥又具有手動閥及事故閥的功能，減化了調速器內部結構，從結構上減化了整個調速系統。所以該型調速器實現了真正意義上的無杠桿，無管路；在結構上采用集成塊的形式，外形簡潔明快，可靠性極高，性能優良。由于無需機械反饋，該型調速器在機組的布置上可不受任何限制，廠房整齊，美觀。

3.1主要特點

1)全新的控制理念。采用不同于常規PLC的新一代可編程計算機控制器--PCC，面向控制過程，能采用高級語言，分析運算能力強，在同一CPU中能同時運行不同程序。程序運行時僅掃描部分程序，效率很高。

2)全PCC化，具有極高的可靠性。從輸入到輸出,從測頻到控制脈沖等各環節均實現了PCC化。PCC的平均無故障時間MTBF高達50萬小時，即57年。常規PLC的平均無故障時間MTBF為30萬小時。

3）多任務的優點。在傳統PLC中，并行處理是靠程序掃描來完成的。但事實上多任務才是并行處理的邏輯表達式，更簡單直接的方法就是采用多任務技術。PCC恰恰可以滿足這種需求，當某一任務在等待時，其他任務仍可繼續執行，非其他常規PLC可以比擬。

4）智能型調速器。采用自適應式變結構，變參數并聯PID調節。自動識別電網的性質，并自動適應電站的各種特殊運行方式，如孤網運行，及由大電網解列為小電網運行的突變負荷等特殊情況，均可保證機組穩定運行。人性化設計，具有很強的自診斷、防錯、糾錯及容錯功能。

5）采用PCC高速計數模塊(HSC)測頻。PCC高達6.3MHz的計數頻率，具有很高的測頻精度和可靠性，從而使調速器的輸入通道－測頻環節的可靠性有了根本的保證。

6）由PCC實現信號綜合及控制脈沖的輸出。調節器的電氣開度（數字信號），和轉換為數字信號的接力器實際位移由PCC內部進行綜合比較，輸出控制脈沖信號，經功率放大后，直接驅動先導電磁閥。充分發揮了PCC多任務的功能。

7）聯網方便。具有RS232或RS485通訊接口，可以方便地實現人機對話，及與上位機通訊，提高電站的自動化水平。

8）調節模式靈活。可實現頻率調節，開度調節，功率調節，并可實現調節模式間的無擾動切換。

9）PCC的大內存，為智能型調速器提供了資源保證。用戶內存：1.5MBFLASHPROM，遠大于常規PLC10KB左右的內存。

10)采用電磁球閥做為電液轉換元件。徹底解決了常規調速器電液轉換元件油污發卡的問題，使電站可以實現完全可靠的自動運行。

11)可以適應電站的各種特殊運行方式。如孤網運行，及由大電網解列為小

電網運行的突變負荷等特殊情況，均可保證機組穩定運行。

12)具有故障鎖錠的功能。由于數字閥只有通/斷兩個狀態，且數字閥采用錐閥密封可以保證在31.5MPa下無泄漏，所以，數字閥又具有液壓鎖的功能，因此該系列調速器在測頻信號消失及斷電等情況下，具有故障鎖錠的功能。

13)無杠桿結構。該系列調速器采用了數字閥液壓隨動系統，自動時有電氣返饋，手動無需反饋，因此取消了杠桿，消除了因為杠桿造成的死區，提高了調速系統的精度，而且無管路，結構簡單，美觀。

14)友好的人機界面。采用觸摸屏做為人機界面，畫面美觀逼真，全中文顯示，操作方便，可以同時顯示很多信息。

15)維護簡單調試方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，對于運行維護人員沒有太高的特殊要求，調試只需設定有關數字，沒有太多的電位器等可調元件。

16)采用數字協聯方式。槳葉隨動系統準確度高。

17)零擾動手/自動切換。由于自動運行時，電磁球閥每次動作后都處于失電狀態；而切斷電源即為手動運行。手動運行時，電子調節器跟蹤接力器的實際開度。因此數字閥調速器實現了零擾動手/自動切換

3．2主要功能

ZFST-100型數字閥PCC可編程智能調速器具有自動、電手動、手動三種操作方式，且可無條件無擾動切換。具有很多功能，實用性智能性很強，除常規功能外具有如下主要功能。

1）空載運行時，能自動跟蹤系統頻率,實現快速并網。

2）具有頻率調節、開度調節、功率調節三種模式，并可實現調節模式間的無擾動切換。功率調節模式下，可接受上位機控制指令，實現發電自動控制功能(AGC)。

3）具有很強的自診斷、防錯、糾錯及容錯功能，并可將有關故障信息顯示在屏幕上，或發出報警信號。

4）與上位機通訊的功能，接受上位機的控制命令，給上位機傳送有關信息。

5）開停機智能控制。

6）具有參數記憶功能。當電源失電時，PCC可保存數據存儲器的內容，使運行人員可以方便地修改有關參數并被記憶。

7）具有水位調節功能。

8）多級密碼保護功能。持有密碼級別的高低，決定了對系統行使權利的大小。運行人員只能觀察到常規顯示畫面并進行常規操作，檢修人員或管理人員可對調節參數等進行修改。

9)采用交直流雙重供電，當交流電源故障時，直流電源自動投入，直流電源故障時，保持當前開度不變。

10)空載運行，當機頻信號消失時，自動將開度保持在空載開度以下，以防過速。并網運行，當機頻信號消失時，自動切換為網頻測量回路，保持正常發電運行，同時發出機頻故障信號。

3.3調速器工作過程

數字閥PCC智能調速器的結構框圖如圖1所示。

調速器自動運行時，接收到開機令后，按照預先設定好的開機規律開機。當網頻測量正常時，調速器自動選擇頻率調節模式，PCC按照機頻與網頻的差值進行PID運算，為實現快速并網作好準備；當網頻測量故障時，自動切換為開度調節模式，PCC按照機頻與頻率給定的差值進行PID運算。PCC根據電氣開度和實際開度的差值輸出脈寬調制（PWM）信號，經功率放大后驅動電磁球閥，調節導葉開度，使機組自動運行于空載工況。

并網后，如為并大電網運行，自動切換為開度調節模式。如為孤網運行，自動選擇頻率調節模式。通過上位機或觸摸屏改變功率給定值，調節器經PI運算后，實現負荷調節。接到停機令后，調速器自動將機組關機，完成停機過程。

4．現場試驗結果

現場進行了靜態，動態試驗，第一臺調速器現場試驗結果如下：

1）轉速死區：0.015%

2)空載擾動試驗

調速器自動運行，選擇多組PID調節參數，選取頻率擺動值和超調量較小，穩定快、調節次數少的一組調節參數，作為空載運行參數,即:bt=45，Td=20，Tn=0.5

上擾：48.00Hz至52.00Hz，下擾：52.00Hz至48.00Hz

PID調節參數

上擾/下擾

最高(低)值（Hz）

調節次數（次）

調節時間（s）

bt=45

Td=20

Tn=0.5

上擾

52.03

1

8

下擾

47.46

1

7

3)空載頻率擺動值

將調速器切至自動位置，PID調節參數為上步試驗優選出的空載運行參數，機組開至額定轉速。機組運行穩定后觀察機組頻率擺動值，每次三分鐘，共三次，取平均擺動值。

最大值

最小值

Fj（Hz）

50.03

49.98

Fj（Hz）

50.02

49.96

Fj（Hz）

50.04

49.99

自動空載頻率擺動值：±0.06%

4）甩25%額定負荷，接力器不動時間為0.18s。

5）甩100%額定負荷，轉速最大上升為額定轉速的133.6%，超過3%額定轉速的波峰次數為1次，從接力器第一次向開啟方向移動起，到機組轉速擺動值不超過±0.5%為止所經歷的時間為27S。

6）突變負荷試驗

突增，突減25%額定負荷，非常迅速地穩定在新的工況，完全符合電站實際運行的要求。

5．結束語

試驗結果表明，天津市科音自控設備有限公司生產的ZFST-100型數字閥PCC可編程智能調速器的各項性能指標均優于國家標準“水輪機調速器與油壓裝置技術條件GB9652.1-1997”。第一臺投入運行已有兩年，第二臺投入運行已有一年，實踐表明，調速器未出現任何故障，運行人員操作簡單，維護工作量很少，大大減輕了勞動強度，并減少了運行人員。該型調速器完全滿足電站“無人值班”（少人值守）的要求。調速器的成功改造，給漾頭水電站帶來了非常可觀的經濟效益。

參考文獻

[1]米建國．對常規數字PID調節器算法的改進．大電機技術，1998（4）

[2]齊蓉．可編程計算機控制器原理及應用．西安：西北工業大學出版社，2002。