PCC可编程水电站应用论文

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1．前言

漾头水电站位于贵州省铜仁市附近，装机容量为2X8000KW，水轮机为轴流转桨式，设计水头为18M。原调速器为某厂生产的模拟电液调速器，机械控制部分采用电液转换器，二级放大部分采用主配压阀，接力器与主配压阀开环无反馈；在电气上采用模拟电子调节器，抗干扰性能差；自动运行时，常误动作。自投入运行以来，随着长时间的运行，机械的磨损，电气分立元件的老化严重地影响机组的安全运行。

原调速器存在的主要问题是：

1)抗卡阻效果差。调速器对油质要求较高，常卡阻，不能保证长期自动运行。

2)运行操作不方便。由于机械磨损主配压阀渗漏造成接力器漂移，且手动运行时无反馈，运行人员总要不断的调整，劳动强度较大。

3)抗干扰能力差。任何电磁干扰都可能造成调速器误动作。

4)检修维护不方便。调整环节太多，每次检修后，仅调整各个节流阀就需要几天时间。

2．改造方案

针对漾头水电站的具体情况，拟定如下改造方案：

方案一.用ZFST－100型数字阀pcc可编程智能调速器整机替换原调速器。采用机电合柜形式。

方案二.保留原调速器主配压阀，去掉原调速器中除主配压阀以外的其他部分，采用步进电机替代电液转换器，采用PCC可编程智能调节器替换原模拟电子调节器。采用机电合柜形式。

由于主配压阀的结构形式为滑阀，主配压阀活塞与衬套之间的间隙所造成的渗漏就不可避免，为了减少主配压阀活塞与衬套之间的渗漏，就要在主配压阀活塞阀盘与衬套与窗口之间加大搭叠量，而搭叠量加大了调速器机械死区。由于主配压阀活塞与衬套之间的间隙所造成的渗漏不可避免，因此在手动运行时就需要机械反馈来补偿，否则，接力器就要漂移。

由于漾头水电站原调速系统没有采用机械反馈。因此，在设备改造时，必须采用无钢丝绳反馈（或杠杆反馈）结构，只采用电气反馈。如采用方案二即保留原调速器主配压阀，手动运行时溜负荷。由于溜负荷，增加了运行人员的劳动强度。而采用方案一数字阀调速器则能解决这一难题。

综上所述采用方案一最为理想。

为了适应机组安全稳定运行要求，实现水电站“无人值班”（少人值守），铜仁市地方电力公司漾头水电站经过调查研究，选用天津市科音自控设备有限公司研制的新一代调速器：ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器，对原调速器进行了整机更换改造，率先实现了在轴流转浆式水轮发电机组上应用数字阀+可编程计算机控制器的智能调速器。

3．数字阀PCC可编程智能调速器

结合水轮机调速器的特殊性，ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器，选用不同于常规PLC的新一代可编程控制产品－PCC，即从贝加莱公司（B&R）进口的可编程计算机控制器B&R2003。它面向自动化过程，而不是面向继电器逻辑电路仿真，这就是B&R2003的理念。PCC代表着一个全新的控制概念，它集成了可编程逻辑控制器(PLC)的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统功能。它能方便地处理开关量，模拟量，进行回路调节。并能用高级语言编程，具备大型机的分析运算能力。其硬件具有独特新颖的插拔式模块结构，可使系统得到灵活多样的扩展和组合。软件也具备模块结构，系统扩展时只需在原有基础上叠加运用软件模块。CPU运行效率高，用户存储器容量大。这些优越性都为智能式水轮机调速器提供了强有力的资源保证。

在电气机械转换方面，采用电磁球阀替代电液转换器；在放大级采用二通插装阀替代主配压阀。调速器从总体上降低了对油质的要求，从根本上避免了电液转换器发卡的弊病。由于数字阀技术是采用高速电磁球阀为先导阀，以二通插装阀为主阀，而且插装阀的密封形式为锥阀，因此数字阀又具有液压锁的功能，有效地避免了接力器的漂移，因此主接力器无需机械反馈。所以数字阀调速器在漾头水电站的应用，可以以最小的改动，达到整机改造的目的。由于该系统的先导电磁球阀又具有手动阀及事故阀的功能，减化了调速器内部结构，从结构上减化了整个调速系统。所以该型调速器实现了真正意义上的无杠杆，无管路；在结构上采用集成块的形式，外形简洁明快，可靠性极高，性能优良。由于无需机械反馈，该型调速器在机组的布置上可不受任何限制，厂房整齐，美观。

3.1主要特点

1)全新的控制理念。采用不同于常规PLC的新一代可编程计算机控制器--PCC，面向控制过程，能采用高级语言，分析运算能力强，在同一CPU中能同时运行不同程序。程序运行时仅扫描部分程序，效率很高。

2)全PCC化，具有极高的可靠性。从输入到输出,从测频到控制脉冲等各环节均实现了PCC化。PCC的平均无故障时间MTBF高达50万小时，即57年。常规PLC的平均无故障时间MTBF为30万小时。

3）多任务的优点。在传统PLC中，并行处理是靠程序扫描来完成的。但事实上多任务才是并行处理的逻辑表达式，更简单直接的方法就是采用多任务技术。PCC恰恰可以满足这种需求，当某一任务在等待时，其他任务仍可继续执行，非其他常规PLC可以比拟。

4）智能型调速器。采用自适应式变结构，变参数并联PID调节。自动识别电网的性质，并自动适应电站的各种特殊运行方式，如孤网运行，及由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况，均可保证机组稳定运行。人性化设计，具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能。

5）采用PCC高速计数模块(HSC)测频。PCC高达6.3MHz的计数频率，具有很高的测频精度和可靠性，从而使调速器的输入通道－测频环节的可靠性有了根本的保证。

6）由PCC实现信号综合及控制脉冲的输出。调节器的电气开度（数字信号），和转换为数字信号的接力器实际位移由PCC内部进行综合比较，输出控制脉冲信号，经功率放大后，直接驱动先导电磁阀。充分发挥了PCC多任务的功能。

7）联网方便。具有RS232或RS485通讯接口，可以方便地实现人机对话，及与上位机通讯，提高电站的自动化水平。

8）调节模式灵活。可实现频率调节，开度调节，功率调节，并可实现调节模式间的无扰动切换。

9）PCC的大内存，为智能型调速器提供了资源保证。用户内存：1.5MBFLASHPROM，远大于常规PLC10KB左右的内存。

10)采用电磁球阀做为电液转换元件。彻底解决了常规调速器电液转换元件油污发卡的问题，使电站可以实现完全可靠的自动运行。

11)可以适应电站的各种特殊运行方式。如孤网运行，及由大电网解列为小

电网运行的突变负荷等特殊情况，均可保证机组稳定运行。

12)具有故障锁锭的功能。由于数字阀只有通/断两个状态，且数字阀采用锥阀密封可以保证在31.5MPa下无泄漏，所以，数字阀又具有液压锁的功能，因此该系列调速器在测频信号消失及断电等情况下，具有故障锁锭的功能。

13)无杠杆结构。该系列调速器采用了数字阀液压随动系统，自动时有电气返馈，手动无需反馈，因此取消了杠杆，消除了因为杠杆造成的死区，提高了调速系统的精度，而且无管路，结构简单，美观。

14)友好的人机界面。采用触摸屏做为人机界面，画面美观逼真，全中文显示，操作方便，可以同时显示很多信息。

15)维护简单调试方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，对于运行维护人员没有太高的特殊要求，调试只需设定有关数字，没有太多的电位器等可调元件。

16)采用数字协联方式。桨叶随动系统准确度高。

17)零扰动手/自动切换。由于自动运行时，电磁球阀每次动作后都处于失电状态；而切断电源即为手动运行。手动运行时，电子调节器跟踪接力器的实际开度。因此数字阀调速器实现了零扰动手/自动切换

3．2主要功能

ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器具有自动、电手动、手动三种操作方式，且可无条件无扰动切换。具有很多功能，实用性智能性很强，除常规功能外具有如下主要功能。

1）空载运行时，能自动跟踪系统频率,实现快速并网。

2）具有频率调节、开度调节、功率调节三种模式，并可实现调节模式间的无扰动切换。功率调节模式下，可接受上位机控制指令，实现发电自动控制功能(AGC)。

3）具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能，并可将有关故障信息显示在屏幕上，或发出报警信号。

4）与上位机通讯的功能，接受上位机的控制命令，给上位机传送有关信息。

5）开停机智能控制。

6）具有参数记忆功能。当电源失电时，PCC可保存数据存储器的内容，使运行人员可以方便地修改有关参数并被记忆。

7）具有水位调节功能。

8）多级密码保护功能。持有密码级别的高低，决定了对系统行使权利的大小。运行人员只能观察到常规显示画面并进行常规操作，检修人员或管理人员可对调节参数等进行修改。

9)采用交直流双重供电，当交流电源故障时，直流电源自动投入，直流电源故障时，保持当前开度不变。

10)空载运行，当机频信号消失时，自动将开度保持在空载开度以下，以防过速。并网运行，当机频信号消失时，自动切换为网频测量回路，保持正常发电运行，同时发出机频故障信号。

3.3调速器工作过程

数字阀PCC智能调速器的结构框图如图1所示。

调速器自动运行时，接收到开机令后，按照预先设定好的开机规律开机。当网频测量正常时，调速器自动选择频率调节模式，PCC按照机频与网频的差值进行PID运算，为实现快速并网作好准备；当网频测量故障时，自动切换为开度调节模式，PCC按照机频与频率给定的差值进行PID运算。PCC根据电气开度和实际开度的差值输出脉宽调制（PWM）信号，经功率放大后驱动电磁球阀，调节导叶开度，使机组自动运行于空载工况。

并网后，如为并大电网运行，自动切换为开度调节模式。如为孤网运行，自动选择频率调节模式。通过上位机或触摸屏改变功率给定值，调节器经PI运算后，实现负荷调节。接到停机令后，调速器自动将机组关机，完成停机过程。

4．现场试验结果

现场进行了静态，动态试验，第一台调速器现场试验结果如下：

1）转速死区：0.015%

2)空载扰动试验

调速器自动运行，选择多组PID调节参数，选取频率摆动值和超调量较小，稳定快、调节次数少的一组调节参数，作为空载运行参数,即:bt=45，Td=20，Tn=0.5

上扰：48.00Hz至52.00Hz，下扰：52.00Hz至48.00Hz

PID调节参数

上扰/下扰

最高(低)值（Hz）

调节次数（次）

调节时间（s）

bt=45

Td=20

Tn=0.5

上扰

52.03

1

8

下扰

47.46

1

7

3)空载频率摆动值

将调速器切至自动位置，PID调节参数为上步试验优选出的空载运行参数，机组开至额定转速。机组运行稳定后观察机组频率摆动值，每次三分钟，共三次，取平均摆动值。

最大值

最小值

Fj（Hz）

50.03

49.98

Fj（Hz）

50.02

49.96

Fj（Hz）

50.04

49.99

自动空载频率摆动值：±0.06%

4）甩25%额定负荷，接力器不动时间为0.18s。

5）甩100%额定负荷，转速最大上升为额定转速的133.6%，超过3%额定转速的波峰次数为1次，从接力器第一次向开启方向移动起，到机组转速摆动值不超过±0.5%为止所经历的时间为27S。

6）突变负荷试验

突增，突减25%额定负荷，非常迅速地稳定在新的工况，完全符合电站实际运行的要求。

5．结束语

试验结果表明，天津市科音自控设备有限公司生产的ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器的各项性能指标均优于国家标准“水轮机调速器与油压装置技术条件GB9652.1-1997”。第一台投入运行已有两年，第二台投入运行已有一年，实践表明，调速器未出现任何故障，运行人员操作简单，维护工作量很少，大大减轻了劳动强度，并减少了运行人员。该型调速器完全满足电站“无人值班”（少人值守）的要求。调速器的成功改造，给漾头水电站带来了非常可观的经济效益。

参考文献

[1]米建国．对常规数字PID调节器算法的改进．大电机技术，1998（4）

[2]齐蓉．可编程计算机控制器原理及应用．西安：西北工业大学出版社，2002。