水轮发电机组调速器的发展和应用探讨
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摘 要：水轮机调速器经历了机械液压调速器和模拟式电液调速器的发展阶段，目前主要采用微机调速器。因微机调速器具有调节灵敏度高、实现功能灵活方便、维护容易、可靠性高、可实现自动化等优点，因此本文探讨了它的发展和应用。
中图分类号：TM31 文献标识码：A
水轮机调速器是水轮机调速系统的重要组成部分，它与水轮发电机组的稳定运行有着密切的关系。水轮发电机组的控制任务主要是保持频率和电压两个参数稳定，频率控制是通过控制发电机组的转速实现的，而转速控制正是由水轮机调速器完成的；电压控制则由发动机励磁调节器来完成。水轮机调速器经历了机械液压调速器、模拟式电液调速器、微机调速器的发展。电液调速器比机械液压调速器精度高、更灵敏，而且制造成本较低，所以获得了广泛应用，但随着微电子技术的快速发展，模拟式电液调速器也在被微机调速器所取代，因此本文主要探讨微机调速器的发展和应用。
1 微机调速器的类型、发展和控制技术
1.1 微机调速器的主要类型和发展变化
在20世纪80年代我国开始研发微机调速器并将其应用于水电站，研究起点与国外几乎同步。从研究角度上看，我国微机调速器与国际先进水平的差距并不大，但由于基础工业相对薄弱，在元器件质量、制造工艺、工业保证体系方面与国外仍有差距。微机调速器硬件方面经历了单板机到单片机、可编程控制器（PLC）和工业控制机（IPC），再到可编程计算机（PCC）的过程；开发环境则由机器码、汇编语言、高级语言发展到图形界面开发平台。微机调速器在发展过程中形成了三种比较典型的调速器即双微机调速器、PLC调速器和PCC调速器[1]。
双微机调速器是20世纪90年代大批量生产并投入应用的。控制采用两套模块，其中一套为主机，另一套为辅机，两套互为热备用。主机出现故障时，可切换到辅机。由于两套模块互备用，提高了系统的可靠性。双微机调速器主要问题是：插件接触不良、死机频繁、板件加工工艺较差。当然，市场产品良莠不齐，也有些专业生产厂家的32位双微机调速器，其质量可靠性几乎与PLC、PCC相当。
PLC调速器由中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、和输入输出接口（I/O）电路等组成，可看作执行逻辑功能和数字计算的控制装置。早期的一些PLC采用继电器进行逻辑控制，目前大多采用计算机控制系统。ROM用于存放系统监控程序，并由厂家编写并固化在里面。RAM允许用户按其具体控制要求编写程序。PLC的优点是工作可靠、模块组合灵活、编程简单、安装维修方便等，不足之处是没能很好地利用内部稳定的时钟，而利用外部时钟频率源则增加了干扰；其次是接口和编程灵活性不太够，尤其不易实现比较复杂的高级算法。
PCC兼具PLC和IPC的功能，前者易扩展、可靠性高；后者运算能力强、编程方便、实时性强。PCC硬件方面采用插拔式模块结构；软件方面采用高级语言编程，也具有软件模块叠加功能。所以，扩展能力、运算能力都非常强。支持32位或64位多个CPU同时运行，还具有高速智能处理器TPU，因此具有执行多任务的优点。控制理念完全不同于PLC，编程控制器直接面向过程，而且程序运行不必扫描所有程序，运行效率和可靠性都非常高。采用高速计数模块（HSC）测频，计数测频可达6MHz以上，测频精度和实时性都非常好。
1.2 微机调速器控制技术的发展
微机调速器与其他调速器的一个本质上的区别是微机可实现灵活编程，因而改变或增加功能也容易的多。随着控制理论研究的不断深入，水轮机的调速控制技术也在不断发展和变化。常用的控制技术有：（1）PID控制技术。PID即比例（P）、积分（I）、微分（D）的线性组合。出现偏差时，先以比例系数进行调节；偏差趋于稳定时，采用积分环节消除静差；系统存在扰动因素时，微分环节可以发挥较大的作用。由于水轮机调节系统本身是非线性系统，常规PID无法解决稳定性与精确性的矛盾，所以产生了许多基于PID改进的策略。（2）自适应控制。这是一种基于被控对象及其环境改变而实时改变控制方式及其参数的策略。然而，控制的稳定性、收敛性、鲁棒性等问题尚未完全得到解决。（3）智能控制。利用水轮机调节领域的专家经验建模，不需要很强的适应性和鲁棒性，智能地处理各种调节需求。比较典型的控制方法有模糊逻辑控制、神经网络控制和遗传算法控制。（4）鲁棒控制。水轮发电机组调控系统既是非线性、时变、非最小相位的系统，同时又与各电站的水、机、电等个性因素有关，调节特性极为复杂。鲁棒控制采用的方式与前面几种不同，不以直接反馈调节系统，而是建立一个可以适应整个工域内各种变化的模式，简言之即“不变应万变”。但目前鲁棒控制仍有局限，不具备调差和消除静差的功能，不适合稳态运行等。
2 微机调速器在水轮发电机组中的应用
2.1 PCC步进调速器的应用
目前，中小型水电站主要采用单片机、IPC、PLC三种类型微机调速器，所配电液随动系统的技术性能和可靠性与微机调速器不相协调，主要是电液伺服阀运行过程中易堵、发卡，对油质要求高，而且渗漏问题也没有得到解决，选择PCC步进调速器可有效解决这些问题。
PCC调速器的硬件采用奥地利B&R公司的X20系列PCC控制器。CPU可选用CP474、CP476；测频模块可选择DI135、DI140；接力器位移量输入模块可用AI351、AI774；数字混合模块用DM438；人机接口可用P120。液压随动系统采用两级电液随动系统，并在第一级液压系统中以步进电机取代电液伺服阀以克服发卡失灵问题。
PCC调速器的软件采用多任务分时操作系统，调速器软件结构划分5个模块，测频软件利用调速器内置TPU模块，计数频率达到4MHz以上。编程可采用AS类的C语言。
2.2 采用IEC61850标准的数字调速器
IEC61850是国际电工委员会所制定的面向变电站的公共通信标准，因其良好的扩展性和体系结构，现在已扩展到水电站监控、发电信息交换以及变电站与调度中心、其他变电站之间的通信控制。随着IEC61850的不断发展和完善，其正成为智能水电厂建设的基石。
基于IEC61850的数字化水轮机调速系统，将不同功能分布在各个智能电子设备（IDE）中，并通过站控层、间隔层、过程层与电站其他设备互联，实现信息共享和互操作，可减少重复投资。系统结构如图1所示。系统中的调节器、智能液压伺服系统等采用冗余方式，两套互为备用，具多重容错功能，系统可靠性高。
结语
水轮发电机组调速系统集水、机、电于一体，其调节过程极为复杂，而且水轮机调速器发展至今也绝不仅限于调速一项功能，无论是硬件还是建立在软件基础上的控制策略都在不断发展，作为水电技术人员应当经常关注其最新发展成果并加以利用。
参考文献
[1]蔡晓峰，张新龙，张雷.双微机、浅谈中国水轮机调速器电气控制器的发展[J].水力发电，2010.
[2]高庆敏，王利平，孟繁为.现代水轮发电机调速策略的发展[J].华北水利水电学院学报，2011.
[3]戴宗泉.基于PCC的步进式水轮机调速器软硬件系统分析[J].中国水能及电气化，2012.
[4]陈启明，吕桂林.基于IEC61850的数字化水轮机调速系统的探讨[J].水电自动化与大坝监测，2011.