1 引言
水輪機調速器是水電站最重要的自動控制設備之一，其運行的好壞直接影響著機組運行可靠性和電能質量。現代水輪機調速器的模式一般為電子調節器+電液隨動系統[1]。目前，電子調節器主要有基于單片機、工業控制機（IPC）和可編程邏輯控制器（PLC）等三種類型。基于單片機的調速器，其硬件多為自行設計，硬件上受到CPU、內存容量及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 調速器以其高可靠性在水電站得到廣泛的應用，但PLC 由于其本身性能的限制，解決不了水輪機調速器頻率測量的精度和實時性的問題，因而市場上大多數的PLC調速器靠另加一單片機完成測頻任務。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 調速器整機可靠性。另外，傳統的電液隨動系統普遍存在抗油污能力差，系統結構復雜，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）的微機調節器和強驅動、力反饋集成式電液隨動系統構成的新型調速器。
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，將計算機的多任務分時操作系統及高級編程語言引入可編程計算機控制器，其性能比常規PLC 有較大的增強和提高[3]。
強驅動、力反饋集成式電液隨動系統采用最新專利技術，結構簡單，工作可靠，功能完善，抗油污能力強，技術指標高[2]。
2 整體結構
PCC 強驅動、力反饋集成式水輪機調速器的整體結構如圖1 所示。
圖1 PCC 強驅動、力反饋集成式水輪機調速器的整體結構
測頻子程序分別將機頻和網頻變換為數字量，經容錯邏輯子程序判斷后與頻率給定值進行比較，其差值經PID 子程序運算后與調整值相加，再經開限子程序限制后送至驅動放大器，驅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動、力反饋集成式電液主配壓閥。
3 PCC 強驅動、力反饋集成式水輪機調速器硬件設計
3.1 PCC 硬件配置
PCC 強驅動、力反饋集成式水輪機調速器硬件配置如圖２所示。該調速器以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，具有結構緊湊，集成端子排技術，標準現場總線等技術。針對水輪機調速器的功能要求，選用CP430作為調速器的CPU 模塊，采用２塊CM211-組合模塊作為數字量、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路數字量輸入，８路數字量輸出。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、參數。
圖2 PCC 強驅動、力反饋集成式水輪機調速器的硬件配置
3.2 強驅動、力反饋集成式電液隨動系統[2]
強驅動、力反饋集成式電液隨動系統結構框圖如圖３所示。
圖3 強驅動、力反饋集成式電液隨動系統結構框圖
在圖３中 ，擺動電機將從驅動放大器輸入的功率驅動信號轉變為相應的力去驅動先導閥；先導閥在該力作用下輸出流量，使輔助接力器產生位移；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，促使先導閥復中；穩定后先導閥所受輔助接力器的反饋力與擺動電機的驅動力大小相等、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，因而可以應用輸出位移雖然不大但輸出力卻很大的電-機轉換器，如擺動電機、比例電磁鐵、步進電機等，以產生很強的驅動力，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根據需要進行設計：因為在同樣的驅動力下輔助接力器及主配壓閥所對應的位移量與位移-力變換器（如反饋彈簧）的剛度有關，剛度大位移量小，剛度小則位移量大。
此新型隨動系統集電機轉換器、液壓先導級、輔助接力器、主配壓閥于一體，結構簡單，可靠性高。采用擺動電機作電-機轉換器可方便地獲得很強驅動力，從而使得隨動系統抗油污能力大大提高。
4 PCC 強驅動、力反饋集成式水輪機調速器軟件設計
本研究采用PL2000 高級語言編程。PL2000 是一種以文本為基礎的高級編程語言，語言的結構符合IEC1131-3 的標準，程序可讀性強，編程效率高。
4.1 頻率測量
將取自電網和機組電壓互感器的交流電壓信號經過放大整形電路后，變成同頻率的方波信號，再經過二分頻電路后，送到PCC 的高速數字量輸入模塊DI135，通過測頻子程序，計算出機頻和網頻。顯然，分頻后的信號的半周期正好等于機組頻率和電網頻率的周期。由于DI135 的計數頻率為４MHz，設機組頻率Fg=50 Hz，則周期Tg=0.02 s，測得的周期數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，在軟件設計上，還考慮了測頻失效容錯處理，即在機組并網運行狀態下，當機組測頻正常時，輸出機頻；當機組測頻失效，電網測頻正常時，輸出網頻；當機組及電網測頻均失效時，輸出給定頻率，即額定頻率，從而保證了測頻環節的可靠性。
4.2 改進型并聯PID 調節規律
測頻模塊輸出頻率值經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 調節器，由PID 子程序進行相關運算。本文采用改進型并聯PID調節規律。
并聯PID 調節規律的傳遞函數為：
改進型并聯PID 調節規律的傳遞函數為：
改進型并聯PID 調節規律的傳遞函數較并聯PID調節規律的傳遞函數極點數少一個，所以此改進型并聯PID 調節規律比并聯PID 調節規律有更大的超前作用。而水輪機調節系統的對象是非最小相位系統，調節對象嚴重滯后，所以要求調節規律有較大的超前作用。因此，用改進型并聯PID 調節規律更合適。
5 現場應用
該新型調速器已于2001 年應用于新疆烏蘇市一級水電站1 號機和2 號機。現場運行穩定可靠，性能指標均滿足或優于國標GB/T9652.1-1997 的規定值，其中主要特性試驗結果如下：
(1) 靜特性試驗，頻率死區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，轉速上升為最大額定轉速的126%，調節時間為20 s，轉速波動次數為1 次。
6 結束語
PCC 強驅動、力反饋集成式水輪機調速器是在長期現場實際運行的基礎上開發出來的。PCC 調節器與強驅動、力反饋集成式電液隨動系統的結合，使整個調速器性能大大提高，現場運行深得用戶好評，是目前水輪機調速器發展的方向。
[參 考 文 獻]
[1] 魏守平.現代水輪機調節技術[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[M].西安：西北工業大學出版社，2000 年4 月.
[收稿日期] 2004-02-10
[作者簡介]
張曉英（1973-）,女，四川人，2001 年畢業于西安理工大學，碩士，研究方向為電力系統自
動化，講師。
