论文部分内容阅读
[摘 要]调速器是水轮发电机组自动控制、调节系统的核心部件之一，其性能、工况直接关系水电站输出的电能质量和供电可靠性。本文介绍了紫坪铺水电厂调速器的硬件配置、设备特点及主要功能。
[关键词]紫坪铺电厂、调速器
中图分类号：TV734.1文献标识码：A文章编号
0 前言
水轮机是靠自然水能进行工作的动力机械。与其他动力机械相比，具有效率高、成本低、环境卫生、便于综合利用等优点。用户除要求供电安全可靠之外，对电网频率的质量要求十分严格。按我国电力部门规定，大电网频率为50HZ，允许偏差为±0.2HZ，对于中、小电网，允许偏差为±0.5HZ，我国目前的中、小电网，系统负荷波动可达总容量的5-10%，即使是大的电力系统，其负荷波动也可达总容量的2-3%，电力系统负荷的不断变化将导致系统频率的波动，因此，必须根据负荷的变化不断地调节水轮发电机的有功功率输出，维持机组的转速（频率）在规定范围内，水轮机调节就承担着这样的任务。水轮机调速器与
油压装置是水电站的辅助设备，承担了水轮机调节的主要任务维持被控水轮发电机的转速（频率）在允许范围内，并与电站二次回路和自动化元件一起，完成水轮发电机组的自动开机、正常停机、紧急停机、增减负荷等操作控制功能。水轮机调速器还可以与其他设备相配合，实现成组调节、流量控制、按水位信号调节等自动化运行方式。
测量元件把机组转速（频率）转换成机械位移（机械液压调速器）或电气信号（电气液压调速器）或数字信号（微机调速器），与给定信号和反馈信号比较，综合后，经放大校正元件使执行机构（接力器）操作导水机构。同时，执行机构的作用又经过反馈信号，从而使调速器具有一定静态特性和动态调节规律。
紫坪铺调速采用的是双IPC+PLC+简易手动（且双功放+双比例阀+双传感器）的方式，以工业控制微机IPC 和可编程逻辑控制器PLC为核心，采用双微机通道冗余控制+PLC电手动控制结构，并配以液晶触摸屏作为操作显示接口，具有良好的全中文图形人机界面和在线帮助系统，操作简单方便。电气柜结构为模块化的硬件结构，易于维护、维修，可靠性高。
1 紫坪铺调速硬件配置
从功能上分为人机操作与显示（上位机）和调节控制（下位机）两大部分，人机操作与显示部分，即上位机由液晶触摸屏构成，主要完成运行参数修改与保存，运行状态的显示及故障查询；与电站监控系统的通讯和调速器常规静态与动态性能指标的测试。调节控制部分，即下位机由IPC型工控机组成，完成调速器的数据采集、调节控制与故障保护功能。上位机与下位A、B机、PLC之间通过网络通讯构成一个统一的整体。
硬件：模拟量输出板（D/A，采用带隔离的8通道模拟量输出板ISO-DA8，每个通道均可输出电压或电流信号，各个通道输出调整均由软件实现），模拟量输入板（A/D，采用带隔离的32路单端16路双端模拟量输入板ISO-AD32L，可输入单端或双端电压信号，A/D采样分辨率为12bit，最大转换速率为200KS/ S），开关量输入输出板（D/O，采用带光电隔离的8路开关量输入，8路继电器输出板P8R8DIO，开关量输入信号为AC/DC5～24V），双口高速RS422/485接口卡（可实现双机之间以及双机与监控系统之间的通讯），CPU主板，智能测频模块（两路机组信号（一路PT，一路齿盘）和一路电网TV信号直接输入测频模块，经信号隔离变压器后送入整形电路，由单片微处理器测出机组频率和电网频率后经RS232通讯接口输入工控机，TV信号幅值范围为0.3～150V，线性频率范围为10～90HZ，测频分辨率小于0.001HZ），比例阀功放板（对A、B机输出的电流信号进行比例放大，供电电源为24VDC，输入信号为±10V），信号调理模块（采用标准隔离型模拟信号输入/输出调理模块，对模拟量的输入信号进行隔离，排除干扰信号，保证信号稳定，该模块可提供1000VDC的隔离功能，其光隔离技术比传统的变压器拥有更高的抗电磁干扰能力，且功率消耗较低），功率变送器（将机端电流电压信号输入到功率变送器，其输出10～20mA的电流进入A、B机，转换为功率，并且由智能触摸屏显示）。
2 紫坪铺设备特点
（1）、可靠性高、强抗干扰能力
我厂电调具有良好的可靠性保证，内部元件采用进口元器件，双IPC+PLC，（采用高可靠性、抗干扰能力强的IPC及其系列模块，构成调速器双微机冗余的硬件结构，调速器系统的平均无故障时间（MTBF）大大提高，两套完全相同的微机系统（A、B）互为备用，当其中一套微机系统出现故障时，该系统所有输出将断开，另一子系统上相应输出闭合，如果故障系统为在线系统，将无扰动切换到备用系统，如果故障系统为备用系统，则只需退出备用，两套系统同时故障还可切换到电手动运行。PLC电手动能单独开机、停机以及增加和减少负荷。），双开关电源（两套工业级的大功率开关电源构成调速器控制系统电源，一套输入交流220V，一套输入直流220V，每一套开关电源容量均可以满足整个调速器控制系统同作需要，正常工作时，两套电源互为热备用，不论交流电源或直流电源发生故障，均能保证系统正常工作），双通道测频（PT主用、齿盘备用），双功放，双接力器传感器。
（2）、运行数度快，控制精度高，采用32位的微机处理器作为系统的控制核心，高速、高精度模/数和数/模转换通道，系统控制精度和运行速度进一步增强。
（3）、人机接口友好、操作简单。采用彩色液晶触摸屏，全中文化图形操作界面构成人机接口，取代常规LED和光字牌构成的人机接口，更加清晰准确地显示机组当前的运行工况，运行参数，使调速器操作更加简单，便于电站运行人员掌握。
（4）、强大的通讯能力，采用双口高速RS422/RS485串行接口卡，可方便地与上位监控系统组成现地工业网络，便于电厂综合自动化控制。
（5）、完善的功能，不仅拥有常规调速器各种调节功能和故障检测功能，还内嵌调速器系统试验和性能仿真软件包，可不需任何外接仪器，便可对调速器系统进行各种动、静态试验方便系统调试。
3 紫坪铺设备功能
（1）、保证常规水轮机发电机组迅速地开机、停机、并网及增减负荷；稳定运行于机组自动空载、并网带负荷、调相、调频等工况。
（2）、通过触摸屏显示器简洁清晰的全中文图形界面，实时显示机组当前工况和状态以及机组的频率、有功功率及导叶开度；允许通过菜单设置实时修改空载运行参数、负载运行参数、人工失灵区和发电工况的调节模式。
（3）、调节规律采用智能式变结构PID调节规律，能使机组适应电网的各种恶劣变化，即负载实时监视电网波动情况，能在电网发生变化时，自动选择最优调节规律及调节参数，保护机组安全，并使机组始终工作于最佳状态，保证机组可靠运行。
（4）、拥有三种调节模式：转速（频率）调节模式、功率调节模式、开度调节模式。
（5）、实时采集水头信号，自动按水头修正空载开度和空载调节控制参数和不良工况限制区，并有效克服水头波动。还可以从触摸屏输入“人工水头”，进行需要的调节，避免了水头信号的失效产生的负荷冲击。
（6）、内嵌调速器调速性能测试模块，可用于调速器系统性能测试：如测试调速器的转速死区、非线性度等静态指标及空载摆动、甩负荷的超调量及调节时间等动态指标，能以表格和曲线的形式自动显示和记录试验结果，并评价动态过程的数据。
（7）、能准确诊断机组频率故障、导叶反馈故障、伺服比例阀故障時、输入/输出通道故障、电源系统故障等多种故障，并采取相应的保护措施，保证机组安全稳定运行。并且实时显示多种调速系统故障信息并报警。
4 结束语
紫坪铺水电厂采用的双IPC+PLC+简易手动型调节器，易于维护、可靠性高，适用于大中型混流式、轴流式、贯流式、抽水蓄能机组。
参考文献
[1] 水轮机调速器系统，四川德阳东方电机控制设备有限公司，2004年7月.
[2] 魏守平，现代水轮机调节技术，华中理工大学出版社，2002年1月.
紫坪铺开发有限责任公司电厂筹备处
[关键词]紫坪铺电厂、调速器
中图分类号：TV734.1文献标识码：A文章编号
0 前言
水轮机是靠自然水能进行工作的动力机械。与其他动力机械相比，具有效率高、成本低、环境卫生、便于综合利用等优点。用户除要求供电安全可靠之外，对电网频率的质量要求十分严格。按我国电力部门规定，大电网频率为50HZ，允许偏差为±0.2HZ，对于中、小电网，允许偏差为±0.5HZ，我国目前的中、小电网，系统负荷波动可达总容量的5-10%，即使是大的电力系统，其负荷波动也可达总容量的2-3%，电力系统负荷的不断变化将导致系统频率的波动，因此，必须根据负荷的变化不断地调节水轮发电机的有功功率输出，维持机组的转速（频率）在规定范围内，水轮机调节就承担着这样的任务。水轮机调速器与
油压装置是水电站的辅助设备，承担了水轮机调节的主要任务维持被控水轮发电机的转速（频率）在允许范围内，并与电站二次回路和自动化元件一起，完成水轮发电机组的自动开机、正常停机、紧急停机、增减负荷等操作控制功能。水轮机调速器还可以与其他设备相配合，实现成组调节、流量控制、按水位信号调节等自动化运行方式。
测量元件把机组转速（频率）转换成机械位移（机械液压调速器）或电气信号（电气液压调速器）或数字信号（微机调速器），与给定信号和反馈信号比较，综合后，经放大校正元件使执行机构（接力器）操作导水机构。同时，执行机构的作用又经过反馈信号，从而使调速器具有一定静态特性和动态调节规律。
紫坪铺调速采用的是双IPC+PLC+简易手动（且双功放+双比例阀+双传感器）的方式，以工业控制微机IPC 和可编程逻辑控制器PLC为核心，采用双微机通道冗余控制+PLC电手动控制结构，并配以液晶触摸屏作为操作显示接口，具有良好的全中文图形人机界面和在线帮助系统，操作简单方便。电气柜结构为模块化的硬件结构，易于维护、维修，可靠性高。
1 紫坪铺调速硬件配置
从功能上分为人机操作与显示（上位机）和调节控制（下位机）两大部分，人机操作与显示部分，即上位机由液晶触摸屏构成，主要完成运行参数修改与保存，运行状态的显示及故障查询；与电站监控系统的通讯和调速器常规静态与动态性能指标的测试。调节控制部分，即下位机由IPC型工控机组成，完成调速器的数据采集、调节控制与故障保护功能。上位机与下位A、B机、PLC之间通过网络通讯构成一个统一的整体。
硬件：模拟量输出板（D/A，采用带隔离的8通道模拟量输出板ISO-DA8，每个通道均可输出电压或电流信号，各个通道输出调整均由软件实现），模拟量输入板（A/D，采用带隔离的32路单端16路双端模拟量输入板ISO-AD32L，可输入单端或双端电压信号，A/D采样分辨率为12bit，最大转换速率为200KS/ S），开关量输入输出板（D/O，采用带光电隔离的8路开关量输入，8路继电器输出板P8R8DIO，开关量输入信号为AC/DC5～24V），双口高速RS422/485接口卡（可实现双机之间以及双机与监控系统之间的通讯），CPU主板，智能测频模块（两路机组信号（一路PT，一路齿盘）和一路电网TV信号直接输入测频模块，经信号隔离变压器后送入整形电路，由单片微处理器测出机组频率和电网频率后经RS232通讯接口输入工控机，TV信号幅值范围为0.3～150V，线性频率范围为10～90HZ，测频分辨率小于0.001HZ），比例阀功放板（对A、B机输出的电流信号进行比例放大，供电电源为24VDC，输入信号为±10V），信号调理模块（采用标准隔离型模拟信号输入/输出调理模块，对模拟量的输入信号进行隔离，排除干扰信号，保证信号稳定，该模块可提供1000VDC的隔离功能，其光隔离技术比传统的变压器拥有更高的抗电磁干扰能力，且功率消耗较低），功率变送器（将机端电流电压信号输入到功率变送器，其输出10～20mA的电流进入A、B机，转换为功率，并且由智能触摸屏显示）。
2 紫坪铺设备特点
（1）、可靠性高、强抗干扰能力
我厂电调具有良好的可靠性保证，内部元件采用进口元器件，双IPC+PLC，（采用高可靠性、抗干扰能力强的IPC及其系列模块，构成调速器双微机冗余的硬件结构，调速器系统的平均无故障时间（MTBF）大大提高，两套完全相同的微机系统（A、B）互为备用，当其中一套微机系统出现故障时，该系统所有输出将断开，另一子系统上相应输出闭合，如果故障系统为在线系统，将无扰动切换到备用系统，如果故障系统为备用系统，则只需退出备用，两套系统同时故障还可切换到电手动运行。PLC电手动能单独开机、停机以及增加和减少负荷。），双开关电源（两套工业级的大功率开关电源构成调速器控制系统电源，一套输入交流220V，一套输入直流220V，每一套开关电源容量均可以满足整个调速器控制系统同作需要，正常工作时，两套电源互为热备用，不论交流电源或直流电源发生故障，均能保证系统正常工作），双通道测频（PT主用、齿盘备用），双功放，双接力器传感器。
（2）、运行数度快，控制精度高，采用32位的微机处理器作为系统的控制核心，高速、高精度模/数和数/模转换通道，系统控制精度和运行速度进一步增强。
（3）、人机接口友好、操作简单。采用彩色液晶触摸屏，全中文化图形操作界面构成人机接口，取代常规LED和光字牌构成的人机接口，更加清晰准确地显示机组当前的运行工况，运行参数，使调速器操作更加简单，便于电站运行人员掌握。
（4）、强大的通讯能力，采用双口高速RS422/RS485串行接口卡，可方便地与上位监控系统组成现地工业网络，便于电厂综合自动化控制。
（5）、完善的功能，不仅拥有常规调速器各种调节功能和故障检测功能，还内嵌调速器系统试验和性能仿真软件包，可不需任何外接仪器，便可对调速器系统进行各种动、静态试验方便系统调试。
3 紫坪铺设备功能
（1）、保证常规水轮机发电机组迅速地开机、停机、并网及增减负荷；稳定运行于机组自动空载、并网带负荷、调相、调频等工况。
（2）、通过触摸屏显示器简洁清晰的全中文图形界面，实时显示机组当前工况和状态以及机组的频率、有功功率及导叶开度；允许通过菜单设置实时修改空载运行参数、负载运行参数、人工失灵区和发电工况的调节模式。
（3）、调节规律采用智能式变结构PID调节规律，能使机组适应电网的各种恶劣变化，即负载实时监视电网波动情况，能在电网发生变化时，自动选择最优调节规律及调节参数，保护机组安全，并使机组始终工作于最佳状态，保证机组可靠运行。
（4）、拥有三种调节模式：转速（频率）调节模式、功率调节模式、开度调节模式。
（5）、实时采集水头信号，自动按水头修正空载开度和空载调节控制参数和不良工况限制区，并有效克服水头波动。还可以从触摸屏输入“人工水头”，进行需要的调节，避免了水头信号的失效产生的负荷冲击。
（6）、内嵌调速器调速性能测试模块，可用于调速器系统性能测试：如测试调速器的转速死区、非线性度等静态指标及空载摆动、甩负荷的超调量及调节时间等动态指标，能以表格和曲线的形式自动显示和记录试验结果，并评价动态过程的数据。
（7）、能准确诊断机组频率故障、导叶反馈故障、伺服比例阀故障時、输入/输出通道故障、电源系统故障等多种故障，并采取相应的保护措施，保证机组安全稳定运行。并且实时显示多种调速系统故障信息并报警。
4 结束语
紫坪铺水电厂采用的双IPC+PLC+简易手动型调节器，易于维护、可靠性高，适用于大中型混流式、轴流式、贯流式、抽水蓄能机组。
参考文献
[1] 水轮机调速器系统，四川德阳东方电机控制设备有限公司，2004年7月.
[2] 魏守平，现代水轮机调节技术，华中理工大学出版社，2002年1月.
紫坪铺开发有限责任公司电厂筹备处