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蔡衛江
國家電網電力科學研究院 210003
摘要：本文介紹了PCC控制器在云南瀾滄江小灣水電站水輪機調速系統上的應用，包括總體設計、系統特點、現場應用等。采用PCC控制器開發的微機調速器動態性能指標、穩定性能指標均優于國標、部標有關要求，具有功能完善、可靠性高、維護、調試方便、抗干擾性強以及性能指標高等優點，非常適用于大型水電機組的控制。
關鍵詞：水輪機調速器 PCC控制器 雙機熱備 測頻 智能切換 現場試驗 國產化
0、 概述：
PCC（Programmable Computer Controller）也稱可編程計算機控制器。由奧地利B&R公司生產的PCC，集成了PLC和IPC的優勢，既有PLC的高可靠性、易擴展性，又有IPC的分時多任務操作系統功能，運算能力強、實時性好、編程方便，同時PCC的CPU模塊有獨特的時間處理單元（TPU），可以在不增加主CPU負荷的前提下很好的解決水輪機調速器的頻率測量問題，所以近年來在水輪機調速器領域得到了大量應用（見文獻[1]）。
小灣水電站位于云南省鳳慶縣與南澗縣交界的瀾滄江上。電站裝機容量4200MW，裝機6臺，單機容量700MW，水輪機組調速系統采用南瑞集團公司生產的SWT-2000H型雙微機調速系統。微機調節器部分以B&R公司的PCC2005控制器為核心，機械液壓部分以BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉換單元，美國GE公司的FC20000閥為主配壓閥，電源、控制模塊、傳感器、電液轉換等均采用了雙冗余配置，且采用了第三方智能切換單元作為仲裁機構，整個系統的硬件配置不僅性能超群，且可靠性極高。軟件部分則采用了南瑞公司專有的變結構變參數改進型并聯PID算法，擁有完全自主知識產權。
1、 調速器電氣系統總體設計
小灣電站調速器微機控制部分就選用了B&R公司的2005系列PCC模塊作為機組調速器的硬件主體，其中PS465作為PCC的電源模塊，IP161作為調速器的CPU模塊。該CPU模塊功能強大，具有850 KB SRAM，1.5 MB FlashPROM，2個RS232 接口，1 個CAN 接口，12個數字量輸入輸出，同時還具有TPU功能，6個模擬量輸入，6個模擬量輸出，可以方便的完成對機組頻率或電網頻率的測量以及調速器的調節計算和控制輸出。數字量輸入模塊DI476作為調速器開關量輸入模塊，數字量輸出模塊DO479作為調速器開關量輸出模塊，雙機之間切換由一個智能切換繼電器來保證，人機接口部分選用12英寸高亮度液晶觸摸顯示屏，作為控制系統的監控顯示和操作界面。詳細系統配置圖見圖1所示。下面是各模塊詳細資源分配：
CPU模件資源分配：
串口1：IF1，RS232，MODBUS通訊協議，和觸摸屏通訊。
串口2：IF2，RS232，通過轉換器轉為485，MODBUS通訊協議，和監控通訊。
CAN口：雙機系統通訊。
模擬量輸入通道：共6路，其中導葉變送器1、2占用兩路，功率變送器占用1路，水頭變送器占1路，功率給定采樣占1路，備用1路。
模擬量輸出通道：共6路，導葉控制輸出占2路，機組功率模擬輸出占1路，備用3路。
測頻通道：共4路，其中機組頻率測量占1路，齒盤測頻占2路，電網頻率測量占1路。
開關量輸入：共4路，引出備用4路。
開關量輸出：共4路，引出備用3路。
開關量輸入資源分配：
共16路，其中開機令、停機令、增加、減少、調相、主斷路器、GIS斷路器、中間斷路器、導葉手動、功率調節方式、一次調頻方式、綜合模塊故障、主從機狀態、一次調頻投入、一次調頻退出占15路，備用1路。
開關量輸出資源分配：
共16路，其中總故障、導葉采樣故障、手動狀態、一次調頻動作、PCC運行、PCC調試狀態、伺服閥故障、功率采樣故障、頻率采樣故障、通訊故障、切換閥控制、切手動控制占12路，備用4路。
圖1 機組調速器電氣系統結構圖
2、 調速器電氣系統特點
由上述模塊組成的調速器電氣部分具有以下特點：
(1) 可靠的雙機冗余熱備系統：采用冗余配置可以大大提高機組調速器的可靠性。
小灣調速系統中所有的PCC模塊均為冗余配置，組成的兩個調節器之間通過CAN接口進行通信，可以保證兩個調節器之間的信息冗余和相互切換時穩定工作。兩個調節器又具有獨立的供電電源和獨立的反饋通道。通過兩套PCC的采樣模塊采集信號，兩套CPU同時各自處理采集的信號，一套處于主控模式，一套處于熱備用模式，當其中一套發生故障或需要檢修時，通過智能切換繼電器使另一套立即自動投入工作，維持系統工況保持不變。
(2) 獨特的第三方智能切換機構：如果冗余系統之間的無擾切換保證不了，那么勢必
使雙機冗余系統的可靠性大大降低，所以進行無擾可靠的切換是保證雙機冗余系統可靠性的關鍵因素。小灣調速器選用的切換繼電器是歐姆龍公司的ZEN可編程智能繼電器，它實時監測兩套PCC調節器的工作狀態，在兩個調節器都正常的情況下，按照運行人員的指令把系統的控制權授予相應的調節器；在一個調節器出現故障時，控制權自動授予另一個調節器，保證雙機之間的無擾動切換。
(3) 強大的通信功能：兩套PCC利用CPU模塊上的CAN接口進行實時通信，保證
兩套調節器之間的信息冗余；兩套PCC和上位機顯示屏通過Modbus協議進行通信，PCC和監控系統可以通過約定的通信協議進行通信，一般選用Modbus協議。
(4) 可靠的供電電源：采用兩個24V開關電源分別對雙套PCC進行供電，這兩個開
關電源的輸入均為220V交流和220V直流雙路輸入，并保證在較寬的輸入電壓范圍內穩壓輸出。兩個電源通過二極管的隔離處理對工控機顯示屏供電。這樣可以互不干擾，如果一套因電源模塊損壞而無法工作將自動切除，備用機自動投入。
(5) 方便可靠的頻率測量單元：普通PLC控制器沒有內部時鐘，測頻一般采用高速計
數和外部擴展高頻時鐘的辦法，精度和可靠性不夠高。而PCC內部具有高達6MHZ的測量時鐘，可作為測量基準，所以測頻非常方便，硬件上只需要將測量信號濾波、整形處理成PCC能接受的方波信號，輸入TPU通道，軟件上調用相應模塊即可實現。（見文獻[2]）。
(6) 可植入嵌入式仿真系統：PCC提供了一種更適合完成復雜的工業控制和監視的自
動化編程語言Automation Basic(AB)。它與C語言類似，并充分利用PCC的特點，使編程更簡單、更靈活，小灣調速系統就利用AB編寫了嵌入式水輪機仿真模型，具體方法是：采集當前導葉開度信號，通過建立的水輪機仿真模型計算出相應仿真轉速輸出，并利用高速TPU通道輸出相應仿真頻率，在試驗室或現場機組不具備開機情況下，可聯合液壓執行機構，通過內置水輪機模型，完成機組開、停機、并網、甩負荷等試驗。
3、 PCC水輪機調速器的現場應用
小灣電廠第一套調速設備目前已經安裝完畢，但設備還沒有投入運行，采用小灣相同配置的調速器電柜目前已經在云南瀾滄江漫灣電廠投入運行5套，最長已經超過1年，下圖2到圖5為漫灣3#機設備投產時的試驗錄波，從波形上看，空載頻率擾動-4HZ，超調量為0，調節時間為13秒，空載頻率擾動+4HZ，超調量為5%，調節時間為10秒。可見系統調節品質較高，數據均優于國標要求。從自動開機錄波圖看，機組轉速從0到50HZ時間約51秒，導葉調節平穩，轉速基本無超調，穩定性很好，便于機組快速并網。從甩負荷錄波圖看，不動時間約0.18秒，轉速上升后很快穩定。可以說，甩負荷過程控制非常理想。
 
 
圖2：空載頻率擾動-4HZ頻率及導葉錄波 圖3：機組空載頻率擾動-4HZ錄波
圖4 機組開機頻率及導葉錄波 圖5 甩滿負荷頻率、導葉、水壓錄波
總之，采用PCC控制器開發的微機調速器動態性能指標、穩定性能指標均優于國標、部標有關要求，具有功能完善、可靠性高、維護、調試方便、抗干擾性強以及性能指標高等優點，非常適用于大型水電機組的控制。
4、 結束語
目前，我國除了三峽、龍灘、拉西瓦、小灣、瀑布溝外，已經投產和在建的600MW以上水輪發電機組越來越多，水輪機調速系統是其中最重要的輔控設備之一，巨型機組調速器軟硬件目前主要還是依賴國外進口，相應也會帶來有許多問題，如價格昂貴，流程設計不完全滿足中國國情，備件、售后服務難以及時保證等。和國外相比，這些正好又是國內調速器的優點。近年來，國內調速器制造和設計水平已大大提高，在產品的多樣性、創新方面取得了不少成績，在調速系統控制規律，調速系統對電網安全穩定的作用等方面也取得不少研究成果。
小灣調速系統選擇PCC作為巨型機組調速器的硬件，借助PCC模塊的高可靠性及分時多任務操作系統的特點和編程語言的優點，充分滿足了巨型機組調速器對可靠性和實時性的要求。不僅硬件的可靠性和工藝大大提高，軟件設計也吸取了國內的部分研究成果，這樣更加符合中國國情。
總之，小灣調速系統是國內自主研發的產品，具有完全自主知識產權，我們爭取在產品研制、設計、生產、測試等每個階段都嚴格控制、精益求精，力爭打造出國內適用于巨型機組的調速器精品。希望能為巨型水輪機調速系統的設計提供一定的參考，同時也希望為推進巨型水輪機組調速系統國產化積累經驗。
參考文獻
[1] 潘熙和等，PCC在水電站調速器和勵磁裝置上的應用，水電站自動與大壩檢測，2008，VOL32，NO.3，P19-23
[2] 南海鵬，水輪發電機組PCC控制，西安：西北工業大學出版社，2002
[作者簡介] 蔡衛江（1970生），碩士，高級工程師，1992年參加工作，在國網電力科學研究院工作至今，主要從事水電站水輪機調速、自動化控制裝置等的研究和設計工作。
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