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1、水 利 学 报2002年11月SHUILIXUEBAO第11期文章编号:055929350(2002)1120049206高可靠性步进式水轮机智能PCC调速器111南海鹏,王 涛,余向阳(11西安理工大学水电学院,陕西西安 710048)摘 要:提出了一种基于PCC的高可靠性步进式水轮机智能调速器,它实现了用可编程计算机控制器模块进行频率测量,并采用基于模糊规则的适应式参数自调整PID控制策略,从而使调速器具有测频精度高、调节速度快、可靠性高等优点。电站试验及运行表明,该调速器具有良好的动静态特性。关键词:水轮机调速器;PCC;智能PID中图分类号:TK73014
2、文献标识码:A水轮机调速器是水电站重要的基础自动化设备,其质量的好坏直接影响到电能品质和电站安全及经济运行。目前市场上主要有基于单片机、工业控制计算机、可编程控制器等三种类型的微机调速[1]器。虽然微机调速器的性能不断得到改善,但纵观微机调速器的发展,还存在以下问题:(1)基于单片机的微机调速器一般均采用单片机实现,其硬件多为自行设计制造,元件检测、筛选、老化处理、焊接及生产工艺等都受到限制,造成调速器可靠性较低。基于工控机的微机调速器,虽有一系列优点,但装置访问时间较长,体积大,且成本高,仅适合大型机组。基于可编程逻辑控制器的微机调速器,虽然可编程逻辑控制器本身的可靠
3、性很高,但其测频装置一般由单片机实现,由于该类调速器的测频装置存在与基于单片机的微机调速器同样的问题,从而使其可靠性大大降低。(2)通常PID调节器的参数整定是根据调节系统对象的特征参数,利用推荐公式、仿真计算及实际经验,先选择PID参数初值,然后进行现场试验并修改调节参数。这种方法只能根据当时的工况选择1～2组较优参数,难以实现水力机组所有工况的最佳控制。(3)电液随动系统中现有的电液转换元件的可靠性和技术性能与微机调节器的发展不协调,在运行过程中存在的堵塞发卡、漂移及对油质的过高要求和较大的漏油量等问题还未得到很好解决,从而降低了调速器整机的可靠性。本文提出的步进式
4、水轮机调速器是以可编程计算机控制器(PCC)为控制核心,采用基于模糊规则的适应式参数自调整PID控制策略,并配以高可靠步进式电液随动系统为功率放大单元的新一代步进式微机调速器。实际运行结果表明,该调速器有效解决了现有调速器存在的问题,具有良好的静、动态特性和很高的可靠性。[2,3]1 步进式水轮机PCC调速器硬件步进式水轮机PCC调速器以奥地利B&R公司的2003系列可编程计算机控制器为硬件主体。2003系列可编程计算机控制器CPU模块采用多处理器结构,其IPO处理器主要负责独立于CPU的数据传输工作,而双口控制器主要负责网络及系统的管理,它们既互相独立,又互相关联,从
5、而使主CPU的资源得到了合理使用,同时又最大限度地提高了整个系统的速度。111 硬件配置 针对目前调速器在测频、人机接口上存在的问题,在选择可编程计算机控制器模块时,选用CP474作为调速器的CPU模块,高速数字量输入模块DI135作为调速器测频输入模块,模拟收稿日期:2002201231作者简介:南海鹏(1963-),男,陕西人,副教授,研究方向为水力机械及自动化。—49—量输入模块AI351为接力器位移量输入模块,数字量混合模块DM438作为步进电机驱动脉冲输出和调速器开关量输入输出模块,紧凑型人机接口面板P120作为调速器的人机接口,使得系统更为紧凑、可靠。结构见
6、图1。图1 调速器硬件结构112 步进式电液随动系统 液压随动系统采用步进式电液随动系统,其结构框图如图2所示。电液随动系统为二级随动系统。第一级为由脉冲分配器、功率放大回路、步进电机构成的机电随动系统;第二级由二级液压放大环节组成,引导阀与辅助接力器构成第一级液压放大环节,主配压阀与主接力器构成的第二级液压放大环节。由于液压随动系统中取消了传统的电液转换器,采用步进电机驱动的步进式引导阀,从根本上解决了由电液转换器发卡引起的控制失灵等问题,使电液随动系统的可靠性大大提高。图2 液压随动系统框图2 步进式水轮机PCC调速器软件调速器软件分为PCC部分和人机接口面板部分。
7、PCC部分采用B&R公司独特的PL2000高级语言编制,编程更方便,更利于描述复杂的控制思想。人机接口面板P120部分采用PCS软件编制。211 频率测量PCCCPU模块CP474内部具有时间处理单元TPU,该处理单元利用其内部4MHz的计数时钟测量输入脉冲的频率,而DI135的作用就是将整形后的机组或电网频率信号传至TPU。PCC测频的基本思路是:先将机组或电网频率信号整形为同频率的方波信号,该方波信号经DI135送入CP474的TPU输入通道,TPU读取方波信号两相邻上升沿之间的计数值N,则所测频率为:f=fcPN式中:fc为PCC内
