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
　　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 ] : (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。
　　1 步进式水轮机PCC 调速器硬件[2 ,3 ]
　　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I/O 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。
　　1.1   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。结构见图1。

　　图1 　调速器硬件结构

　　1.2   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。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。
　　2.1 　频率测量　PCC CPU 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 = f c/N
　　式中: f c 为PCC 内部计数器的计数频率。
　　由于频率测量是影响调速器可靠性的关键因素之一, 因此, 除了采用波形整形和采用高速计数器外, 还特别增加软件和硬件的容错及故障自诊断能力。在设计时按以下原则考虑: (a) 发电机可能出现的转速范围为零到飞逸转速; (b) 连续两个采样时刻频率差值应小于Δ= 50 T/Ta , 其中50 为额定频率, T 为采样周期, Ta 为机组惯性时间常数。若本次频率值与上次频率值之差的绝对值大于Δ,则对机频错误计数器加1。若错误计数小于某一定值, 则用上次频率值作为本次频率值。如果错误计数连续大于某一定值, 则承认本次频率值。(c) 对网频或机组并入大网时的机频, 若频率值不在一定的频率范围内, 且达到一定次数, 则认为测频出错。(d) 如果连续一段时间内没有机频网频信号, 则认为机频网频消失, 且发出相应的报警信号。
　　2.2 　智能PID 算法　频率给定与机组频率比较, 其偏差E 输入PID 调节器, 形成与偏差相对应的调节规律。机组并网前, 频率给定等于电网频率, 从而使机组频率跟踪电网频率使机组迅速并网。为提高机组并网后增减负荷的速度, 增加了功率给定( Pg) 的前馈环节。目前国内外的微机调节器所采用的调节规律大多数是PID 型, 而且参数基本是固定的, 这样, 当系统工况发生变化时, 调节系统就不能很好随系统工况的变化改变策略, 因此, 调节效果将受影响。本文所提出的基于模糊规则的智能PID 能够随系统的变化而自动调整PID 参数。离散化后计算公式为:

　　式中: kp 、kI 、kD 分别为比例增益、积分增益、微分增益, T 为采样周期, TD 为实际微分环节时间常数, e (k) 为第k 个采样周期的偏差。
　　模糊PID 就是在上述常规PID 的基础上, 采用模糊推理规则逐渐地修改PID 参数, 以改善调节系统的动态响应[4 ,5 ] 。其参数调整规则如下: 规则1 : 如果系统输出大于给定值, 减少kI ; 规则2 : 如果系统上升时间大于所要求的上升时间, 且无超调, 增大kI ; 规则3 : 如果在稳态时系统输出有波动,适当增大kD ; 规则4 : 如果系统输出对干扰信号反应敏感, 适当减小kD ; 规则5 : 如果系统上升时间过大, 且kI 较大, 增大kp ; 规则6 : 规则2 的优先级高于规则5 , 即当上升时间过大时, 先调整kI ,再调整kp ; 并考虑控制系统易于实现和算法的执行时间。根据以上规则, 设计出如下用于修改kI, kp 和kD 的Fuzzy 参数调整矩阵表。

　　表1 　qp 调整表

　　再定义kI, kp 和kD 参数调整算式:

　　kp = k′p + Cp ×qp
　　kI = k′I + CI ×qI
　　kD = k′D + CD ×Qd

　　图3 　PID 调节器原理框图

　　表2 　qI 调整表

　　表3 　qD 调整表

　　式中: Cp 、CI 、CD 为比例系数; qp 、qI 、qD 为修正系数。
　　在qp , qI , qD 的规则表建好后, 只需根据偏差和偏差变化率的大小, 通过查表就可获得当前的kp , kI, kD , 和kD 通过PID 运算规则控制输出。由于水轮机调速器的参数一般都较小, 因此上述表中的值可乘一比例系数, 可防止PID 参数变化太大而引起系统的不稳定。
　　3 　电站试验
　　基于可编程计算机控制器的调速器2001 年5 月安装于甘肃张掖龙渠三级电站2 号机上, 并对该调节系统进行了全面的静态和动态特性试验, 试验表明其性能指标满足或优于国标GB/T9652.1 - 1997的要求, 其主要特性试验结果如下:
　　(1) 调速器转速死区小于0.04 %;
　　(2) 空载时扰动量取8 % , 选参数Kp = 1.7 , KI = 0.32 , KD = 1.7 作为智能PID 初值, 扰动后调节时间比较短, 接力器摆动一次, 而且机频超调小。见图4。

　　图4 　空载频率阶跃扰动试验过渡过程曲线

　　(3) 甩25 %额定负荷, 接力器不动时间为0.16s。见图5。

　　图5 　甩25 %负荷800kW试验过渡过程曲线

　　(4) 甩100 %额定负荷时, 转速最大上升为额定转速的118 % , 调节时间为20s。见图6

　　图6 　甩100 %负荷3300kW试验过渡过程曲线

　　试验后调速器即投入运行, 运行状况良好。此后又有数台先后在四川飞罗电站、福建建瓯马鞍电站、陕西石泉鹅项颈电站投入运行, 均运行稳定, 且具有很高的可靠性, 获得了用户的好评。
　　4 　结语
　　本文提出的基于可编程计算机控制器的步进式调速器具有如下特点: (1) 测频装置整形电路和可编程计算机控制器配以适当软件完成测频功能, 并取代单片机及PLC 测频装置, 直接测量频率信号的当前周期, 提高了系统的可靠性及动态品质。(2) 采用可编程计算机控制器PCC 作为调速器电气部分的硬件, 其平均无故障率达50 万h , 大大提高了微机调速器电气部分的可靠性。(3) 采用可编程计算机控制器PCC 较之传统的可编程逻辑控制器PLC 具有以下优点: 采用多CPU 并行处理, 从而使主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; 采用多任务分时操作系统, 从而使整个系统得到优化且具有较好的实时性; 引进了高级语言编程技术, 使编程更方便, 更利于描述复杂的控制思想。(4) 基于模糊规则的适应式参数自调整PID 控制策略, 实现水力机组所有工况的最佳控制, 其动态特性有了明显改善。(5) 以高可靠步进式电液随动系统为功率放大单元, 彻底解决了电液转换器堵塞发卡、漂移及对油质的过高要求和较大的漏油量等问题, 从而提高了调速器整机的可靠性。因此, 该调速器一经推出就受到用户的好评, 有着广阔的应用前景。
　　参　考　文　献:
　　[ 1 ] 　赵坤耀. 水轮机调速器发展综述[J ] . 水力发电学报, 1996 (1) .
　　[ 2 ] 　齐蓉. 新一代可编程计算机控制器技术[M] . 西安: 西北工业大学出版社, 2000 , 3.
　　[ 3 ] 　南海鹏, 等. 基于可编程计算机控制器的水轮机调速器[J ] . 中国农村水利水电,2001 , 5.
　　[ 4 ] 　章卫国, 等. 模糊控制理论与应用[M] . 西安: 西北工业大学出版社. 1999 , 10.
　　[ 5 ] 　Leonid Reznik , Omar Ghanayem , Anna Bourmistrov. PID plus fuzzy controller structures as a design base for industrial
　　applications [J ] . Engineering Applications of Artificial Intelligence. 2000 , 13 : 419 - 430
　　High reliability step by step hydraulic turbine governor based
　　on programmable computer controller
　　NAN Hai-peng1 , WANG Tao1 , YU Xiang-yang1
　　(1. Xi' an University of Technology , Xi' an 　710048 , China)
　　Abstract : A high reliability step by step hydraulic turbine governor based on programmable computer controller (PCC) is developed. Its frequency measurement is realized by PCC intelligent module. The intelligent
　　Proportion integration differential ( PID) control method based on fuzzy logic is applied. The Governor possesses high measurement accuracy , high control speed and high reliability and verified by operation and tests in hydropower stations.
　　Key words : hydraulic turbine governor ; programmable computer controller ; intelligent PID
　　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) 1 , 王　涛1 , 余向阳1
　　1 西安理工大学水电学院, 陕西西安　710048