[摘 要] 提出了一种基于PCC 的微机调节器和强驱动、力反馈集成式电液随动系统构成的新型调速器。用PCC 的高级语言开发实时多任务调控软件，编程简洁、快速，更适合调速器实时控制需要。强驱动、力反馈集成式电液随动系统，结构简单，工作可靠，抗油污能力强。二者的结合，使整个调速器性能大大提高。现场运行表明，该新型调速器具有良好的静、动态特性和很高的可靠性。
[关键词] 水轮机调速器；PCC；电液随动系统；硬件；软件
1 引言
水轮机调速器是水电站最重要的自动控制设备之一，其运行的好坏直接影响着机组运行可靠性和电能质量。现代水轮机调速器的模式一般为电子调节器+电液随动系统[1]。目前，电子调节器主要有基于单片机、工业控制机（IPC）和可编程逻辑控制器（PLC）等三种类型。基于单片机的调速器，其硬件多为自行设计，硬件上受到CPU、内存容量及I/O 接口的限制，其通用性、兼容性和扩展性相当差。近几年来，PLC 调速器以其高可靠性在水电站得到广泛的应用，但PLC 由于其本身性能的限制，解决不了水轮机调速器频率测量的精度和实时性的问题，因而市场上大多数的PLC调速器靠另加一单片机完成测频任务。单片机测频后向PLC 传送频率值时，易受外界信号干扰，从而降低了PLC 调速器整机可靠性。另外，传统的电液随动系统普遍存在抗油污能力差，系统结构复杂，体积庞大，标准化集成度不高，可靠性较低等问题。针对以上问题，提出了基于可编程计算机控制（PCC）的微机调节器和强驱动、力反馈集成式电液随动系统构成的新型调速器。
可编程计算机控制（PCC）是由奥地利B&R 首先在工控界提出的一个全新概念，将计算机的多任务分时操作系统及高级编程语言引入可编程计算机控制器，其性能比常规PLC 有较大的增强和提高[3]。
强驱动、力反馈集成式电液随动系统采用最新专利技术，结构简单，工作可靠，功能完善，抗油污能力强，技术指标高[2]。
2 整体结构
PCC 强驱动、力反馈集成式水轮机调速器的整体结构如图1 所示。
图1 PCC 强驱动、力反馈集成式水轮机调速器的整体结构
测频子程序分别将机频和网频变换为数字量，经容错逻辑子程序判断后与频率给定值进行比较，其差值经PID 子程序运算后与调整值相加，再经开限子程序限制后送至驱动放大器，驱动放大器再将由开限子程序送来的信号（电气开度信号）与由主接力器位-电变换器送来的导叶反馈信号（反映主接力器实际位移即导叶实际开度的电信号）的差值进行放大，其输出的功率信号去控制强驱动、力反馈集成式电液主配压阀。
3 PCC 强驱动、力反馈集成式水轮机调速器硬件设计
3.1 PCC 硬件配置
PCC 强驱动、力反馈集成式水轮机调速器硬件配置如图２所示。该调速器以B&R2003 系列为硬件主体。2003 系列装有一根I/O 总线，CPU 与电源集成在一起，具有结构紧凑，集成端子排技术，标准现场总线等技术。针对水轮机调速器的功能要求，选用CP430作为调速器的CPU 模块，采用２块CM211-组合模块作为数字量、模拟量的输入、输出模块。其中每一个CM211-组合模块有２路模拟量输入，２路模拟量输出，８路数字量输入，８路数字量输出。为了提高测频的精度和可靠性，专门选用高速输入模块DI 135作为调速器测频输入模块。人机界面模块采用B&R PANELWARE，以可视化全中文界面显示机组运行状态、参数。
图2 PCC 强驱动、力反馈集成式水轮机调速器的硬件配置
3.2 强驱动、力反馈集成式电液随动系统[2]
强驱动、力反馈集成式电液随动系统结构框图如图３所示。
图3 强驱动、力反馈集成式电液随动系统结构框图
在图３中 ，摆动电机将从驱动放大器输入的功率驱动信号转变为相应的力去驱动先导阀；先导阀在该力作用下输出流量，使辅助接力器产生位移；辅助接力器的位移一方面使主配压阀输出流量，去推动主接力器，另一方面通过位移-力变换器将其位移变换为力，反馈给先导阀，促使先导阀复中；稳定后先导阀所受辅助接力器的反馈力与摆动电机的驱动力大小相等、方向相反，从而处于中位，辅助接力器及主配压阀则处于与驱动力成正比的位移位置。在这个过程中，先导阀的位移量实际上很小，因而可以应用输出位移虽然不大但输出力却很大的电-机转换器，如摆动电
机、比例电磁铁、步进电机等，以产生很强的驱动力，进一步提高其抗油污能力；而辅助接力器及主配压阀的位移量并不受先导阀位移量的限制，可以在相当大的范围内根据需要进行设计：因为在同样的驱动力下辅助接力器及主配压阀所对应的位移量与位移-力变换器（如反馈弹簧）的刚度有关，刚度大位移量小，刚度小则位移量大。
此新型随动系统集电机转换器、液压先导级、辅助接力器、主配压阀于一体，结构简单，可靠性高。采用摆动电机作电-机转换器可方便地获得很强驱动力，从而使得随动系统抗油污能力大大提高。
4 PCC 强驱动、力反馈集成式水轮机调速器软件设计
本研究采用PL2000 高级语言编程。PL2000 是一种以文本为基础的高级编程语言，语言的结构符合IEC1131-3 的标准，程序可读性强，编程效率高。
4.1 频率测量
将取自电网和机组电压互感器的交流电压信号经过放大整形电路后，变成同频率的方波信号，再经过二分频电路后，送到PCC 的高速数字量输入模块DI135，通过测频子程序，计算出机频和网频。显然，分频后的信号的半周期正好等于机组频率和电网频率的周期。由于DI135 的计数频率为４MHz，设机组频率Fg=50 Hz，则周期Tg=0.02 s，测得的周期数Ng=0.02×4×106=80000，即分辨率为50Hz/80000=0.000625 Hz，由此可见，此方法具有很高的分辨率和精度。另外，在软件设计上，还考虑了测频失效容错处理，即在机组并网运行状态下，当机组测频正常时，输出机频；当机组测频失效，电网测频正常时，输出网频；当机组及电网测频均失效时，输出给定频率，即额定频率，从而保证了测频环节的可靠性。
4.2 改进型并联PID 调节规律
测频模块输出频率值经容错逻辑子程序判断后，与频率给定值进行比较，其差值输入PID 调节器，由PID 子程序进行相关运算。本文采用改进型并联PID调节规律。
并联PID 调节规律的传递函数为：
改进型并联PID 调节规律的传递函数为：
改进型并联PID 调节规律的传递函数较并联PID调节规律的传递函数极点数少一个，所以此改进型并联PID 调节规律比并联PID 调节规律有更大的超前作用。而水轮机调节系统的对象是非最小相位系统，调节对象严重滞后，所以要求调节规律有较大的超前作用。因此，用改进型并联PID 调节规律更合适。
5 现场应用
该新型调速器已于2001 年应用于新疆乌苏市一级水电站1 号机和2 号机。现场运行稳定可靠，性能指标均满足或优于国标GB/T9652.1-1997 的规定值，其中主要特性试验结果如下：
(1) 静特性试验，频率死区ix=0.025%
(2) 甩25%额定负荷时，接力器不动时间为0.14 s。
(3) 甩100%额定负荷时，转速上升为最大额定转速的126%，调节时间为20 s，转速波动次数为1 次。
6 结束语
PCC 强驱动、力反馈集成式水轮机调速器是在长期现场实际运行的基础上开发出来的。PCC 调节器与强驱动、力反馈集成式电液随动系统的结合，使整个调速器性能大大提高，现场运行深得用户好评，是目前水轮机调速器发展的方向。
[参 考 文 献]
[1] 魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002 年1 月.
[2] 雷践仁.新型力反馈先导式方向流量或双向位移输出型多级电液伺服控制元件/组件[P].专利申99115713.3.
[3] 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 年4 月.
作者: 张晓英（1973-,女，四川人，2001 年毕业于西安理工大学，硕士，研究方向为电力系统自动化，讲师。)1，张明光1，杨新华1，雷践仁2
1. 兰州理工大学，甘肃 兰州 730050；2. 西安启元自控技术研究所，陕西 西安 710048