（水利工程专业论文）抽水蓄能电站机组调速器的技术要求.pdf

华北水利水电学院硕士学位论文 抽水蓄能电站机组调速器的技术要求 摘要 本文介绍了国内外抽水蓄能电站的概况和发展趋势。由于抽水蓄能机组 运行工况有：发电、发电调相、抽水调相、抽水、旋转备用、静止等。特别 是工况变化非常多：静止一发电、发电一静止( 甩负荷) ，发电一调相、调相 一发电、静止一抽水调相、静止一满抽、满发一满抽、满抽一静止( 水泵停 电) 等多到2 4 种。 这些工况变化对抽水蓄能机组调速器性能提出了更加严格的技术要求。 本文介绍了国内外制造和发展情况，分析了当代调速器的技术性能，在当前 没有国产抽水蓄能调速器的情况下，提出抽水蓄能机组调速器详细的技术要 求，为国产抽水蓄能机组调速器的制造提供技术基础。 关键词：抽水蓄能电站，抽水蓄能机组，技术要求，工况变换，调速器 华北水利水电学院硕上学位论文 t e c h n i c a ls t a n d a r do fp u m p e dt u r b i n eg o v e r n o r o fs t o r a g ep l a n t a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sd e v e l o p m e n to fs t o r a g ep l a n ti nc h i n aa n di nw o r l d b a s i c a lo p e r a t l o n gc o n d i t i o n so fp u m p e dt u r b i n ei s ：s t a n d ，g e n e r a t i o n ， g e n e r a t i o n - - v 0 1 t a g ec o n t r o l ，p u m p ，p u m p - - v o l t a g ec o n t r o l ，w h i r lg e s r r v e ，s t a n d p a r t i c u l a r y ，t h ec o n t r o ls y s t e mf o rap u m p e dt u r b i n ei sc o m p e xt h a nt h a tf o ra c o n v e n t i o n a lt u r b i n eb e c a u s eo fi t so p e r a t i o nc a s e sf r e q u e n tt r a n s i t i o nb e t w e e n c a s e s f o re x a m p l e ，s t a n h e v e r a t i o n ，g e n e r a t i o n - - s t a n d ( g e n e r a t i o nu n i tl o a d d u m p ) ，s t a n u m p e dv o l t a g ec o n t r o l ，v o l t a g ec o n t r o l - - g e n e r a t i o n ，s t a n d - - f u l l p u m p e d ，g e v e r a t i o n - - - v 0 1 t a g ec o n t r o l ，f u l lg e v e r a t i o r r - - f u l lp u m p e d ，f u l l p u m p e d - - - s t a n d ( p u m po f fp o l e r ) ，m o r e2 4s t y l y t h o s ec a s e sa r em o r es e v e r ef o rag o v e r n o r i nt h i sp a p e r ，p r o s e n sat e c h n i c a l s t a n d a r df o rap u m p e dt u r b i n eg o v e r n o ra sab a s i c a ld o c o n m e n to fm a d ei nc h i n a k e y w o r d s ：s t o r a g ep l a n t ，p u m p e dt u r b i n eu n i t ，t h e c h n i c s t a n d a r d ，o p e r a t i o n t r a n s i t i o n ，g o v e r n o r 华北水利水电学院硕士学位论文 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行 为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的 材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢 意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期： 保证人( 导师) 签名：6 彖力箩签字日期：一7 ，g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水利 水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门 或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名：6 表髟垒 签字日期：扣) ，8 华北水利水电学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外建设抽水蓄能电站的概况 水电作为可再生能源，利用抽水蓄能电站的双向优势能极大地提高电力系统的经济效 益n 3 在电力系统中，抽水蓄能电站可以担任调峰、填谷、备用、调频的任务 2 3 。例如： 陕西省电网6 9 0 万千瓦的负荷，其峰谷比为6 0 - 7 0 ，水电机组在一天之内担任调峰、调 频的任务必须经常开、停机和旋转备用，浪费大量水源，也缩短机组使用寿命如果在汉 中建2 0 0 万千瓦的抽水蓄能电站可以拉平负荷，使机组在高效率区运行。取得很大地经济 效益；水能是清洁无污染的，非常适合建设和谐社会的需要。我国在抽水蓄能电站的建设 起步较晚。1 9 6 8 年，岗南水电站从日本引进一台容量为1 1 万千瓦的抽水蓄能机组，水头 6 4 2 8 米；1 9 7 2 年，在北京的密云又装了类似的两台。1 9 7 6 - - 1 9 9 0 年，河北的潘家口抽水 蓄能电站建成。其后又建设了广州抽水蓄能、浙江天荒坪抽水蓄能电站，都是3 0 万千瓦 的机组，最大水头为6 6 7 米。与世界同期相比，差距很大。第一座抽水蓄能电站于1 8 8 2 年诞生在瑞士的苏黎世，出力5 1 5 千瓦，本世纪5 0 年代以来，世界各国发展很快。美国 在1 9 8 6 年以前，建成抽水蓄能电站3 6 座，最大单机容量4 5 7 万千瓦，最大水头5 4 1 米， 最大扬程5 3 2 米，到2 0 0 5 年，抽水蓄能电站装机1 9 0 0 万千瓦( 不含在常规水电装机7 8 2 0 万千瓦之内) ；日本在1 9 8 5 年以前，建成3 9 座，最大单机容量3 3 6 万千瓦，最大水头6 0 3 米。最大扬程5 6 0 米；阿根廷、奥地利、英国、意大利、德国、西班牙等国也取得较大发 展。我国在2 0 0 5 年提出规划：今后，要大力发展水电，主要是大型混流式、商水头冲击 式、抽水蓄能电站。第一次把抽水蓄能电站作为重点发展对象，表明极大地重视。近几年 来，在全国范围内，大量的抽水蓄能电站涌现出来。吉林的白山、辽宁的桓仁，蒲石河、 山东的文登，泰山、河北的张家湾、山西的西龙池，内蒙的呼和浩特、河南的宝泉，回龙、 江苏的宜兴，句容，无锡、浙江的溪口，乌龙山、湖北的白莲河，桐柏，天堂、安徽的响 洪甸，佛子岭、深圳、装机2 4 0 万千瓦的江西洪屏和广东的惠州都是在世界居第二，在亚 洲第一。2 0 0 0 年我国水电装机为7 9 3 5 瓦万千瓦；2 0 0 5 年全国电力装机5 亿千瓦，占世界 第二。水电装机1 0 8 亿千瓦，占世界第一；超过美国的7 8 2 0 万千瓦，加拿大的6 9 5 0 万 千瓦，巴西的6 9 0 8 7 万千瓦，俄罗斯的4 5 0 0 万千瓦；按规划2 0 1 0 年水电装机到1 6 5 亿千瓦；2 0 2 0 年水电装机达2 6 亿千瓦占电力系统总装机的2 6 三峡水电站单机容量 7 0 万千瓦，总装机1 8 0 0 万千瓦，至今已装机9 8 0 万千瓦，堪称世界第一 兰! ! 查型查皇兰堕堡! ：兰竺丝苎 根据预测到2 0 1 0 年，抽水蓄能机组装机容量将达到2 1 3 8 万千瓦，到2 0 2 0 年，将达 到4 4 3 3 万千瓦。这些抽水蓄能电站建成后，必将取得更大的经济效益。抽水蓄能机组分 别为混流可逆式( 水泵水轮机) 3 、斜流可逆式、多级混流可逆、贯流可逆式h 3 水轮机 调节系统是非线性系统3 ，也是时变系统，应用现代控制规律阳1 ，由于水轮机对流量 调节有反作用，属于非最小相位系统口3 调速器往往采用p i d 调节规律汨3 。而抽水蓄能 机组组的工作方式较常规机组要复杂的多3 ，这是因为要承担水轮机和水泵的双重任务 1 2 蒲石河抽水蓄能电站运行工况 1 2 1 电站概况 蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省丹东市宽甸县满族自治县境内，距丹东市，6 0 k m 电 站总装机1 2 0 万千瓦。上水库库容0 1 3 5 亿方，下游水库库容0 3 6 2 亿方；最大水头3 3 0 米，最小水头3 0 4 米。建成后并入东北电网，担任调频、调峰、填谷和事故备用任务水 泵水轮机额定转速为3 3 3 3 转分。在额定水头3 0 8 0 米，导叶1 0 0 开度，水轮机工况额 定输出功率应为3 0 6 万千瓦。在最大静扬程3 3 0 0 米、5 0 h z 下，4 台机同时作水泵工况 运行时，每台机保证流量不小于7 5 0 方分。在极限最小静扬程2 9 4 0 米，考虑制造偏差、 电网正常频率偏差和特性换算偏差，1 台机运行时，水泵工况最大输入功率不大于3 2 2 万 千瓦。额定水头为3 0 8 米，当水泵水轮机导叶开度为1 0 0 时，水泵水轮机输出功率为3 0 6 万千瓦。 1 2 2 机组运行工况 机组日平均起停次数1 0 次( 开、停一个循环为一次) 。 运行工况：发电、发电调相、抽水、抽水调相、旋转备用、静止6 种基本运行工况， 同时具备黑起动带线路零起升压的能力。黑起动指的是5 0 0 k v 系统及外接l o k v 备用电源 全部失电，用电厂自备柴油发电机作为厂用电供电电源。在此情况下，机组进行黑起动。 机组起动后，首先带厂用电，然后向5 0 0 k v 线路充电。工况转换除与常规机组相同处 之外，有静止一抽水调相，抽水调相一静止，抽水调相一满载抽水，静止一满抽，满发一满抽( 不 停机) ，满抽一静止共1 9 种。有的抽水蓄能电站有2 4 种工况转换，这是由于机型不同，水 泵在启动过程中，轴流式要求开导叶：混流式要求关导叶；斜流式要求导叶与浆叶有协联 关系；有的机组在抽水和发电转换时，转动方向和转速不同。 2 华北水利水电学院硕上学位论文 1 3 国内外调速器设计和生产概况 抽水蓄能机组运行工况的复杂性给调速器提出更严格的技术要求。当前，我国抽水蓄 能电站都使用外国的调速器。法国的阿尔斯通、日本的富士、奥地利的维奥、美国的g e 公司等厂家并没有生产专业的抽水蓄能机组的调速器，只是沿用了常规调速器并添加一些 功能。 国内生产调速器的厂有几十家。其中武汉一地有七、八家，如三联、长控、汉诺电控 等；宜昌的能达；哈尔滨电机厂；南京的南瑞；北京的水科院等。其中，能达和南瑞已 研制抽水蓄能机组调速器。 2 0 世纪3 0 年代瑞士生产了第一代机械液压式调速器( s 一3 7 ，s - 3 8 ) ，继而苏联生产了 yk 一1 0 0 ，p - 1 0 0 ，美国生产了a - 2 0 5 0 型调速器，其测频、硬反馈、软反馈、调差等部 件均由机械机构承担。5 0 年代末，瑞典出现第一台电子管电液调速器，其测频、软反馈、 硬反馈、调差、第一级放大均由电路取代了机调对应得部件口”，由于双三级电子管放大 器易发热，寿命不超过5 0 0 0 小时。6 0 年代，日本有了分立晶体管电调，7 0 年代发展为 集成电路电调。8 0 年代，出现了微机电调。本世纪初，产生了可编程控制微机电调( p l c 、 p c c ) 。 我国5 0 年代在哈尔滨电机厂仿苏联p - 1 0 0 ，生产了t - 1 0 0 等型机调；6 0 年代，在解剖 瑞典电调基础上，制造了d t 1 0 0 电子管电调，后来生产了j d t - 1 0 0 等晶体管电调及集成 电路电调。 改革开放极大地解放了生产力。8 0 年代，南瑞等厂家生产了第一代微机电调( s 一7 0 0 ) n ”，而直至9 0 年代初，俄罗斯还停留在集成电路电调。如今，我国生产的p l c 及p c c 微 机电调其性能处于世界领先水平。国内各大、中、小水电站常规机组大都选用国产调速器 运行稳定，工作可靠。 3 华北水利水电学院硕上学位论文 第二章抽水蓄能机组调速器的技术要求 2 1 抽水蓄能电站机组的工况转换 1 电站机组工况转换 水泵水轮机的基本工况为静止，发电，抽水，调相四种。之间的转换可组合为2 4 种 蒲石河抽水蓄能电站的机电设备状况有如下的工况转换，如表2 1 所示。 表2 一l工况转换方式及转换时间 序号工况转换方式工况转换时间( s )备注 1 静止一发电空载 9 0 发电空载指并网后空载 2 发电空载一静止 2 3 静止一满载抽水 3 4 满载抽水一静止 3 2 0 5 静止一旋转备用 7 0 6 旋转备用一静止 2 8 0 7 静止一发电调相 1 5 0 8 发电调相一静止 3 6 0 9 静止一抽水调相 2 2 0 1 0 抽水调相一静止 3 ” 发电调相一发电空载 1 1 2 发电空载一发电调相 6 0 1 3 抽水调相一满载抽水 6 0 1 4 满载抽水抽水调相 6 0 1 5 旋转备用一发电空载 3 0 1 6 发电空载一旋转备用 3 0 1 7 满载抽水一满载发电 2 4 0 不经停机的紧急转换 1 8 发电空载一发电满载 3 0 1 9 发电满载一发电空载 3 0 从电网运行要求来看，抽水蓄能机组启动和工况转换具有速动性。而工况转换过程快， 4 兰! ! 查型查皇兰堕堕主兰些丝苎 会使机组承受较大的冲击和振动，使水道系统水击现象加剧，电力系统和电机受到冲击， 要合理确定工况转换时间。关键是恰当的选择水泵启动设备，如：变频启动、异步启动、 半同步启动等方式的启动时间不同，还有背靠背启动方式也影响启动时间n “。不同的机 型又有不同的启动控制，如：混流式机组启动时，要求关导叶，当水泵建立接近所需扬程 时，要将导叶打开一定开度，否则会使顶盖压力过高造成事故，湖北天堂蓄能电站就发生 此项调速器故障n ”。密云抽水蓄能电站利用顶盖压力达到额定扬程和机组转速达到额定 转速9 5 时，调速器打开导叶的方案，很好的解决了启动问题。轴流式蓄能机组要求开导 叶启动；斜流式机组要求启动时，要求水泵转速与导叶开度有一个协联关系，还有的斜流 式机组水泵运行的转向与水轮机相反，转速比水轮机额定转速高，岗南抽水蓄能电站机组 由发电转换到抽水时，必须经由发电停机一抽水的操作。这些都是对调速器的具体要求 2 机组汛期运行方式 由于蒲石河电站汛期泥沙含沙量大， 使用寿命，采取在汛期避沙运行的方式， 2 2 调速器型式和性能 且很集中，为保证机组安全稳定运行，延长机组 避沙运行时间1 3 天。 i 型式 调速器应是以比例、积分、微分调节规律为基础的数字式电液调速器即微机调速器 调速系统应包括双微机数字式调节控制单元、电液执行机构、反馈装置、测速装置、转速 继电器、压力油罐、集油箱、油泵、补气装置、漏油箱和附件等。调速系统应能对水泵水 轮机实行自动控制和手动控制。控制方式通过电气柜上的转换开关来选择，分手动、现地 自动和远方三种方式。同时在电液伺服柜上，也能按手动方式进行控制。 调速系统运行中，自动控制与手动控制的切换、工作电源和备用电源的切换以及并联 微机之间的切换，在自动调节状态下均不得引起扰动，导叶接力器丌度变化不应超过全行 程的1 。调速系统的油压装置应按5 o m p a 7 o m p a 压力等级设计。调速系统应有足够的 容量，以保证机组可靠地开关导叶。在各种运行工况下，当压力油罐内为最低操作油压( 即 事故油压) ，且水泵水轮机导叶上作用着最大阻力矩时，调速系统应能在导叶接力器最短 关闭时间内对接力器进行全行程操作。导叶接力器开启和关闭时间应在8 2 0 0 s 范围内单 独可调，导叶关闭速度应能实现分段调节 1 4 。 2 性能要求m 1 - s 华北水利水电学院颂上学位论文 1 ) 静态特性 调速器应有良好的静态特性。在接力器全行程范围内，转速与接力器位置的关系曲线 应近似直线，其非线性度应不大于2 。 2 ) 转速死区 在额定转速和任何导叶开度下，未能引起导叶接力器位置发生可测移动的转速变化区 不超过0 0 2 额定转速。调速器能够反应的最小转速变化对额定转速的百分值定义为转速 死区的一半。 3 ) 接力器不动时间 从负荷突变( 1 0 一1 5 额定功率) 时刻起到导叶接力器第一次可测移动的时间不得 超过0 2 s 。 4 ) 稳定性 调速系统应保证水泵水轮机在各种运行方式和所有允许的运行范围内稳定运行若机 组运行能满足下述要求，则认为调速系统是稳定的。 当水泵水轮机在空载和额定转速下运行，永态转差率整定为零时，调速系统应能保证 机组转速持续波动值不超过额定转速的0 1 5 。当水泵水轮机在额定转速和在孤立电网中 运行，永态转差率整定2 或以上时，在同一引水系统中的其他机组处于稳定运行条件下， 调速系统应能保证机组转速持续波动值不超过额定转速的t 0 1 5 。 当机组在发电工况并入电网后，带零至额定负荷问的任何负荷运行时，永态转差率整 定在2 或以上，调速系统应保证机组功率持续波动值不超过额定功率的0 1 。 在电网稳定频率时的实际功率与整定功率( 用电压测量) 之白j 的偏差不超过额定功率 的0 5 。 5 ) 调节品质 机组突然甩1 0 0 额定负荷后，在转速变化过程中，超过稳态转速3 额定转速值以上 的波峰不超过2 次。 机组突然甩1 0 0 额定负荷后，在同- - ；j i 水系统中的其他机组处于稳定运行条件下，从 接力器第一次向开启方向移动起，到机组转速摆动相对值不超过0 5 为止所经历的时 问，应不大于4 0 s 华北水利水电学院硕士学位论文 6 ) 调节参数调整范围 调节参数应满足机组稳定运行的要求，并在下列范围内连续可调： 永态转差率b p o - 1 0 暂态转差率b t0 1 2 0 比例增益k p0 5 2 0 积分时间常数t dl s 一5 0 s 微分时间常数t vo s 一5 s 人工失灵区调节范围+ 1 对于并联控制方式的调速器，其比例增益k 、积分增益k 、微分增益k o 和有关参数 除按上述参数折算外， 7 ) 转速、功率调节范围 转速调节范围9 0 1 1 0 功率调节范围0 1 1 0 开度限制整定范围0 1 1 0 调速器电气部分温度飘移量折算到转速相对值不超过0 0 1 2 3 功能要求 调速系统应满足不同扰动的控制要求，并且具备以下功能： 1 ) 快速频率跟踪功能 使机组频率对电网频率快速跟踪，以便在开机过程中缩短并网时间。 2 ) 频率稳定功能 使机组频率自动保持在给定频率，其波动值在本节规定的范围内。 3 ) 功率调整功能 调整机组功率在规定范围内并保持在给定值，其波动值在本节规定的范围内。应满足 电站有功功率成组调节功能n ”。 7 华北水利水电学院硕上学位论文 4 ) 机组快速调节要求 为满足机组快速起动要求，调速器应根据水头参数分段开启导叶。在机组功率调整时， 调速器应根据经验参数及水头，分段调节功率，第一段快速调节，之后投入p i d “”调节 5 ) 寻优功能 当水泵水轮机在水泵工况运行时，应能根据转轮前后压力差或扬程调节导叶开度使机 组在相应扬程的最高效率下运行。当电网频率在正常范围以外时，在任何运行工况下，应 能根据扬程和电网频率控制导叶开度，以避开不稳定区，并将空蚀损坏减到最小。在水轮 机工况开机时，应能根据净水头自动确定最佳的空载开度，以加快并网。并网后可根据净 水头和功率整定值控制导叶开度，以实现最大功率要求。 6 ) 自适应功能 调速器应具有较强的自适应能力以提高调节品质。调速器应能随净水头变化自动控制 负荷，功率值应根据预先编制的水头和功率关系的程序给出。调速器应能根据导叶开度、 有效水头乜1 1 、机组功率所反映的运行工况自动调整调节参数和或控制结构噙1 ，以实现在 任何工况下均能以最优参数和最佳控制结构参与调控。 7 ) 开停机 调速器应能在下述情况下以适当的方式开停机： 正常开停机 调速器应能配合计算机监控系统，从现地或远方进行机组的正常开停机。 事故停机 当机组以水轮机方式运行时，调速器应能根据机组事故信号或自动装置发出的停机命 令或计算机监控系统的指令关导叶至零开度或空载开度。 当机组以水泵方式运行时，调速器应能根据机组事故信号或自动装置发出的停机命令 或计算机监控系统的指令关导叶至零开度 由机组断路器跳闸或紧急停机电磁阀动作引起的停机，调速器应能根据机组运行方式 以适当的规律关闭导叶 8 ) 在线自诊断功能和容错功能 调速器应具有下述在线自诊断功能和相应的容错功能，并且以适当的方式明确指示故 8 华北水利水电学院硕士学位论文 障： ( 1 ) 数模转换器和输出通道故障诊断；( 2 ) 模数转换器和输入通道故障诊断； ( 3 ) 反馈通道故障诊断；( 4 ) 液压伺服系统故障诊断； ( 5 ) 程序出错和时钟故障诊断： ( 7 ) c p u 卡件诊断； ( 6 ) c p u 和总线诊断； ( 8 ) 控制设备故障和测量信号出错诊断： ( 9 ) 事故切机回路故障诊断；( 1 0 ) 操作出错诊断： ( 1 1 ) 离线自诊断及调试功能 9 ) 调速器应具有下述离线白诊断和调试功能： ( 1 ) 数据采样系统的精度检查：( 2 ) 数字滤波器的参数检查和校正； ( 3 ) 调节参数检查；( 4 ) 程序检查： ( 5 ) 修改和调试程序。 l o ) 保护功能 调速器应具有下述保护功能： ( 1 ) 故障保护。如果调速系统的故障性质仍允许机组继续运行或当测速信号消失时， 调速器应保持机组原运行状态并且不影响机组正常和事故停机，同时将故障信号送往电站 计算机监控系统，故障消除后自动平稳地恢复工作。 ( 2 ) 速度保护。调速器应对机组从静止到最大飞逸转速的全部转速变化范围进行监测， 并根据设定的转速值对越限做出保护性反应，同时经逻辑输入输出接口输出越限信号。 当机组并网运行时，机组测频信号中断应自动切换到电网测频通道，保持调速系统正 常运行，并发出故障报警信号。 过速、欠速保护动作设定值和其他转速设定值或调整范围及作用如下： 上越限动作 过速保护 调速器失灵保护( 作用紧急停机) 下越限动作 9 ”5 - 1 5 0 f t 1 0 0 - 1 2 0 n r 华北水利水电学院硕上学位论文 水泵工况失电保护 自动准同期装置投入 励磁投入 电制动投入 机械制动投入( 电制动失效) 机械制动投入( 配合电制动) 9 0 一1 0 0 n r 9 0 一1 0 0 n r 8 0 一1 0 0 n r 3 0 - 6 0 n r 2 0 - 3 0 n ， 5 一1 0 n r n r 为额定转速。 加速度保护 ( 3 ) 调速器的安全停机措施 调速器主备用电源消失后，调速器仍应能正确动作，保证机组安全停机，并发出报警 信号。 调速器的紧急事故停机电磁阀应采用失电动作于事故停机或双电源带电动作于事故 停机，以保证机组安全停机，并发出报警信号。 2 4 微处理机及通信 微处理机应采用能在工业环境中使用的高可靠性、低功耗，抗干扰性能强的3 2 位及 以上的p l c 或工控机，其平均无故障时间应大于1 0 0 ，0 0 0 h 。微处理机应有足够的存储容量， 留有5 0 以上的备用余量。 调速器至少有一个数字通信口与计算机监控系统通信和一个编程调试口调速器与相 应的机组i l u 的数字通信采用现场总线技术，拟选用m o d b u s 协议，具体总线方式将在电 站监控系统完成招标后确定，卖方应满足电站监控系统的接口要求，调速器与机组l c u 所 有的信息交换以数字通信方式进行，但对于安全运行的重要信息、控制命令和事故信号， 调速器还应通过硬布线t o 点直接与机组l c u 连接，实现双路通道通信，以保证安全。调 速器输入输出接点应采用独立的无源接点和4 m a 2 0 m a 模拟量，并应有2 0 以上余量。 微处理机软件应能满足多级中断响应、调节计算、逻辑控制、数据采集、信息交换、 故障诊断和容错功能等要求。并能采用通用高级计算机语言和梯形图逻辑，功能模块逻辑 或相当的图形编程方法。 1 0 华北水利水电学院硕士学位论文 调速器应设有完善的自检功能和容错功能。 2 5 液压伺服机构及机械液压设备 1 ) 电液转换器在规定条件下应能正确、可靠地工作，死区不得超过规定值。在正常工 作油压范围内，接力器不应出现蠕动和摆度。 电液转换器应具有良好的线性度好和对称性以及高灵敏度，以满足调速系统的性能要 求。电液转换器应在电源消失和油压消失时具有使接力器关闭的趋向。 电液转换器宜直接驱动主配压阀。主配压阀应设置反映其动作的信号装置，电液转换 器抗油污能力应不小于2 5 t l m 。在电液转换器的进口应设置双滤油器，以便在运行时清洗滤 油器，滤油器应能切换和拆卸。滤油器应设置堵塞指示信号和报警接点。液压伺服机构各 部件之间的机械连接应尽可能少。主供油管与控制油管应分开设置以避免互相干扰。各油 管接头不应有渗油现象。 2 ) 测速装置 机组转速测量采用残压测速和齿盘测速，齿盘应直接由发电电动机主轴驱动，齿盘由 卖方提供。残压测速信号取自发电电动机两组不同的电压互感器线圈。 当测速装置有转动部件时，其转动部件应能承受包括最大飞逸转速所产生的最大应 力。 测速装置测速范围为0 2 0 0 额定转速，测速误差不大于0 0 1 ，测速装置应不受电压 波形畸变影响，水泵工况变频起动时仍能正常工作 测速装置应能向计算机监控系统提供一回4 m a 2 0 m a 模拟量输出。齿盘测速探头信号 直接接入调速器微p l c 或处理器，由调速器p l c 或处理器计算各转速点，通过现场总线或 无源接点送给监控系统、励磁系统等，以满足机组控制和保护需要。 3 ) 转速开关 机械转速开关起到由微处理机实现的速度保护的后备保护作用，用作机组过速保护 机械转速开关可采用离心式机械转速开关，设置带4 对电气独立的不接地的接点，其动作 值调整范围应为额定转速的1 1 5 1 5 0 5 ，动作值的误差应不大于嬲机械转速开关应具有 良好的重复性和方便可靠的动作值调整机构，并能在机组可能的最大飞逸转速下工作 电气转速开关 1 1 兰! ! 查型查皇兰堕堡主兰竺丝苎 齿盘测速装置应该具有足够数量的独立的电气转速开关接点，接点数应满足机组监控 需要，并留有一定的裕量。 4 ) 反馈装置 反映接力器位置的电气反馈装置。反馈装置中的位移传感器应具有良好的防潮性能和 抗油污能力，并能长期准确地工作。位移传感器非线性度小于4 - 0 5 ，温度漂移小于 0 0 0 5 ，传感器输出信号送至调速器p l c 或微处理器，由调速器p l c 或微处理器通过 现场总线送至监控系统。 功率反馈装置，它包括一个传感器和其他电器设备。功率传感器采用三相结线，测量 范围与机组功率相适应，测量误差应满足调速器功率调整精度0 5 的要求，传感器输出引 入调速器p i d 调节环节，并由调速器p l c 或微处理器通过现场总线送至监控系统。 5 ) 导叶开度限制 调速系统内具有电气导叶开度限制功能，在导叶全开度范围内可整定，限制导叶开度 于任意值。同时应提供足够数量的电气独立的、不接地的导叶位置开关。 6 ) 分段关闭装置 调速系统应配有机械和电气的两套导叶分段关闭装置，该装置应动作可靠便于调 整。 7 ) 水头信号装置 机组在水泵工况运行时( 这时调速器的速度调节装置电路是切除的) ，该装置与导叶 开度调节装置自动连续地调节导叶开度，使水泵运行能按当时水头保持最佳条件。传感器 输出信号送至调速器p l c 或微处理器，由调速器p l c 或微处理器通过现场总线送至监控系 统。 操作装置、仪表、控制盘、油压装置等配件与常规调速器相同。 华北水利水电学院硕士学位论文 第三章抽水蓄能机组调速器 3 1 选择调速器的可编程控制器叫1 调速器的硬件包括：可编程控制器、测频模块、开关量输出、开关量输入、电机转 换、图形显示等。测频模块的输入取机组残压测频和齿盘测频，电机转换采用步进电机 或数字阀嘲；其余硬件可包括在可编程控制器中。选用先进的可编程控制器 p l c ( p r o g r a l m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 还是p c c ( p r o g r a n i n a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ) 1 ) p l c 的调节器嘲 典型的p l c 调速器的原理系统如图3 一l 所示口刀。 图3 一l基于p l c 的调速器的系统图 f i 9 3 - 1v e l o m e t e rd i a g r a mb a s e d0 1 1p l c 调节器选用可编程控制器。当前先进的p l c 是选用m o d i c o n x q - - u a n t u m 系列可编程控 制器。q u a n t u m 系列可编程控制器是由法国施耐德电气公司生产的中型p l c ，体积小、速 度快、抗干扰能力强，它采用模块化结构，配置灵活，扩展方便。在系统中是核心部件。 选用这种p l c 是因为它还具有如下优点：1 ) 支持混合编程。可以用梯形图语言 ( l a d d e r - - d i a g r a m ，l d ) 、结构化文本语言( s t r u c t u r e d t e x t ，s t ) 、功能块图语言( f u n c t i o n b l o c kd i a - - g r a m ，f b d ) ，顺序功能表( s e q u e n t i a lf u n c t i o n c h a r t ，s f c ) 、混合编程，充 分利用各自的优点。2 ) 高精度p l c 测频。机频测量采用残压测频方式和齿盘接近开关测速 两路冗余。残压信号取自机端p t ，经隔离变压器输入后，再经过滤波、放大、整形，将交 1 3 兰! ! 查型查皇兰堕堡圭兰丝丝兰 流信号变成方波信号后输入到高速计数模块，由p l c 计算出频率。高速计数模块的计算频 率最高可达2 m h z 。这比中、大型p l c 调速器中常用的单片机测频模块可靠性高，而大多数 p l c 内部的数模块主频偏低，影响调速器的动态性能。3 ) 支持多种现场总线通讯。现场总 线在电厂得到越来越广泛的应用，q u a n t u m 系列p l c 支持多种现场总线通讯。c p u 模块自 带m o d b u s 和m o d b u sp l u s 通讯接口，通过这两个接口，可进行m o d b u s 或m o d b u sp l u s 现 场总线通讯。这两种通讯方式不需要外加通讯模块，成本较低。在需要i n t e r b u s 、p r o f i b u s 和l o n w o r k s 总线通讯的场合，插入相应的通讯模块即可。多种的现场总线，方便不同电 厂的特殊需要。 人机界面选用施耐德电气公司的m a g e l i s 系列彩色液晶触摸控制屏，通过组态形成功 能强大，图形精美的画面，帮助运行人员准确了解机组当前状态，操作便利，使用方便 抽水蓄能机组稳定运行工况多，它不仅有常规机组静止、发电和发电调相3 种稳定工况， 还有水泵工况下的两种稳定工况抽水和抽水调相，大多数稳态工况之间存在相互转 换。由于它在电力系统中的特殊地位决定了它的工况转换、操作频繁。因此抽水蓄能调速 器既有大量的逻辑转换，又有复杂的算法。若采用梯形图编程，特点是逻辑清楚，可读性 强。然而进行复杂计算时，编程则变得非常繁琐。结构化文本语言是国际电工委员会( i e c ) 制定的p l c 标准语言，是类似c 语言的高级编程语言，有强大的系统函数库供调用，支持 复杂的数学运算。用s t 编程可轻松实现复杂的控制算法。该抽水蓄能调速器已通过制造 厂厂内工业样机试验，即将到电站投运。试验表明：调速器的功能符合设计要求，性能指 标优于国家标准。整个研制过程为抽水蓄能技术国产化积累了经验。基于p l c 的调速器虽 然p l c 本身可靠性很高，但测量频率装置一般由单片机实现，其精度和速度有待提高。基 于工控机的调速器体积大、成本高，一般适合于大型机组。而p c c 既有p lc 的高可靠性 易扩展性，又有i p c 的运算能力强、实时性好、编程方便的特点，它集成了p l c 和i p c 的 优势，所以把p c c 作为抽水蓄能机组调速器的硬件必将能保证调速器的可靠性 2 ) p c c 调节器。1 基于p c c 的抽水蓄能机组调速器汹1 ，选用奥地利b e e r 公司的2 0 0 3 系列可编程计算机 控制器p c c 作为硬件主体，同时构成双机冗余切换配置系统。这种抽水莆能机组调速器充 分利用了p c c 的特点，具有很高的可靠性，可以满足抽水蓄能机组的安全稳定运行。 p c c 和p l c 基本的组成和工作原理是相同的，但是p c c 具有一般p l c 所不具有的特点 如3 _ - 2 所示，它的主要特点如下： 1 4 兰苎查型查皇兰堕堡主兰竺堡主 ( 1 ) p c c 的c p u 模块采用多处理器结构，除主c p u 外，系统还提供了输入输出处理器( i o - - p r o c e s s o r ) ，其主要负责独立于c p u 的数据传输工作；双口控制器( d p r - - c o n t r o l l e r ) 负责网络及系统的管理。因而其c p u 模块有三个处理器，它们既相互独立又相互联系。这 样既使主c p u 的资源得到了合理使用，又最大限度的提高了整个系统的速度。同时p c c 中 除了c p u 模块外还有一个时间处理单元t p u ，t p u 可以在不增加主c p u 负荷的前提下，完 成对时间响应很高的控制任务如对机组或电网频率的测量、脉宽调制等。 ( 2 ) p c c 采用定性的分时多任务操作系统，这是p c c 最大的特点。采用分时多任务操作 系 基于p c c 的调速器的系统结构如图3 2 所示。其原理和功能与p l c 调速器相同外， 拥有自己的特点： 选用c p 4 7 6 作为调速器的c p u 模块。c p 4 7 6 的主控芯片为m o t o r o l a 公司的m c 6 8 3 3 2 ， 借助于m c 6 8 3 3 2 独特的时间处理单元( t p u ) ，可很好地解决抽水蓄能机组调速器的频率测 量问题。 图3 2 基于p c c 的调速器系统图 f i 9 3 - 2 v e l o m e t e rd i a g r a mb a s e do np c c 高速数字量输入模块d 1 1 3 5 作为调速器测量频率的输入模块。数字量输出模块d 0 1 3 5 用于数字脉冲输出。模拟量输入模块a 1 7 7 4 ，a 1 3 5 4 作为水头、有功功率、导叶接力器行 程反馈等模拟量的输入模块。模拟量输出模块a 0 3 5 2 作为导叶接力器行程的输出模块，数 字量混合模块d m 4 6 5 和数字量输入模块d 1 4 3 5 作为调速器开关量输入输出模块，其中开关 兰! ! 查型查生兰堕堡圭兰些堡苎 一 量输入包括开机、停机、抽水、发电、调相、增加、减少等命令，开关量输出包括空载、 抽水、发电、调相、停机的指示灯信号以及一些故障输出信号i f 3 2 1 作为上位机和下位 机之间进通信的接口模块。智能切换继电器选用的是欧姆龙公司的z e n 可编程继电器，保 证了双机切换操作的可靠性。 由上可见，选择基于的p c c 调速器优于基于p l c 调速器。 3 2 频率测量 3 2 1 测周法测量频率的基本原理 1 测周法与测频法 测量频率一般采用测量周期法( 简称测周法) 或测量频率法( 简称测频法) 。测频法是 指：通过测量单位时间内被测信号的频率数来测量频率。显然，对于额定频率为5 0 h z 的 水轮发电机组的频率来说，用这种方法是不合适的，它只适合于测量处于高频段的频率信 号。 被测机组的频率f 和周期t 有如下关系：f = 1 t 如果通过一定的方法，能够准确而迅速地测量出被测信号的周期了，那么，对于运算 功能很强的p l c 来说，求出频率就是十分容易的了。这种通过测量周期了，进而求出频率 的方法，就称为测周法。显然，测周法适合于测量处于低频段的被测频率信号。 2 测周法的基本原理 ( a ) 原理框图( b ) 波形图 图3 - 3 测周法测量频率的原理框图 f i 9 3 df u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mf o rm c a s t l l eo ff r e q u e n c yo fs u r v e yc y m e t h o d 1 6 华北水利水电学院硕士学位论文 图中被测机组频率信号为f1 ，经过放大整形和二分频( 实际工程中，有时还采用四分 频、八分频) 得到方波信号：经过分频后3 信号为1 的半周时间和为0 的半周时间是相等 的。在实际应用中可以采用硬件分频的方法，也可以采用软件分频的方法；f3 方波信号 为1 的半周期时间正好是被测信号f1 的周期t 。 n 为高频时钟信号，它提供一个稳定的振荡信号。n 和f3 信号经与门得到图3 3 ( b ) 所示的f 4 信号。如果能对f 4 信号用脉冲信号的半波脉冲串进行计数，并记其值为n t ， 则n t 在数值上正比于被测信号的周期了，通过下式计算得到p l c 微机内的测频值f ：f = c n t ，f 必然正比于被测的频率值。例如，取n = 2 1 0 6 h z ，则在被测频率为5 0 h z 时，其 t = o 0 2 s ， n r = 4 0 0 0 0 ；若取式( 3 2 ) 中的常数c = 2x1 0 ，则求得测量结果为f = 5 0 0 0 0 。若被测频率 为4 8 h z ，则求得f = 4 8 0 0 0 。 3 水轮机微机调速器对频率测量环节的要求 若采用机组机端电压互感器电压( 俗称。残压”) 作为测频信号，则有以下要求： 正常测量有效值电压范围：o 3 1 6 0 v 。 可测出频率范围：1 5 - _ 9 0 h z 若采用齿盘测速头信号，则有以下要求： 正常测量电磁头脉冲峰值：4 5 _ - 2 4 v 。 可测出频率范围：5 _ - 9 0 h z 。 测量精度：0 0 0 5 h z 。 测频响应周期：4 0 8 0 m s 。 3 2 2p c c 调速器频率测量环节 1 测量频率单元 本方案设计的测频方式为：网频采用残压测频，信号取自电网的p r r ；机频的测量分两 种，一种为机组f r r 残压测频，另一种为双探头齿盘测频，利用双探头可以消除由于齿盘 加工精度的误差造成测频信号精度的下降，同时还可以根据测量结果判断机组处于抽水或 发电的工况，两种机频测量信号同时输入，软件里面自动比较、判断和切换，互为备用 通过整形放大电路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d 1 1 3 5 隔离并滤波后送入c p 4 7 6 的t p u 输入通道。b & r 公司的t p u 功能模块包含t p u 操作系统、t p u 配 兰韭堡型查兰兰堕堕兰兰垡堡苎 置、完成特定功能的t p u 程序模块等，应用程序通过它与t p u 通道通信传递参数和数据。 应用程序通过它与t p t l 通道通信传递参数和数据。本装置选用内部时钟( 62 9 16 6 7h z ) 为 基准的门时间测量模块l t x c p i x ( ) 。设置l t x c p i x ( ) 为循环测量连续两个上升沿之间的周期 长度，且每个信号周期均被测量。在所测周期信号结束时，输出该周期内计数器的计数差 值di f c n t ，则所测频率为：f = 6 2 9 1 6 6 7 a d i f c n t 。在时钟频率为6 2 9 16 6 7h z 的情况下，在 5 0h z 时。计数值d i f c n t 为1 2 5 8 3 3 ，则所测频率的分辨率为3 9 7 3 5 1 0 。，可以满足抽水 蓄能调速器对测频精度的要求。 2 双机冗余系统的可靠切换 迸行无扰可靠的切换是保证双机冗余系统可靠性的关键因素。本次选用的智能切换继 电器是一个可编程继电器。它实时的监测两套p c c 调节器的工作状态，在两个调节器都正 常的情况下，按照运行人员的指令把系统的控制权赋予相应的调节器；在一个调节器出现 故障时。控制权授予另一个调节器。此外，本次设计的电液随动系统的电液转换方式为伺 服比例控制为主要方式，交流伺服电机控制接力器行程发送器的行程给定为备用方式当 智能继电器监测到调节器的伺服比例控制方式发生卡涩时，马上切换到交流伺服电机控制 的方式，利用1 3 0