第一章水轮机调速器发展2005(1)

1、水轮机调速器发展现状及趋势水轮机调速器发展现状及趋势报告人:南海鹏水轮机调速器系统n水轮机调速器是水电站重要的基础自动化设备。机组空载运行时，它调节发电机的频率；机组并网运行时，它调节机组输出的有功功率；电网发生故障使某些机组跳闸时，它可以使备用机组迅速起动、升速和并网，保证电力系统稳定运行。由于其作用非常重要，因此一直是电力系统自动控制的重要内容之一。调速器的构成被控制系统水轮机控制设备（系统）引水和泄水系统水轮机发电机电网测量元件给定元件放大校正元件执行机构反馈元件调速器结构形式的发展测速元件放大元件主配压阀暂态反馈主接力器永态反馈局部反馈指令信号测速元件综合放大引导阀主配压阀电液转换器中

2、间接力器暂态反馈主接力器永态反馈机械反馈指令信号机械液压调速器电气液压调速器测速元件电液转换器P放大器DI主接力器辅助接力器永态反馈硬反馈局部反馈指令信号+_测速元件电液转换器P放大器DI主接力器辅助接力器永态反馈硬反馈局部反馈指令信号+_电子调节器型电气液压调速器微机调速器调速器功能n转速控制（模式）n功率控制（模式）n开度控制（模式）频率模式 人工切换 测功异常 DL分 频率超差 DL合 机组开机 功率模式 开度模式 主要功能n水位控制n相位控制n浪涌控制n人工失灵区功能n开度限制（按水头控制）辅助功能 正常工作时三种模式之间设置跟踪回路，可实现无扰动切换。在系统出现异常时，系统能够自动选

3、择合适的模式运行。 调速器发展n测量系统的发展n控制器的发展n液压系统的发展测量系统 1. 频率测量 2. 水位测量 3. 功率测量 4. 位移测量 频率测量n飞摆测频n永磁机LC或RC测频n齿盘测频n残压测频 残压测频测频计数可编程测频输入滤波整形 残压测频将发电机机端电压经过PT采集后送入测频输入模块。 测频测相硬件原理图CPUTPUGNDI2I1I3I4CH0CH1CH2CH3FjFwDI135CP474齿盘测速I4I3I2I112345678光电隔离光电隔离可编程计算机控制器I4I3I2I1传感器供电及整形传感器1传感器2I4I3I2I1 齿盘测速系统由装在水轮机主轴上的齿盘、接近开关

4、传感器以及相应的转速信号处理装置构成。 传感器1信号传感器2信号综合整理信号测频计数信号齿盘测速信号处理原理基于静态频差和动态频差的测量方法（PLC）S7-200S7-200I0.0I0.1 HSC3I0.2I0.4 HSC5I0.6 HSC1I1.2 HSC2时钟（CLK）Fg/64Fg/8反相反相正相正相放大整形机组频率 八分频&八分频 SKI机组频率动态频率测量静态频率测量+频率给定+pKSTSKVD11 pbDFSFPIDY水位测量使用方法使用方法投入式安装特特 点点激光调阻补偿零点合满度温度性能量量 程程01200mH2O供电电压供电电压1.5mADC输出信号输出信号70mV

5、DC精度等级精度等级0.1%FS | 0.25%FS | 0.5%FS位移传感器n精密线绕电位器 专门用于角位移和直线位移测量的电位器，具有良好的线性度，使用寿命较长。主要用于中小型调速器，近年来大型调速器很少使用。n直线位移传感直线位移传感器器 导电塑料直线电位器：其线性度好，体积小，安装方便，价格低廉。 磁致伸缩传感器：非接触，可靠性高在近年来开发的微机调速器中使用较多。磁致伸缩传感器主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环或浮球组成。 这种传感器属于非接触式的，可动部分与电路没有直接接触，它体积小，使用方便；但线性度与差动变压器线圈的的绕制工艺有关，分散性较大。差动变压器式直线位移传

6、感器控制器发展 控制器在调速器中的作用非常重要，它决定了系统的调节效果。它的发展可以从以下几个方面来说： 1. 硬件基础发展 2. 控制策略的发展水 轮 发 电 机 组检测单元执行器接口接口接口智 能 控 制 器接口键盘显示打印微机调速器控制系统的典型结构控制器原理控制器残压测频断路器合频率输入X2开机命令X3锁锭拔出X4增加X12减少X13自动X14电网频率齿盘测速功率信号水头信号X0X1停机命令Y0调速器故障Y1调速器自动Y备用Y备用Y备用开度反馈 电位移反馈 驱动电位移转换器手动X15急停复归X100X101急停投入远方减少X16X17远方增加 通讯急停阀Y100急停投入Y100急停复归

7、人机界面支持各种PLC，并支持多种通讯方式，并具有一定的数据处理能力。控制器硬件发展n杠杆反馈形成控制规律n单片机nIPCnPLCnPCCnDSP单片机n基于单片机的水轮机调速控制器具有成本低，能够实现复杂的控制策略，完成功能可以灵活设置和修改，尤其是支持了高级语言后，使得编程开发也非常容易。但是，单片机的外围电路一般需要开发者自行设计，因此线路的抗干扰性及可靠性收到了很大影响。IPCn基于IPC的调速器使用相对来说较少，主要用于大型机组。它的成本较高。国内主要以东方厂为主。PLC 基于PLC的水轮机调速器是目前国内使用非常广泛的调速器，它的可靠性较高，可以实现灵活多样的控制策略。但测频分辨率

8、低、响应时间长。PCC 基于PCC的调速器是新一代水轮机调速器，国内很多科研与生产调速器单位都开始研究、生产，它具有灵活的分时多任务操作系统，可靠性与PLC相同，灵活性与IPC相似。中小型PCC调速器的一种配置 10V 10V 人机接口面板 测频模块 模拟量输入模块 CPU 模块 数字量混合模块 整形电路 机组频率 电网频率 直线电位器 开机 关机 并网 增加 减少 电源模块 步进电机 驱动模块 步进电机 调速器电气部分调速器电气部分驱动器电位移按 钮测 频开关量水 头功 率导叶主配导叶接力器通讯反 馈急停阀调速器机械液压部调速器机械液压部分分外部信号外部信号导叶电气反馈PCC可编程控制器显

9、示驱动器电位移轮叶主配轮叶接力器反 馈轮叶电气反馈PCC双调节调速器PCC控制器通讯接口开关量人机接口PWS3761TPUCPU存储单元机频信号网频信号报警显示模拟量输入模块AI354数字量输出模块DO135数字量输入模块DI135模拟量输入模块AI774数字量混合模块DM465数字量混合模块DM465导叶步进电机驱动模块导叶步进电机轮叶步进电机驱动模块轮叶步进电机模拟量模拟量PCC双调的一种配置DSPn基于DSP的水轮机调速器是一种正在研究的调速器，它的处理速度很快，对于需要实现实时最优控制等对速度要求很高的调速器是很合适的。传统 PLC 的运行模式5101520250(ms)Speed T

10、ask A (1ms)Speed Task B (2ms)Logic Task C (5ms)Logic Task D (2ms)Current Scan Time10 msSpeed Task A (1ms)Speed Task B (2ms)Logic Task C (5ms)5msScanTime20msScanTimeLogicspeed5101520250(ms)Logic Task D (2ms)PCC定性分时多任务操作系统传 统 的P L CP C C内存容量几十 kB100kB-16MB,便于大量分析运算.编程语言指令表，梯形图指令表，梯形图，汇编，顺序功能图,高级语言(Aut

11、omation Basic ,C)操作系统特定定性多任务分时系统的模块化硬件硬件，软件I/O 处理能力开关量开关量，模拟量和回路调节技术数学运算能力差丰富的数学运算库I/O 模块带电插拔不可可以系统扩展及组网能力差好. Ethernet, 现场总线如 CAN, ProfiBus(PA,FMS, DP), INA2000, RS485.可实现多层次网络结构(管理层,控制层和现场层).开放性差好。通信的兼容性强:过程显示接口-PVI,Frame Driver (帧驱动)系统的智能性差MP(多处理器)，IP(智能 I/O 模块)，软件的自诊断能力强。传统 PLC与 PCC之比较传统 PLC与 PCC

12、之比较传传统统的的P P L L C CP P C C C C通用性和高度专业化的结合差好。在水电行业PCC以专用模块的方式对如下功能进行了集成：高高速速时时间间采采集集控控制制技技术术 多CPU并行处理 TPU负责时间运算 方便的参数整定 可靠的运行性能高高精精度度运运动动控控制制技技术术 100K编码计数 速度和位置补偿 步进电机 伺服电机 电液伺服阀系统可靠性30万小时50 万小时，双机冗余控制实现容错功能。控制策略的发展1. 电子管、集成电路时代 PI控制到定参数PID控制2.微机控制时代 采用变结构、变参数的控制策略，实现了系统的先进控制策略。 由于计算机及自动化水平的发展，调速器的

13、控制技术得到了极大发展，大约经过了三个阶段：A. 经典控制n主要以PID控制为主，目前仍然在实际中占有主流地位。经典控制在调速器中的应用很成熟，但由于电力系统对调速器的要求不断提高，因此必须在经典控制的基础上开发更为先进的控制策略。B. 现代控制技术自适应控制：根据调速调速系统的特性变 化而不断调整控制器自身特性的控制。预测控制：通过对受控对象未来行为的预测决定控制规律的控制。鲁棒控制：当受控对象模型在某一范围变化时均能达到最优或次最优控制效果的控制策略。最优控制：以某种性能指标为最优的控制策略。 这一阶段的各种控制策略均需要受控对象的精确数学模型，因此在实际的使用中收到了很大的限制。C .智

14、能控制模糊控制：借鉴人的思维方式对水轮机调节系统进行控制，使用模糊推理完成控制功能。神经网络控制：利用神经网络的逼近能力和自学习能力完成控制。 这一阶段不需要受控对象的精确数学模型，随着模糊控制和神经网络的理论的完善，将会在水轮机调节系统中得到有效的应用。一种智能PID控制策略PID调节器原理框图-+PTPT网频测量机频测量量量频率给定PIDbp前馈馈 馈PgYn电网机组求E，EC，调整kp 、kI、kd控制器发展趋势n控制器硬件朝着快速化、强抗干扰性、冗余方向发展n控制器功能随着对调速器系统作用的不断开发而逐渐增加，完善，例如内嵌试验系统集成n控制策略进一步朝着多种策略的相互融合、强鲁棒性、

15、最优性和实时性方向发展n 人机接口界面设计更为人性化液压系统的发展n19世纪末叶出现了用液压元件进行功率放大的液压调速器，至20世纪30年代，已有相当完善的机械液压型调速器。随着微机和计算机应用技术的普及和发展，我国在传统调速器的数字化改造和新型数字式电液随动系统方面取得了很大的成就。电液比例控制阀 连续控制，系统输出平稳，特别是微量、低速运动中，能保持输入与输出成比例的线性关系，其动、静态精度高 具有自动复中功能的电机式转换器操作手轮步进电机连轴器轴承滚珠丝杆滚珠螺母活动压块复中弹簧连接螺母传感器 驱动力大、不卡阻、可靠性高等特点，对油质无任何要求大大提高机械系统的灵敏度，有效地防止步进电机

16、的失步，死机。 n响应速度快、控制精度高、输出力矩大、抗油污能力强。易于加工，且成本较低，可靠性高，具有断电自保持功能 ，并可直接用数字量控制。步进式电液控制阀步进电机工作原理步进电机驱动控制器驱动器传感器反馈信号步进电机丝杆正向脉冲反向脉冲数字球阀（球座式高速电磁阀）为核心的电液转换装置，其驱动器以高速PWM脉冲信号驱动开机或关机侧数字球阀，静态无油耗 ,抗油污能力强 ,机械液压系统零位能自保持 ，维护检修简单，主要适用于中小型调速器 。数字球阀式电液转换器分段关闭装置接力器压力油开方向去主配开腔去主配关腔恢复机构主轴凸 轮节流活塞分段关闭节流阀13压力油121.5行程阀2调节螺杆接调速器或

17、事故配压阀开启腔121.5121.580控制活塞关主接力器80接调速器或事故配压阀关闭腔关nFDG-100型分段关闭装置 武汉长控所，由差装阀、行程阀等标准液压组件组合而成。油管通径为100mm，油压等级为2.5MPa、 4.0MPa、 6.3MPa。DXI型分段装置 武汉三联公司，由先导行程阀、液控单向节流阀、并联管道和分段凸轮组成。步进式液压结构框图脉冲分配功率放大步进电机引导阀辅助接力器主配压阀主接力器YYn步进式液压系统结构图局部反馈主反馈带机械反馈机液系统原理图主 接 力 器压 力 油关DS接关腔器关闭力两 段 关 闭 阀D至接力器至 接 力 器 开 启 腔至关关S不带机械反馈自复中机液系统原理图BP导叶控制部分开关123456关GN开POAPsKDTCA比例阀与脉冲阀冗余的电液系统新型主配阀比例阀流量输入产生位移，位移产生流量，两流量平衡时位移为零。即 0fbQQQcobSKQ主配外形