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1．前言

漾頭水電站位于貴州省銅仁市附近，裝機(jī)容量為2X8000KW，水輪機(jī)為軸流轉(zhuǎn)槳式，設(shè)計(jì)水頭為18M。原調(diào)速器為某廠(chǎng)生產(chǎn)的模擬電液調(diào)速器，機(jī)械控制部分采用電液轉(zhuǎn)換器，二級(jí)放大部分采用主配壓閥，接力器與主配壓閥開(kāi)環(huán)無(wú)反饋；在電氣上采用模擬電子調(diào)節(jié)器，抗干擾性能差；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，常誤動(dòng)作。自投入運(yùn)行以來(lái)，隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，機(jī)械的磨損，電氣分立元件的老化嚴(yán)重地影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

原調(diào)速器存在的主要問(wèn)題是：

1)抗卡阻效果差。調(diào)速器對(duì)油質(zhì)要求較高，常卡阻，不能保證長(zhǎng)期自動(dòng)運(yùn)行。

2)運(yùn)行操作不方便。由于機(jī)械磨損主配壓閥滲漏造成接力器漂移，且手動(dòng)運(yùn)行時(shí)無(wú)反饋，運(yùn)行人員總要不斷的調(diào)整，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

3)抗干擾能力差。任何電磁干擾都可能造成調(diào)速器誤動(dòng)作。

4)檢修維護(hù)不方便。調(diào)整環(huán)節(jié)太多，每次檢修后，僅調(diào)整各個(gè)節(jié)流閥就需要幾天時(shí)間。

2．改造方案

針對(duì)漾頭水電站的具體情況，擬定如下改造方案：

方案一.用ZFST－100型數(shù)字閥pcc可編程智能調(diào)速器整機(jī)替換原調(diào)速器。采用機(jī)電合柜形式。

方案二.保留原調(diào)速器主配壓閥，去掉原調(diào)速器中除主配壓閥以外的其他部分，采用步進(jìn)電機(jī)替代電液轉(zhuǎn)換器，采用PCC可編程智能調(diào)節(jié)器替換原模擬電子調(diào)節(jié)器。采用機(jī)電合柜形式。

由于主配壓閥的結(jié)構(gòu)形式為滑閥，主配壓閥活塞與襯套之間的間隙所造成的滲漏就不可避免，為了減少主配壓閥活塞與襯套之間的滲漏，就要在主配壓閥活塞閥盤(pán)與襯套與窗口之間加大搭疊量，而搭疊量加大了調(diào)速器機(jī)械死區(qū)。由于主配壓閥活塞與襯套之間的間隙所造成的滲漏不可避免，因此在手動(dòng)運(yùn)行時(shí)就需要機(jī)械反饋來(lái)補(bǔ)償，否則，接力器就要漂移。

由于漾頭水電站原調(diào)速系統(tǒng)沒(méi)有采用機(jī)械反饋。因此，在設(shè)備改造時(shí)，必須采用無(wú)鋼絲繩反饋（或杠桿反饋）結(jié)構(gòu)，只采用電氣反饋。如采用方案二即保留原調(diào)速器主配壓閥，手動(dòng)運(yùn)行時(shí)溜負(fù)荷。由于溜負(fù)荷，增加了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。而采用方案一數(shù)字閥調(diào)速器則能解決這一難題。

綜上所述采用方案一最為理想。

為了適應(yīng)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，實(shí)現(xiàn)水電站“無(wú)人值班”（少人值守），銅仁市地方電力公司漾頭水電站經(jīng)過(guò)調(diào)查研究，選用天津市科音自控設(shè)備有限公司研制的新一代調(diào)速器：ZFST-100型數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器，對(duì)原調(diào)速器進(jìn)行了整機(jī)更換改造，率先實(shí)現(xiàn)了在軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組上應(yīng)用數(shù)字閥+可編程計(jì)算機(jī)控制器的智能調(diào)速器。

3．?dāng)?shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器

結(jié)合水輪機(jī)調(diào)速器的特殊性，ZFST-100型數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器，選用不同于常規(guī)PLC的新一代可編程控制產(chǎn)品－PCC，即從貝加萊公司（B&R）進(jìn)口的可編程計(jì)算機(jī)控制器B&R2003。它面向自動(dòng)化過(guò)程，而不是面向繼電器邏輯電路仿真，這就是B&R2003的理念。PCC代表著一個(gè)全新的控制概念，它集成了可編程邏輯控制器(PLC)的標(biāo)準(zhǔn)控制功能和工業(yè)計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)功能。它能方便地處理開(kāi)關(guān)量，模擬量，進(jìn)行回路調(diào)節(jié)。并能用高級(jí)語(yǔ)言編程，具備大型機(jī)的分析運(yùn)算能力。其硬件具有獨(dú)特新穎的插拔式模塊結(jié)構(gòu)，可使系統(tǒng)得到靈活多樣的擴(kuò)展和組合。軟件也具備模塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)只需在原有基礎(chǔ)上疊加運(yùn)用軟件模塊。CPU運(yùn)行效率高，用戶(hù)存儲(chǔ)器容量大。這些優(yōu)越性都為智能式水輪機(jī)調(diào)速器提供了強(qiáng)有力的資源保證。

在電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換方面，采用電磁球閥替代電液轉(zhuǎn)換器；在放大級(jí)采用二通插裝閥替代主配壓閥。調(diào)速器從總體上降低了對(duì)油質(zhì)的要求，從根本上避免了電液轉(zhuǎn)換器發(fā)卡的弊病。由于數(shù)字閥技術(shù)是采用高速電磁球閥為先導(dǎo)閥，以二通插裝閥為主閥，而且插裝閥的密封形式為錐閥，因此數(shù)字閥又具有液壓鎖的功能，有效地避免了接力器的漂移，因此主接力器無(wú)需機(jī)械反饋。所以數(shù)字閥調(diào)速器在漾頭水電站的應(yīng)用，可以以最小的改動(dòng)，達(dá)到整機(jī)改造的目的。由于該系統(tǒng)的先導(dǎo)電磁球閥又具有手動(dòng)閥及事故閥的功能，減化了調(diào)速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上減化了整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)。所以該型調(diào)速器實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)杠桿，無(wú)管路；在結(jié)構(gòu)上采用集成塊的形式，外形簡(jiǎn)潔明快，可靠性極高，性能優(yōu)良。由于無(wú)需機(jī)械反饋，該型調(diào)速器在機(jī)組的布置上可不受任何限制，廠(chǎng)房整齊，美觀(guān)。

3.1主要特點(diǎn)

1)全新的控制理念。采用不同于常規(guī)PLC的新一代可編程計(jì)算機(jī)控制器--PCC，面向控制過(guò)程，能采用高級(jí)語(yǔ)言，分析運(yùn)算能力強(qiáng)，在同一CPU中能同時(shí)運(yùn)行不同程序。程序運(yùn)行時(shí)僅掃描部分程序，效率很高。

2)全PCC化，具有極高的可靠性。從輸入到輸出,從測(cè)頻到控制脈沖等各環(huán)節(jié)均實(shí)現(xiàn)了PCC化。PCC的平均無(wú)故障時(shí)間MTBF高達(dá)50萬(wàn)小時(shí)，即57年。常規(guī)PLC的平均無(wú)故障時(shí)間MTBF為30萬(wàn)小時(shí)。

3）多任務(wù)的優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)PLC中，并行處理是靠程序掃描來(lái)完成的。但事實(shí)上多任務(wù)才是并行處理的邏輯表達(dá)式，更簡(jiǎn)單直接的方法就是采用多任務(wù)技術(shù)。PCC恰恰可以滿(mǎn)足這種需求，當(dāng)某一任務(wù)在等待時(shí)，其他任務(wù)仍可繼續(xù)執(zhí)行，非其他常規(guī)PLC可以比擬。

4）智能型調(diào)速器。采用自適應(yīng)式變結(jié)構(gòu)，變參數(shù)并聯(lián)PID調(diào)節(jié)。自動(dòng)識(shí)別電網(wǎng)的性質(zhì)，并自動(dòng)適應(yīng)電站的各種特殊運(yùn)行方式，如孤網(wǎng)運(yùn)行，及由大電網(wǎng)解列為小電網(wǎng)運(yùn)行的突變負(fù)荷等特殊情況，均可保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。人性化設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的自診斷、防錯(cuò)、糾錯(cuò)及容錯(cuò)功能。

5）采用PCC高速計(jì)數(shù)模塊(HSC)測(cè)頻。PCC高達(dá)6.3MHz的計(jì)數(shù)頻率，具有很高的測(cè)頻精度和可靠性，從而使調(diào)速器的輸入通道－測(cè)頻環(huán)節(jié)的可靠性有了根本的保證。

6）由PCC實(shí)現(xiàn)信號(hào)綜合及控制脈沖的輸出。調(diào)節(jié)器的電氣開(kāi)度（數(shù)字信號(hào)），和轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的接力器實(shí)際位移由PCC內(nèi)部進(jìn)行綜合比較，輸出控制脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大后，直接驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)電磁閥。充分發(fā)揮了PCC多任務(wù)的功能。

7）聯(lián)網(wǎng)方便。具有RS232或RS485通訊接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)，及與上位機(jī)通訊，提高電站的自動(dòng)化水平。

8）調(diào)節(jié)模式靈活。可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，開(kāi)度調(diào)節(jié)，功率調(diào)節(jié)，并可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)模式間的無(wú)擾動(dòng)切換。

9）PCC的大內(nèi)存，為智能型調(diào)速器提供了資源保證。用戶(hù)內(nèi)存：1.5MBFLASHPROM，遠(yuǎn)大于常規(guī)PLC10KB左右的內(nèi)存。

10)采用電磁球閥做為電液轉(zhuǎn)換元件。徹底解決了常規(guī)調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換元件油污發(fā)卡的問(wèn)題，使電站可以實(shí)現(xiàn)完全可靠的自動(dòng)運(yùn)行。

11)可以適應(yīng)電站的各種特殊運(yùn)行方式。如孤網(wǎng)運(yùn)行，及由大電網(wǎng)解列為小

電網(wǎng)運(yùn)行的突變負(fù)荷等特殊情況，均可保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

12)具有故障鎖錠的功能。由于數(shù)字閥只有通/斷兩個(gè)狀態(tài)，且數(shù)字閥采用錐閥密封可以保證在31.5MPa下無(wú)泄漏，所以，數(shù)字閥又具有液壓鎖的功能，因此該系列調(diào)速器在測(cè)頻信號(hào)消失及斷電等情況下，具有故障鎖錠的功能。

13)無(wú)杠桿結(jié)構(gòu)。該系列調(diào)速器采用了數(shù)字閥液壓隨動(dòng)系統(tǒng)，自動(dòng)時(shí)有電氣返饋，手動(dòng)無(wú)需反饋，因此取消了杠桿，消除了因?yàn)楦軛U造成的死區(qū)，提高了調(diào)速系統(tǒng)的精度，而且無(wú)管路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，美觀(guān)。

14)友好的人機(jī)界面。采用觸摸屏做為人機(jī)界面，畫(huà)面美觀(guān)逼真，全中文顯示，操作方便，可以同時(shí)顯示很多信息。

15)維護(hù)簡(jiǎn)單調(diào)試方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，對(duì)于運(yùn)行維護(hù)人員沒(méi)有太高的特殊要求，調(diào)試只需設(shè)定有關(guān)數(shù)字，沒(méi)有太多的電位器等可調(diào)元件。

16)采用數(shù)字協(xié)聯(lián)方式。槳葉隨動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)確度高。

17)零擾動(dòng)手/自動(dòng)切換。由于自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電磁球閥每次動(dòng)作后都處于失電狀態(tài)；而切斷電源即為手動(dòng)運(yùn)行。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電子調(diào)節(jié)器跟蹤接力器的實(shí)際開(kāi)度。因此數(shù)字閥調(diào)速器實(shí)現(xiàn)了零擾動(dòng)手/自動(dòng)切換

3．2主要功能

ZFST-100型數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器具有自動(dòng)、電手動(dòng)、手動(dòng)三種操作方式，且可無(wú)條件無(wú)擾動(dòng)切換。具有很多功能，實(shí)用性智能性很強(qiáng)，除常規(guī)功能外具有如下主要功能。

1）空載運(yùn)行時(shí)，能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)頻率,實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)。

2）具有頻率調(diào)節(jié)、開(kāi)度調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)三種模式，并可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)模式間的無(wú)擾動(dòng)切換。功率調(diào)節(jié)模式下，可接受上位機(jī)控制指令，實(shí)現(xiàn)發(fā)電自動(dòng)控制功能(AGC)。

3）具有很強(qiáng)的自診斷、防錯(cuò)、糾錯(cuò)及容錯(cuò)功能，并可將有關(guān)故障信息顯示在屏幕上，或發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4）與上位機(jī)通訊的功能，接受上位機(jī)的控制命令，給上位機(jī)傳送有關(guān)信息。

5）開(kāi)停機(jī)智能控制。

6）具有參數(shù)記憶功能。當(dāng)電源失電時(shí)，PCC可保存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容，使運(yùn)行人員可以方便地修改有關(guān)參數(shù)并被記憶。

7）具有水位調(diào)節(jié)功能。

8）多級(jí)密碼保護(hù)功能。持有密碼級(jí)別的高低，決定了對(duì)系統(tǒng)行使權(quán)利的大小。運(yùn)行人員只能觀(guān)察到常規(guī)顯示畫(huà)面并進(jìn)行常規(guī)操作，檢修人員或管理人員可對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)等進(jìn)行修改。

9)采用交直流雙重供電，當(dāng)交流電源故障時(shí)，直流電源自動(dòng)投入，直流電源故障時(shí)，保持當(dāng)前開(kāi)度不變。

10)空載運(yùn)行，當(dāng)機(jī)頻信號(hào)消失時(shí)，自動(dòng)將開(kāi)度保持在空載開(kāi)度以下，以防過(guò)速。并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)機(jī)頻信號(hào)消失時(shí)，自動(dòng)切換為網(wǎng)頻測(cè)量回路，保持正常發(fā)電運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出機(jī)頻故障信號(hào)。

3.3調(diào)速器工作過(guò)程

數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

調(diào)速器自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，接收到開(kāi)機(jī)令后，按照預(yù)先設(shè)定好的開(kāi)機(jī)規(guī)律開(kāi)機(jī)。當(dāng)網(wǎng)頻測(cè)量正常時(shí)，調(diào)速器自動(dòng)選擇頻率調(diào)節(jié)模式，PCC按照機(jī)頻與網(wǎng)頻的差值進(jìn)行PID運(yùn)算，為實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)作好準(zhǔn)備；當(dāng)網(wǎng)頻測(cè)量故障時(shí)，自動(dòng)切換為開(kāi)度調(diào)節(jié)模式，PCC按照機(jī)頻與頻率給定的差值進(jìn)行PID運(yùn)算。PCC根據(jù)電氣開(kāi)度和實(shí)際開(kāi)度的差值輸出脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電磁球閥，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度，使機(jī)組自動(dòng)運(yùn)行于空載工況。

并網(wǎng)后，如為并大電網(wǎng)運(yùn)行，自動(dòng)切換為開(kāi)度調(diào)節(jié)模式。如為孤網(wǎng)運(yùn)行，自動(dòng)選擇頻率調(diào)節(jié)模式。通過(guò)上位機(jī)或觸摸屏改變功率給定值，調(diào)節(jié)器經(jīng)PI運(yùn)算后，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)。接到停機(jī)令后，調(diào)速器自動(dòng)將機(jī)組關(guān)機(jī)，完成停機(jī)過(guò)程。

4．現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了靜態(tài)，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，第一臺(tái)調(diào)速器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果如下：

1）轉(zhuǎn)速死區(qū)：0.015%

2)空載擾動(dòng)試驗(yàn)

調(diào)速器自動(dòng)運(yùn)行，選擇多組PID調(diào)節(jié)參數(shù)，選取頻率擺動(dòng)值和超調(diào)量較小，穩(wěn)定快、調(diào)節(jié)次數(shù)少的一組調(diào)節(jié)參數(shù)，作為空載運(yùn)行參數(shù),即:bt=45，Td=20，Tn=0.5

上擾：48.00Hz至52.00Hz，下擾：52.00Hz至48.00Hz

PID調(diào)節(jié)參數(shù)

上擾/下擾

最高(低)值（Hz）

調(diào)節(jié)次數(shù)（次）

調(diào)節(jié)時(shí)間（s）

bt=45

Td=20

Tn=0.5

上擾

52.03

1

8

下擾

47.46

1

7

3)空載頻率擺動(dòng)值

將調(diào)速器切至自動(dòng)位置，PID調(diào)節(jié)參數(shù)為上步試驗(yàn)優(yōu)選出的空載運(yùn)行參數(shù)，機(jī)組開(kāi)至額定轉(zhuǎn)速。機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后觀(guān)察機(jī)組頻率擺動(dòng)值，每次三分鐘，共三次，取平均擺動(dòng)值。

最大值

最小值

Fj（Hz）

50.03

49.98

Fj（Hz）

50.02

49.96

Fj（Hz）

50.04

49.99

自動(dòng)空載頻率擺動(dòng)值：±0.06%

4）甩25%額定負(fù)荷，接力器不動(dòng)時(shí)間為0.18s。

5）甩100%額定負(fù)荷，轉(zhuǎn)速最大上升為額定轉(zhuǎn)速的133.6%，超過(guò)3%額定轉(zhuǎn)速的波峰次數(shù)為1次，從接力器第一次向開(kāi)啟方向移動(dòng)起，到機(jī)組轉(zhuǎn)速擺動(dòng)值不超過(guò)±0.5%為止所經(jīng)歷的時(shí)間為27S。

6）突變負(fù)荷試驗(yàn)

突增，突減25%額定負(fù)荷，非常迅速地穩(wěn)定在新的工況，完全符合電站實(shí)際運(yùn)行的要求。

5．結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，天津市科音自控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZFST-100型數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器的各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件GB9652.1-1997”。第一臺(tái)投入運(yùn)行已有兩年，第二臺(tái)投入運(yùn)行已有一年，實(shí)踐表明，調(diào)速器未出現(xiàn)任何故障，運(yùn)行人員操作簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量很少，大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，并減少了運(yùn)行人員。該型調(diào)速器完全滿(mǎn)足電站“無(wú)人值班”（少人值守）的要求。調(diào)速器的成功改造，給漾頭水電站帶來(lái)了非?？捎^(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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