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蔡衛江
國家電網電力科學研究院 210003
摘要：本文介紹了PCC控製器在雲南瀾滄江小灣水電站水輪機調速係統上的應用，包括總體設計、係統特點、現場應用等。采用PCC控製器開發的微機調速器動態性能指標、穩定性能指標均優於國標、部標有關要求，具有功能完善、可靠性高、維護、調試方便、抗幹擾性強以及性能指標高等優點，非常適用於大型水電機組的控製。
關鍵詞：水輪機調速器 PCC控製器 雙機熱備 測頻 智能切換 現場試驗 國產化
0、 概述：
PCC（Programmable Computer Controller）也稱可編程計算機控製器。由奧地利B&R公司生產的PCC，集成了PLC和IPC的優勢，既有PLC的高可靠性、易擴展性，又有IPC的分時多任務操作係統功能，運算能力強、實時性好、編程方便，同時PCC的CPU模塊有獨特的時間處理單元（TPU），可以在不增加主CPU負荷的前提下很好的解決水輪機調速器的頻率測量問題，所以近年來在水輪機調速器領域得到了大量應用（見文獻[1]）。
小灣水電站位於雲南省鳳慶縣與南澗縣交界的瀾滄江上。電站裝機容量4200MW，裝機6台，單機容量700MW，水輪機組調速係統采用南瑞集團公司生產的SWT-2000H型雙微機調速係統。微機調節器部分以B&R公司的PCC2005控製器為核心，機械液壓部分以BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉換單元，美國GE公司的FC20000閥為主配壓閥，電源、控製模塊、傳感器、電(dian)液(ye)轉(zhuan)換(huan)等(deng)均(jun)采(cai)用(yong)了(le)雙(shuang)冗(rong)餘(yu)配(pei)置(zhi)，且(qie)采(cai)用(yong)了(le)第(di)三(san)方(fang)智(zhi)能(neng)切(qie)換(huan)單(dan)元(yuan)作(zuo)為(wei)仲(zhong)裁(cai)機(ji)構(gou)，整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)硬(ying)件(jian)配(pei)置(zhi)不(bu)僅(jin)性(xing)能(neng)超(chao)群(qun)，且(qie)可(ke)靠(kao)性(xing)極(ji)高(gao)。軟(ruan)件(jian)部(bu)分(fen)則(ze)采(cai)用(yong)了(le)南(nan)瑞(rui)公(gong)司(si)專(zhuan)有(you)的(de)變(bian)結(jie)構(gou)變(bian)參(can)數(shu)改(gai)進(jin)型(xing)並(bing)聯(lian)PID算法，擁有完全自主知識產權。
1、 調速器電氣係統總體設計
小灣電站調速器微機控製部分就選用了B&R公司的2005係列PCC模塊作為機組調速器的硬件主體，其中PS465作為PCC的電源模塊，IP161作為調速器的CPU模塊。該CPU模塊功能強大，具有850 KB SRAM，1.5 MB FlashPROM，2個RS232 接口，1 個CAN 接口，12個數字量輸入輸出，同時還具有TPU功能，6個模擬量輸入，6個模擬量輸出，可以方便的完成對機組頻率或電網頻率的測量以及調速器的調節計算和控製輸出。數字量輸入模塊DI476作為調速器開關量輸入模塊，數字量輸出模塊DO479作為調速器開關量輸出模塊，雙機之間切換由一個智能切換繼電器來保證，人機接口部分選用12英寸高亮度液晶觸摸顯示屏，作為控製係統的監控顯示和操作界麵。詳細係統配置圖見圖1所示。下麵是各模塊詳細資源分配：
CPU模件資源分配：
串口1：IF1，RS232，MODBUS通訊協議，和觸摸屏通訊。
串口2：IF2，RS232，通過轉換器轉為485，MODBUS通訊協議，和監控通訊。
CAN口：雙機係統通訊。
模擬量輸入通道：共6路，其中導葉變送器1、2占用兩路，功率變送器占用1路，水頭變送器占1路，功率給定采樣占1路，備用1路。
模擬量輸出通道：共6路，導葉控製輸出占2路，機組功率模擬輸出占1路，備用3路。
測頻通道：共4路，其中機組頻率測量占1路，齒盤測頻占2路，電網頻率測量占1路。
開關量輸入：共4路，引出備用4路。
開關量輸出：共4路，引出備用3路。
開關量輸入資源分配：
共16路，其中開機令、停機令、增加、減少、調相、主斷路器、GIS斷路器、中間斷路器、導葉手動、功率調節方式、一次調頻方式、綜合模塊故障、主從機狀態、一次調頻投入、一次調頻退出占15路，備用1路。
開關量輸出資源分配：
共16路，其中總故障、導葉采樣故障、手動狀態、一次調頻動作、PCC運行、PCC調試狀態、伺服閥故障、功率采樣故障、頻率采樣故障、通訊故障、切換閥控製、切手動控製占12路，備用4路。
圖1 機組調速器電氣係統結構圖
2、 調速器電氣係統特點
由上述模塊組成的調速器電氣部分具有以下特點：
(1) 可靠的雙機冗餘熱備係統：采用冗餘配置可以大大提高機組調速器的可靠性。
小灣調速係統中所有的PCC模塊均為冗餘配置，組成的兩個調節器之間通過CAN接jie口kou進jin行xing通tong信xin，可ke以yi保bao證zheng兩liang個ge調tiao節jie器qi之zhi間jian的de信xin息xi冗rong餘yu和he相xiang互hu切qie換huan時shi穩wen定ding工gong作zuo。兩liang個ge調tiao節jie器qi又you具ju有you獨du立li的de供gong電dian電dian源yuan和he獨du立li的de反fan饋kui通tong道dao。通tong過guo兩liang套taoPCC的采樣模塊采集信號，兩套CPUtongshigezichulicaijidexinhao，yitaochuyuzhukongmoshi，yitaochuyurebeiyongmoshi，dangqizhongyitaofashengguzhanghuoxuyaojianxiushi，tongguozhinengqiehuanjidianqishilingyitaolijizidongtourugongzuo，weichixitonggongkuangbaochibubian。
(2) 獨特的第三方智能切換機構：如果冗餘係統之間的無擾切換保證不了，那麼勢必
shishuangjirongyuxitongdekekaoxingdadajiangdi，suoyijinxingwuraokekaodeqiehuanshibaozhengshuangjirongyuxitongkekaoxingdeguanjianyinsu。xiaowantiaosuqixuanyongdeqiehuanjidianqishioumulonggongsideZEN可編程智能繼電器，它實時監測兩套PCC調節器的工作狀態，在兩個調節器都正常的情況下，按照運行人員的指令把係統的控製權授予相應的調節器；在一個調節器出現故障時，控製權自動授予另一個調節器，保證雙機之間的無擾動切換。
(3) 強大的通信功能：兩套PCC利用CPU模塊上的CAN接口進行實時通信，保證
兩套調節器之間的信息冗餘；兩套PCC和上位機顯示屏通過Modbus協議進行通信，PCC和監控係統可以通過約定的通信協議進行通信，一般選用Modbus協議。
(4) 可靠的供電電源：采用兩個24V開關電源分別對雙套PCC進行供電，這兩個開
關電源的輸入均為220V交流和220V直zhi流liu雙shuang路lu輸shu入ru，並bing保bao證zheng在zai較jiao寬kuan的de輸shu入ru電dian壓ya範fan圍wei內nei穩wen壓ya輸shu出chu。兩liang個ge電dian源yuan通tong過guo二er極ji管guan的de隔ge離li處chu理li對dui工gong控kong機ji顯xian示shi屏ping供gong電dian。這zhe樣yang可ke以yi互hu不bu幹gan擾rao，如ru果guo一yi套tao因yin電dian源yuan模mo塊kuai損sun壞huai而er無wu法fa工gong作zuo將jiang自zi動dong切qie除chu，備bei用yong機ji自zi動dong投tou入ru。
(5) 方便可靠的頻率測量單元：普通PLC控製器沒有內部時鍾，測頻一般采用高速計
數和外部擴展高頻時鍾的辦法，精度和可靠性不夠高。而PCC內部具有高達6MHZ的測量時鍾，可作為測量基準，所以測頻非常方便，硬件上隻需要將測量信號濾波、整形處理成PCC能接受的方波信號，輸入TPU通道，軟件上調用相應模塊即可實現。（見文獻[2]）。
(6) 可植入嵌入式仿真係統：PCC提供了一種更適合完成複雜的工業控製和監視的自
動化編程語言Automation Basic(AB)。它與C語言類似，並充分利用PCC的特點，使編程更簡單、更靈活，小灣調速係統就利用AB編寫了嵌入式水輪機仿真模型，具體方法是：采集當前導葉開度信號，通過建立的水輪機仿真模型計算出相應仿真轉速輸出，並利用高速TPU通道輸出相應仿真頻率，在試驗室或現場機組不具備開機情況下，可聯合液壓執行機構，通過內置水輪機模型，完成機組開、停機、並網、甩負荷等試驗。
3、 PCC水輪機調速器的現場應用
xiaowandianchangdiyitaotiaosushebeimuqianyijinganzhuangwanbi，danshebeihaimeiyoutouruyunxing，caiyongxiaowanxiangtongpeizhidetiaosuqidianguimuqianyijingzaiyunnanlancangjiangmanwandianchangtouruyunxing5套，最長已經超過1年，下圖2到圖5為漫灣3#機設備投產時的試驗錄波，從波形上看，空載頻率擾動-4HZ，超調量為0，調節時間為13秒，空載頻率擾動+4HZ，超調量為5%，調節時間為10秒。可見係統調節品質較高，數據均優於國標要求。從自動開機錄波圖看，機組轉速從0到50HZ時間約51秒，導葉調節平穩，轉速基本無超調，穩定性很好，便於機組快速並網。從甩負荷錄波圖看，不動時間約0.18秒，轉速上升後很快穩定。可以說，甩負荷過程控製非常理想。
 
 
圖2：空載頻率擾動-4HZ頻率及導葉錄波 圖3：機組空載頻率擾動-4HZ錄波
圖4 機組開機頻率及導葉錄波 圖5 甩滿負荷頻率、導葉、水壓錄波
總之，采用PCC控製器開發的微機調速器動態性能指標、穩定性能指標均優於國標、部標有關要求，具有功能完善、可靠性高、維護、調試方便、抗幹擾性強以及性能指標高等優點，非常適用於大型水電機組的控製。
4、 結束語
目前，我國除了三峽、龍灘、拉西瓦、小灣、瀑布溝外，已經投產和在建的600MW以yi上shang水shui輪lun發fa電dian機ji組zu越yue來lai越yue多duo，水shui輪lun機ji調tiao速su係xi統tong是shi其qi中zhong最zui重zhong要yao的de輔fu控kong設she備bei之zhi一yi，巨ju型xing機ji組zu調tiao速su器qi軟ruan硬ying件jian目mu前qian主zhu要yao還hai是shi依yi賴lai國guo外wai進jin口kou，相xiang應ying也ye會hui帶dai來lai有you許xu多duo問wen題ti，如ru價jia格ge昂ang貴gui，流liu程cheng設she計ji不bu完wan全quan滿man足zu中zhong國guo國guo情qing，備bei件jian、售(shou)後(hou)服(fu)務(wu)難(nan)以(yi)及(ji)時(shi)保(bao)證(zheng)等(deng)。和(he)國(guo)外(wai)相(xiang)比(bi)，這(zhe)些(xie)正(zheng)好(hao)又(you)是(shi)國(guo)內(nei)調(tiao)速(su)器(qi)的(de)優(you)點(dian)。近(jin)年(nian)來(lai)，國(guo)內(nei)調(tiao)速(su)器(qi)製(zhi)造(zao)和(he)設(she)計(ji)水(shui)平(ping)已(yi)大(da)大(da)提(ti)高(gao)，在(zai)產(chan)品(pin)的(de)多(duo)樣(yang)性(xing)、創新方麵取得了不少成績，在調速係統控製規律，調速係統對電網安全穩定的作用等方麵也取得不少研究成果。
小灣調速係統選擇PCC作為巨型機組調速器的硬件，借助PCC模mo塊kuai的de高gao可ke靠kao性xing及ji分fen時shi多duo任ren務wu操cao作zuo係xi統tong的de特te點dian和he編bian程cheng語yu言yan的de優you點dian，充chong分fen滿man足zu了le巨ju型xing機ji組zu調tiao速su器qi對dui可ke靠kao性xing和he實shi時shi性xing的de要yao求qiu。不bu僅jin硬ying件jian的de可ke靠kao性xing和he工gong藝yi大da大da提ti高gao，軟ruan件jian設she計ji也ye吸xi取qu了le國guo內nei的de部bu分fen研yan究jiu成cheng果guo，這zhe樣yang更geng加jia符fu合he中zhong國guo國guo情qing。
總之，小灣調速係統是國內自主研發的產品，具有完全自主知識產權，我們爭取在產品研製、設計、生產、測試等每個階段都嚴格控製、jingyiqiujing，lizhengdazaochuguoneishiyongyujuxingjizudetiaosuqijingpin。xiwangnengweijuxingshuilunjitiaosuxitongdeshejitigongyidingdecankao，tongshiyexiwangweituijinjuxingshuilunjizutiaosuxitongguochanhuajileijingyan。
參考文獻
[1] 潘熙和等，PCC在水電站調速器和勵磁裝置上的應用，水電站自動與大壩檢測，2008，VOL32，NO.3，P19-23
[2] 南海鵬，水輪發電機組PCC控製，西安：西北工業大學出版社，2002
[作者簡介] 蔡衛江（1970生），碩士，高級工程師，1992年參加工作，在國網電力科學研究院工作至今，主要從事水電站水輪機調速、自動化控製裝置等的研究和設計工作。
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