PCC雙機(jī)熱備在瀾滄江小灣水電站水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用
0、 概述：
PCC（Programmable Computer Controller）也稱可編程計算機(jī)控制器。由奧地利B&R公司生產(chǎn)的PCC，集成了PLC和IPC的優(yōu)勢，既有PLC的高可靠性、易擴(kuò)展性，又有IPC的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)功能，運(yùn)算能力強(qiáng)、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(fù)荷的前提下很好的解決水輪機(jī)調(diào)速器的頻率測量問題，所以近年來在水輪機(jī)調(diào)速器領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用（見文獻(xiàn)[1]）。
小灣水電站位于云南省鳳慶縣與南澗縣交界的瀾滄江上。電站裝機(jī)容量4200MW，裝機(jī)6臺，單機(jī)容量700MW，水輪機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)采用南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的SWT-2000H型雙微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。微機(jī)調(diào)節(jié)器部分以B&R公司的PCC2005控制器為核心，機(jī)械液壓部分以BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，美國GE公司的FC20000閥為主配壓閥，電源、控制模塊、傳感器、電液轉(zhuǎn)換等均采用了雙冗余配置，且采用了第三方智能切換單元作為仲裁機(jī)構(gòu)，整個系統(tǒng)的硬件配置不僅性能超群，且可靠性極高。軟件部分則采用了南瑞公司專有的變結(jié)構(gòu)變參數(shù)改進(jìn)型并聯(lián)PID算法，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。
1、 調(diào)速器電氣系統(tǒng)總體設(shè)計
小灣電站調(diào)速器微機(jī)控制部分就選用了B&R公司的2005系列PCC模塊作為機(jī)組調(diào)速器的硬件主體，其中PS465作為PCC的電源模塊，IP161作為調(diào)速器的CPU模塊。該CPU模塊功能強(qiáng)大，具有850 KB SRAM，1.5 MB FlashPROM，2個RS232 接口，1 個CAN 接口，12個數(shù)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(jī)組頻率或電網(wǎng)頻率的測量以及調(diào)速器的調(diào)節(jié)計算和控制輸出。數(shù)字量輸入模塊DI476作為調(diào)速器開關(guān)量輸入模塊，數(shù)字量輸出模塊DO479作為調(diào)速器開關(guān)量輸出模塊，雙機(jī)之間切換由一個智能切換繼電器來保證，人機(jī)接口部分選用12英寸高亮度液晶觸摸顯示屏，作為控制系統(tǒng)的監(jiān)控顯示和操作界面。詳細(xì)系統(tǒng)配置圖見圖1所示。下面是各模塊詳細(xì)資源分配：
CPU模件資源分配：
串口1：IF1，RS232，MODBUS通訊協(xié)議，和觸摸屏通訊。
串口2：IF2，RS232，通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為485，MODBUS通訊協(xié)議，和監(jiān)控通訊。
CAN口：雙機(jī)系統(tǒng)通訊。
模擬量輸入通道：共6路，其中導(dǎo)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(dǎo)葉控制輸出占2路，機(jī)組功率模擬輸出占1路，備用3路。
測頻通道：共4路，其中機(jī)組頻率測量占1路，齒盤測頻占2路，電網(wǎng)頻率測量占1路。
開關(guān)量輸入：共4路，引出備用4路。
開關(guān)量輸出：共4路，引出備用3路。
開關(guān)量輸入資源分配：
共16路，其中開機(jī)令、停機(jī)令、增加、減少、調(diào)相、主斷路器、GIS斷路器、中間斷路器、導(dǎo)葉手動、功率調(diào)節(jié)方式、一次調(diào)頻方式、綜合模塊故障、主從機(jī)狀態(tài)、一次調(diào)頻投入、一次調(diào)頻退出占15路，備用1路。
開關(guān)量輸出資源分配：
共16路，其中總故障、導(dǎo)葉采樣故障、手動狀態(tài)、一次調(diào)頻動作、PCC運(yùn)行、PCC調(diào)試狀態(tài)、伺服閥故障、功率采樣故障、頻率采樣故障、通訊故障、切換閥控制、切手動控制占12路，備用4路。
0、 調(diào)速器電氣系統(tǒng)特點
由上述模塊組成的調(diào)速器電氣部分具有以下特點：
(1) 可靠的雙機(jī)冗余熱備系統(tǒng)：采用冗余配置可以大大提高機(jī)組調(diào)速器的可靠性。
小灣調(diào)速系統(tǒng)中所有的PCC模塊均為冗余配置，組成的兩個調(diào)節(jié)器之間通過CAN接口進(jìn)行通信，可以保證兩個調(diào)節(jié)器之間的信息冗余和相互切換時穩(wěn)定工作。兩個調(diào)節(jié)器又具有獨立的供電電源和獨立的反饋通道。通過兩套PCC的采樣模塊采集信號，兩套CPU同時各自處理采集的信號，一套處于主控模式，一套處于熱備用模式，當(dāng)其中一套發(fā)生故障或需要檢修時，通過智能切換繼電器使另一套立即自動投入工作，維持系統(tǒng)工況保持不變。
(2) 獨特的第三方智能切換機(jī)構(gòu)：如果冗余系統(tǒng)之間的無擾切換保證不了，那么勢必
使雙機(jī)冗余系統(tǒng)的可靠性大大降低，所以進(jìn)行無擾可靠的切換是保證雙機(jī)冗余系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素。小灣調(diào)速器選用的切換繼電器是歐姆龍公司的ZEN可編程智能繼電器，它實時監(jiān)測兩套PCC調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)，在兩個調(diào)節(jié)器都正常的情況下，按照運(yùn)行人員的指令把系統(tǒng)的控制權(quán)授予相應(yīng)的調(diào)節(jié)器；在一個調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障時，控制權(quán)自動授予另一個調(diào)節(jié)器，保證雙機(jī)之間的無擾動切換。
(3) 強(qiáng)大的通信功能：兩套PCC利用CPU模塊上的CAN接口進(jìn)行實時通信，保證
兩套調(diào)節(jié)器之間的信息冗余；兩套PCC和上位機(jī)顯示屏通過Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，PCC和監(jiān)控系統(tǒng)可以通過約定的通信協(xié)議進(jìn)行通信，一般選用Modbus協(xié)議。
(4) 可靠的供電電源：采用兩個24V開關(guān)電源分別對雙套PCC進(jìn)行供電，這兩個開
關(guān)電源的輸入均為220V交流和220V直流雙路輸入，并保證在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)壓輸出。兩個電源通過二極管的隔離處理對工控機(jī)顯示屏供電。這樣可以互不干擾，如果一套因電源模塊損壞而無法工作將自動切除，備用機(jī)自動投入。
(5) 方便可靠的頻率測量單元：普通PLC控制器沒有內(nèi)部時鐘，測頻一般采用高速計
數(shù)和外部擴(kuò)展高頻時鐘的辦法，精度和可靠性不夠高。而PCC內(nèi)部具有高達(dá)6MHZ的測量時鐘，可作為測量基準(zhǔn)，所以測頻非常方便，硬件上只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(diào)用相應(yīng)模塊即可實現(xiàn)。（見文獻(xiàn)[2]）。
(6) 可植入嵌入式仿真系統(tǒng)：PCC提供了一種更適合完成復(fù)雜的工業(yè)控制和監(jiān)視的自
動化編程語言Automation Basic(AB)。它與C語言類似，并充分利用PCC的特點，使編程更簡單、更靈活，小灣調(diào)速系統(tǒng)就利用AB編寫了嵌入式水輪機(jī)仿真模型，具體方法是：采集當(dāng)前導(dǎo)葉開度信號，通過建立的水輪機(jī)仿真模型計算出相應(yīng)仿真轉(zhuǎn)速輸出，并利用高速TPU通道輸出相應(yīng)仿真頻率，在試驗室或現(xiàn)場機(jī)組不具備開機(jī)情況下，可聯(lián)合液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過內(nèi)置水輪機(jī)模型，完成機(jī)組開、停機(jī)、并網(wǎng)、甩負(fù)荷等試驗。
1、 PCC水輪機(jī)調(diào)速器的現(xiàn)場應(yīng)用
小灣電廠第一套調(diào)速設(shè)備目前已經(jīng)安裝完畢，但設(shè)備還沒有投入運(yùn)行，采用小灣相同配置的調(diào)速器電柜目前已經(jīng)在云南瀾滄江漫灣電廠投入運(yùn)行5套，最長已經(jīng)超過1年，下圖2到圖5為漫灣3#機(jī)設(shè)備投產(chǎn)時的試驗錄波，從波形上看，空載頻率擾動-4HZ，超調(diào)量為0，調(diào)節(jié)時間為13秒，空載頻率擾動+4HZ，超調(diào)量為5%，調(diào)節(jié)時間為10秒?？梢娤到y(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)較高，數(shù)據(jù)均優(yōu)于國標(biāo)要求。從自動開機(jī)錄波圖看，機(jī)組轉(zhuǎn)速從0到50HZ時間約51秒，導(dǎo)葉調(diào)節(jié)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速基本無超調(diào)，穩(wěn)定性很好，便于機(jī)組快速并網(wǎng)。從甩負(fù)荷錄波圖看，不動時間約0.18秒，轉(zhuǎn)速上升后很快穩(wěn)定?？梢哉f，甩負(fù)荷過程控制非常理想。
總之，采用PCC控制器開發(fā)的微機(jī)調(diào)速器動態(tài)性能指標(biāo)、穩(wěn)定性能指標(biāo)均優(yōu)于國標(biāo)、部標(biāo)有關(guān)要求，具有功能完善、可靠性高、維護(hù)、調(diào)試方便、抗干擾性強(qiáng)以及性能指標(biāo)高等優(yōu)點，非常適用于大型水電機(jī)組的控制。
0、 結(jié)束語
目前，我國除了三峽、龍灘、拉西瓦、小灣、瀑布溝外，已經(jīng)投產(chǎn)和在建的600MW以上水輪發(fā)電機(jī)組越來越多，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是其中最重要的輔控設(shè)備之一，巨型機(jī)組調(diào)速器軟硬件目前主要還是依賴國外進(jìn)口，相應(yīng)也會帶來有許多問題，如價格昂貴，流程設(shè)計不完全滿足中國國情，備件、售后服務(wù)難以及時保證等。和國外相比，這些正好又是國內(nèi)調(diào)速器的優(yōu)點。近年來，國內(nèi)調(diào)速器制造和設(shè)計水平已大大提高，在產(chǎn)品的多樣性、創(chuàng)新方面取得了不少成績，在調(diào)速系統(tǒng)控制規(guī)律，調(diào)速系統(tǒng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定的作用等方面也取得不少研究成果。
小灣調(diào)速系統(tǒng)選擇PCC作為巨型機(jī)組調(diào)速器的硬件，借助PCC模塊的高可靠性及分時多任務(wù)操作系統(tǒng)的特點和編程語言的優(yōu)點，充分滿足了巨型機(jī)組調(diào)速器對可靠性和實時性的要求。不僅硬件的可靠性和工藝大大提高，軟件設(shè)計也吸取了國內(nèi)的部分研究成果，這樣更加符合中國國情。
總之，小灣調(diào)速系統(tǒng)是國內(nèi)自主研發(fā)的產(chǎn)品，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，我們爭取在產(chǎn)品研制、設(shè)計、生產(chǎn)、測試等每個階段都嚴(yán)格控制、精益求精，力爭打造出國內(nèi)適用于巨型機(jī)組的調(diào)速器精品。希望能為巨型水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的參考，同時也希望為推進(jìn)巨型水輪機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)國產(chǎn)化積累經(jīng)驗。
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