PCC双机热备在澜沧江小湾水电站水轮机调速系统的应用
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摘要：本文介绍了PCC控制器在云南澜沧江小湾水电站水轮机调速系统上的应用，包括总体设计、系统特点、现场应用等。采用PCC控制器开发的微机调速器动态性能指标、稳定性能指标均优于国标、部标有关要求，具有功能完善、可靠性高、维护、调试方便、抗干扰性强以及性能指标高等优点，非常适用于大型水电机组的控制。
关键词：水轮机调速器 PCC控制器 双机热备 测频 智能切换 现场试验 国产化
0、 概述：
PCC（Programmable Computer Controller）也称可编程计算机控制器。由奥地利B&R公司生产的PCC，集成了PLC和IPC的优势，既有PLC的高可靠性、易扩展性，又有IPC的分时多任务操作系统功能，运算能力强、实时性好、编程方便，同时PCC的CPU模块有独特的时间处理单元（TPU），可以在不增加主CPU负荷的前提下很好的解决水轮机调速器的频率测量问题，所以近年来在水轮机调速器领域得到了大量应用（见文献[1]）。
小湾水电站位于云南省凤庆县与南涧县交界的澜沧江上。电站装机容量4200MW，装机6台，单机容量700MW，水轮机组调速系统采用南瑞集团公司生产的SWT-2000H型双微机调速系统。微机调节器部分以B&R公司的PCC2005控制器为核心，机械液压部分以BOSCH公司的比例伺服阀作为电液转换单元，美国GE公司的FC20000阀为主配压阀，电源、控制模块、传感器、电液转换等均采用了双冗余配置，且采用了第三方智能切换单元作为仲裁机构，整个系统的硬件配置不仅性能超群，且可靠性极高。软件部分则采用了南瑞公司专有的变结构变参数改进型并联PID算法，拥有完全自主知识产权。
1、 调速器电气系统总体设计
小湾电站调速器微机控制部分就选用了B&R公司的2005系列PCC模块作为机组调速器的硬件主体，其中PS465作为PCC的电源模块，IP161作为调速器的CPU模块。该CPU模块功能强大，具有850 KB SRAM，1.5 MB FlashPROM，2个RS232 接口，1 个CAN 接口，12个数字量输入输出，同时还具有TPU功能，6个模拟量输入，6个模拟量输出，可以方便的完成对机组频率或电网频率的测量以及调速器的调节计算和控制输出。数字量输入模块DI476作为调速器开关量输入模块，数字量输出模块DO479作为调速器开关量输出模块，双机之间切换由一个智能切换继电器来保证，人机接口部分选用12英寸高亮度液晶触摸显示屏，作为控制系统的监控显示和操作界面。详细系统配置图见图1所示。下面是各模块详细资源分配：
CPU模件资源分配：
串口1：IF1，RS232，MODBUS通讯协议，和触摸屏通讯。
串口2：IF2，RS232，通过转换器转为485，MODBUS通讯协议，和监控通讯。
CAN口：双机系统通讯。
模拟量输入通道：共6路，其中导叶变送器1、2占用两路，功率变送器占用1路，水头变送器占1路，功率给定采样占1路，备用1路。
模拟量输出通道：共6路，导叶控制输出占2路，机组功率模拟输出占1路，备用3路。
测频通道：共4路，其中机组频率测量占1路，齿盘测频占2路，电网频率测量占1路。
开关量输入：共4路，引出备用4路。
开关量输出：共4路，引出备用3路。
开关量输入资源分配：
共16路，其中开机令、停机令、增加、减少、调相、主断路器、GIS断路器、中间断路器、导叶手动、功率调节方式、一次调频方式、综合模块故障、主从机状态、一次调频投入、一次调频退出占15路，备用1路。
开关量输出资源分配：
共16路，其中总故障、导叶采样故障、手动状态、一次调频动作、PCC运行、PCC调试状态、伺服阀故障、功率采样故障、频率采样故障、通讯故障、切换阀控制、切手动控制占12路，备用4路。
图1 机组调速器电气系统结构图
2、 调速器电气系统特点
由上述模块组成的调速器电气部分具有以下特点：
(1) 可靠的双机冗余热备系统：采用冗余配置可以大大提高机组调速器的可靠性。
小湾调速系统中所有的PCC模块均为冗余配置，组成的两个调节器之间通过CAN接口进行通信，可以保证两个调节器之间的信息冗余和相互切换时稳定工作。两个调节器又具有独立的供电电源和独立的反馈通道。通过两套PCC的采样模块采集信号，两套CPU同时各自处理采集的信号，一套处于主控模式，一套处于热备用模式，当其中一套发生故障或需要检修时，通过智能切换继电器使另一套立即自动投入工作，维持系统工况保持不变。
(2) 独特的第三方智能切换机构：如果冗余系统之间的无扰切换保证不了，那么势必使双机冗余系统的可靠性大大降低，所以进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。小湾调速器选用的切换继电器是欧姆龙公司的ZEN可编程智能继电器，它实时监测两套PCC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授予相应的调节器；在一个调节器出现故障时，控制权自动授予另一个调节器，保证双机之间的无扰动切换。
(3) 强大的通信功能：两套PCC利用CPU模块上的CAN接口进行实时通信，保证两套调节器之间的信息冗余；两套PCC和上位机显示屏通过Modbus协议进行通信，PCC和监控系统可以通过约定的通信协议进行通信，一般选用Modbus协议。
(4) 可靠的供电电源：采用两个24V开关电源分别对双套PCC进行供电，这两个开关电源的输入均为220V交流和220V直流双路输入，并保证在较宽的输入电压范围内稳压输出。两个电源通过二极管的隔离处理对工控机显示屏供电。这样可以互不干扰，如果一套因电源模块损坏而无法工作将自动切除，备用机自动投入。
(5) 方便可靠的频率测量单元：普通PLC控制器没有内部时钟，测频一般采用高速计数和外部扩展高频时钟的办法，精度和可靠性不够高。而PCC内部具有高达6MHZ的测量时钟，可作为测量基准，所以测频非常方便，硬件上只需要将测量信号滤波、整形处理成PCC能接受的方波信号，输入TPU通道，软件上调用相应模块即可实现。（见文献[2]）。
(6) 可植入嵌入式仿真系统：PCC提供了一种更适合完成复杂的工业控制和监视的自动化编程语言Automation Basic(AB)。它与C语言类似，并充分利用PCC的特点，使编程更简单、更灵活，小湾调速系统就利用AB编写了嵌入式水轮机仿真模型，具体方法是：采集当前导叶开度信号，通过建立的水轮机仿真模型计算出相应仿真转速输出，并利用高速TPU通道输出相应仿真频率，在试验室或现场机组不具备开机情况下，可联合液压执行机构，通过内置水轮机模型，完成机组开、停机、并网、甩负荷等试验。
3、 PCC水轮机调速器的现场应用
小湾电厂第一套调速设备目前已经安装完毕，但设备还没有投入运行，采用小湾相同配置的调速器电柜目前已经在云南澜沧江漫湾电厂投入运行5套，最长已经超过1年，下图2到图5为漫湾3#机设备投产时的试验录波，从波形上看，空载频率扰动-4HZ，超调量为0，调节时间为13秒，空载频率扰动+4HZ，超调量为5%，调节时间为10秒。可见系统调节品质较高，数据均优于国标要求。从自动开机录波图看，机组转速从0到50HZ时间约51秒，导叶调节平稳，转速基本无超调，稳定性很好，便于机组快速并网。从甩负荷录波图看，不动时间约0.18秒，转速上升后很快稳定。可以说，甩负荷过程控制非常理想。
图2：空载频率扰动-4HZ频率及导叶录波 图3：机组空载频率扰动-4HZ录波
图4 机组开机频率及导叶录波 图5 甩满负荷频率、导叶、水压录波
总之，采用PCC控制器开发的微机调速器动态性能指标、稳定性能指标均优于国标、部标有关要求，具有功能完善、可靠性高、维护、调试方便、抗干扰性强以及性能指标高等优点，非常适用于大型水电机组的控制。
4、 结束语
目前，我国除了三峡、龙滩、拉西瓦、小湾、瀑布沟外，已经投产和在建的600MW以上水轮发电机组越来越多，水轮机调速系统是其中最重要的辅控设备之一，巨型机组调速器软硬件目前主要还是依赖国外进口，相应也会带来有许多问题，如价格昂贵，流程设计不完全满足中国国情，备件、售后服务难以及时保证等。和国外相比，这些正好又是国内调速器的优点。近年来，国内调速器制造和设计水平已大大提高，在产品的多样性、创新方面取得了不少成绩，在调速系统控制规律，调速系统对电网安全稳定的作用等方面也取得不少研究成果。
小湾调速系统选择PCC作为巨型机组调速器的硬件，借助PCC模块的高可靠性及分时多任务操作系统的特点和编程语言的优点，充分满足了巨型机组调速器对可靠性和实时性的要求。不仅硬件的可靠性和工艺大大提高，软件设计也吸取了国内的部分研究成果，这样更加符合中国国情。
总之，小湾调速系统是国内自主研发的产品，具有完全自主知识产权，我们争取在产品研制、设计、生产、测试等每个阶段都严格控制、精益求精，力争打造出国内适用于巨型机组的调速器精品。希望能为巨型水轮机调速系统的设计提供一定的参考，同时也希望为推进巨型水轮机组调速系统国产化积累经验。
参考文献
[1] 潘熙和等，PCC在水电站调速器和励磁装置上的应用，水电站自动与大坝检测，2008，VOL32，NO.3，P19-23
[2] 南海鹏，水轮发电机组PCC控制，西安：西北工业大学出版社，2002
作者：蔡卫江 国家电网电力科学研究院 210003
发布于：2024-11-16，除非注明，否则均为原创文章，转载请注明出处。
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