摘　要: 提出了一種基于PCC 的高可靠性步進式水輪機智能調速器, 它實現了用可編程計算機控制器模塊進行頻率測量, 并采用基于模糊規則的適應式參數自調整PID 控制策略, 從而使調速器具有測頻精度高、調節速度快、可靠性高等優點。電站試驗及運行表明, 該調速器具有良好的動靜態特性。
　　關鍵詞: 水輪機調速器; PCC; 智能PID
　　水輪機調速器是水電站重要的基礎自動化設備, 其質量的好壞直接影響到電能品質和電站安全及經濟運行。目前市場上主要有基于單片機、工業控制計算機、可編程控制器等三種類型的微機調速器。雖然微機調速器的性能不斷得到改善, 但縱觀微機調速器的發展, 還存在以下問題[1 ] : (1) 基于單片機的微機調速器一般均采用單片機實現, 其硬件多為自行設計制造, 元件檢測、篩選、老化處理、焊接及生產工藝等都受到限制, 造成調速器可靠性較低?；诠た貦C的微機調速器, 雖有一系列優點, 但裝置訪問時間較長, 體積大, 且成本高, 僅適合大型機組。基于可編程邏輯控制器的微機調速器, 雖然可編程邏輯控制器本身的可靠性很高, 但其測頻裝置一般由單片機實現, 由于該類調速器的測頻裝置存在與基于單片機的微機調速器同樣的問題, 從而使其可靠性大大降低。(2) 通常PID 調節器的參數整定是根據調節系統對象的特征參數, 利用推薦公式、仿真計算及實際經驗, 先選擇PID參數初值, 然后進行現場試驗并修改調節參數。這種方法只能根據當時的工況選擇1～2 組較優參數,難以實現水力機組所有工況的最佳控制。(3) 電液隨動系統中現有的電液轉換元件的可靠性和技術性能與微機調節器的發展不協調, 在運行過程中存在的堵塞發卡、漂移及對油質的過高要求和較大的漏油量等問題還未得到很好解決, 從而降低了調速器整機的可靠性。本文提出的步進式水輪機調速器是以可編程計算機控制器(PCC) 為控制核心, 采用基于模糊規則的適應式參數自調整PID 控制策略,并配以高可靠步進式電液隨動系統為功率放大單元的新一代步進式微機調速器。實際運行結果表明,該調速器有效解決了現有調速器存在的問題, 具有良好的靜、動態特性和很高的可靠性。
　　1 步進式水輪機PCC 調速器硬件[2 ,3 ]
　　步進式水輪機PCC 調速器以奧地利B&R 公司的2003 系列可編程計算機控制器為硬件主體。2003系列可編程計算機控制器CPU 模塊采用多處理器結構, 其I/O 處理器主要負責獨立于CPU 的數據傳輸工作, 而雙口控制器主要負責網絡及系統的管理, 它們既互相獨立, 又互相關聯, 從而使主CPU的資源得到了合理使用, 同時又最大限度地提高了整個系統的速度。
　　1.1   硬件配置　針對目前調速器在測頻、人機接口上存在的問題, 在選擇可編程計算機控制器模塊時, 選用CP474 作為調速器的CPU 模塊, 高速數字量輸入模塊DI135 作為調速器測頻輸入模塊, 模擬量輸入模塊AI351 為接力器位移量輸入模塊, 數字量混合模塊DM438 作為步進電機驅動脈沖輸出和調速器開關量輸入輸出模塊, 緊湊型人機接口面板P120 作為調速器的人機接口, 使得系統更為緊湊、可靠。結構見圖1。

　　圖1 　調速器硬件結構

　　1.2   步進式電液隨動系統　液壓隨動系統采用步進式電液隨動系統, 其結構框圖如圖2 所示。電液隨動系統為二級隨動系統。第一級為由脈沖分配器、功率放大回路、步進電機構成的機電隨動系統;第二級由二級液壓放大環節組成, 引導閥與輔助接力器構成第一級液壓放大環節, 主配壓閥與主接力器構成的第二級液壓放大環節。由于液壓隨動系統中取消了傳統的電液轉換器, 采用步進電機驅動的步進式引導閥, 從根本上解決了由電液轉換器發卡引起的控制失靈等問題, 使電液隨動系統的可靠性大大提高。

　　圖2 　液壓隨動系統框圖

　　2 步進式水輪機PCC 調速器軟件
　　調速器軟件分為PCC 部分和人機接口面板部分。PCC 部分采用B&R 公司獨特的PL2000 高級語言編制, 編程更方便, 更利于描述復雜的控制思想。人機接口面板P120 部分采用PCS 軟件編制。
　　2.1 　頻率測量　PCC CPU 模塊CP474 內部具有時間處理單元TPU , 該處理單元利用其內部4MHz 的計數時鐘測量輸入脈沖的頻率, 而DI135 的作用就是將整形后的機組或電網頻率信號傳至TPU。PCC 測頻的基本思路是: 先將機組或電網頻率信號整形為同頻率的方波信號, 該方波信號經DI135 送入CP474 的TPU 輸入通道, TPU 讀取方波信號兩相鄰上升沿之間的計數值N , 則所測頻率為:
　　f = f c/N
　　式中: f c 為PCC 內部計數器的計數頻率。
　　由于頻率測量是影響調速器可靠性的關鍵因素之一, 因此, 除了采用波形整形和采用高速計數器外, 還特別增加軟件和硬件的容錯及故障自診斷能力。在設計時按以下原則考慮: (a) 發電機可能出現的轉速范圍為零到飛逸轉速; (b) 連續兩個采樣時刻頻率差值應小于Δ= 50 T/Ta , 其中50 為額定頻率, T 為采樣周期, Ta 為機組慣性時間常數。若本次頻率值與上次頻率值之差的絕對值大于Δ,則對機頻錯誤計數器加1。若錯誤計數小于某一定值, 則用上次頻率值作為本次頻率值。如果錯誤計數連續大于某一定值, 則承認本次頻率值。(c) 對網頻或機組并入大網時的機頻, 若頻率值不在一定的頻率范圍內, 且達到一定次數, 則認為測頻出錯。(d) 如果連續一段時間內沒有機頻網頻信號, 則認為機頻網頻消失, 且發出相應的報警信號。
　　2.2 　智能PID 算法　頻率給定與機組頻率比較, 其偏差E 輸入PID 調節器, 形成與偏差相對應的調節規律。機組并網前, 頻率給定等于電網頻率, 從而使機組頻率跟蹤電網頻率使機組迅速并網。為提高機組并網后增減負荷的速度, 增加了功率給定( Pg) 的前饋環節。目前國內外的微機調節器所采用的調節規律大多數是PID 型, 而且參數基本是固定的, 這樣, 當系統工況發生變化時, 調節系統就不能很好隨系統工況的變化改變策略, 因此, 調節效果將受影響。本文所提出的基于模糊規則的智能PID 能夠隨系統的變化而自動調整PID 參數。離散化后計算公式為:

　　式中: kp 、kI 、kD 分別為比例增益、積分增益、微分增益, T 為采樣周期, TD 為實際微分環節時間常數, e (k) 為第k 個采樣周期的偏差。
　　模糊PID 就是在上述常規PID 的基礎上, 采用模糊推理規則逐漸地修改PID 參數, 以改善調節系統的動態響應[4 ,5 ] 。其參數調整規則如下: 規則1 : 如果系統輸出大于給定值, 減少kI ; 規則2 : 如果系統上升時間大于所要求的上升時間, 且無超調, 增大kI ; 規則3 : 如果在穩態時系統輸出有波動,適當增大kD ; 規則4 : 如果系統輸出對干擾信號反應敏感, 適當減小kD ; 規則5 : 如果系統上升時間過大, 且kI 較大, 增大kp ; 規則6 : 規則2 的優先級高于規則5 , 即當上升時間過大時, 先調整kI ,再調整kp ; 并考慮控制系統易于實現和算法的執行時間。根據以上規則, 設計出如下用于修改kI, kp 和kD 的Fuzzy 參數調整矩陣表。

　　表1 　qp 調整表

　　再定義kI, kp 和kD 參數調整算式:

　　kp = k′p + Cp ×qp
　　kI = k′I + CI ×qI
　　kD = k′D + CD ×Qd

　　圖3 　PID 調節器原理框圖

　　表2 　qI 調整表

　　表3 　qD 調整表

　　式中: Cp 、CI 、CD 為比例系數; qp 、qI 、qD 為修正系數。
　　在qp , qI , qD 的規則表建好后, 只需根據偏差和偏差變化率的大小, 通過查表就可獲得當前的kp , kI, kD , 和kD 通過PID 運算規則控制輸出。由于水輪機調速器的參數一般都較小, 因此上述表中的值可乘一比例系數, 可防止PID 參數變化太大而引起系統的不穩定。
　　3 　電站試驗
　　基于可編程計算機控制器的調速器2001 年5 月安裝于甘肅張掖龍渠三級電站2 號機上, 并對該調節系統進行了全面的靜態和動態特性試驗, 試驗表明其性能指標滿足或優于國標GB/T9652.1 - 1997的要求, 其主要特性試驗結果如下:
　　(1) 調速器轉速死區小于0.04 %;
　　(2) 空載時擾動量取8 % , 選參數Kp = 1.7 , KI = 0.32 , KD = 1.7 作為智能PID 初值, 擾動后調節時間比較短, 接力器擺動一次, 而且機頻超調小。見圖4。

　　圖4 　空載頻率階躍擾動試驗過渡過程曲線

　　(3) 甩25 %額定負荷, 接力器不動時間為0.16s。見圖5。

　　圖5 　甩25 %負荷800kW試驗過渡過程曲線

　　(4) 甩100 %額定負荷時, 轉速最大上升為額定轉速的118 % , 調節時間為20s。見圖6

　　圖6 　甩100 %負荷3300kW試驗過渡過程曲線

　　試驗后調速器即投入運行, 運行狀況良好。此后又有數臺先后在四川飛羅電站、福建建甌馬鞍電站、陜西石泉鵝項頸電站投入運行, 均運行穩定, 且具有很高的可靠性, 獲得了用戶的好評。
　　4 　結語
　　本文提出的基于可編程計算機控制器的步進式調速器具有如下特點: (1) 測頻裝置整形電路和可編程計算機控制器配以適當軟件完成測頻功能, 并取代單片機及PLC 測頻裝置, 直接測量頻率信號的當前周期, 提高了系統的可靠性及動態品質。(2) 采用可編程計算機控制器PCC 作為調速器電氣部分的硬件, 其平均無故障率達50 萬h , 大大提高了微機調速器電氣部分的可靠性。(3) 采用可編程計算機控制器PCC 較之傳統的可編程邏輯控制器PLC 具有以下優點: 采用多CPU 并行處理, 從而使主CPU 的資源得到了合理使用, 同時又最大限度地提高了整個系統的速度; 采用多任務分時操作系統, 從而使整個系統得到優化且具有較好的實時性; 引進了高級語言編程技術, 使編程更方便, 更利于描述復雜的控制思想。(4) 基于模糊規則的適應式參數自調整PID 控制策略, 實現水力機組所有工況的最佳控制, 其動態特性有了明顯改善。(5) 以高可靠步進式電液隨動系統為功率放大單元, 徹底解決了電液轉換器堵塞發卡、漂移及對油質的過高要求和較大的漏油量等問題, 從而提高了調速器整機的可靠性。因此, 該調速器一經推出就受到用戶的好評, 有著廣闊的應用前景。
　　參　考　文　獻:
　　[ 1 ] 　趙坤耀. 水輪機調速器發展綜述[J ] . 水力發電學報, 1996 (1) .
　　[ 2 ] 　齊蓉. 新一代可編程計算機控制器技術[M] . 西安: 西北工業大學出版社, 2000 , 3.
　　[ 3 ] 　南海鵬, 等. 基于可編程計算機控制器的水輪機調速器[J ] . 中國農村水利水電,2001 , 5.
　　[ 4 ] 　章衛國, 等. 模糊控制理論與應用[M] . 西安: 西北工業大學出版社. 1999 , 10.
　　[ 5 ] 　Leonid Reznik , Omar Ghanayem , Anna Bourmistrov. PID plus fuzzy controller structures as a design base for industrial
　　applications [J ] . Engineering Applications of Artificial Intelligence. 2000 , 13 : 419 - 430
　　High reliability step by step hydraulic turbine governor based
　　on programmable computer controller
　　NAN Hai-peng1 , WANG Tao1 , YU Xiang-yang1
　　(1. Xi' an University of Technology , Xi' an 　710048 , China)
　　Abstract : A high reliability step by step hydraulic turbine governor based on programmable computer controller (PCC) is developed. Its frequency measurement is realized by PCC intelligent module. The intelligent
　　Proportion integration differential ( PID) control method based on fuzzy logic is applied. The Governor possesses high measurement accuracy , high control speed and high reliability and verified by operation and tests in hydropower stations.
　　Key words : hydraulic turbine governor ; programmable computer controller ; intelligent PID
　　作者簡介:　　南海鵬(1963 , 男, 陜西人, 副教授, 研究方向為水力機械及自動化) 1 , 王　濤1 , 余向陽1
　　1 西安理工大學水電學院, 陜西西安　710048