摘　要: 提出了一種基于PCC 的高可靠性步進式水輪機智能調(diào)速器, 它實現(xiàn)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(guī)則的適應(yīng)式參數(shù)自調(diào)整PID 控制策略, 從而使調(diào)速器具有測頻精度高、調(diào)節(jié)速度快、可靠性高等優(yōu)點。電站試驗及運行表明, 該調(diào)速器具有良好的動靜態(tài)特性。
　　關(guān)鍵詞: 水輪機調(diào)速器; PCC; 智能PID
　　水輪機調(diào)速器是水電站重要的基礎(chǔ)自動化設(shè)備, 其質(zhì)量的好壞直接影響到電能品質(zhì)和電站安全及經(jīng)濟運行。目前市場上主要有基于單片機、工業(yè)控制計算機、可編程控制器等三種類型的微機調(diào)速器。雖然微機調(diào)速器的性能不斷得到改善, 但縱觀微機調(diào)速器的發(fā)展, 還存在以下問題[1 ] : (1) 基于單片機的微機調(diào)速器一般均采用單片機實現(xiàn), 其硬件多為自行設(shè)計制造, 元件檢測、篩選、老化處理、焊接及生產(chǎn)工藝等都受到限制, 造成調(diào)速器可靠性較低?；诠た貦C的微機調(diào)速器, 雖有一系列優(yōu)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(diào)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(xiàn), 由于該類調(diào)速器的測頻裝置存在與基于單片機的微機調(diào)速器同樣的問題, 從而使其可靠性大大降低。(2) 通常PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定是根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對象的特征參數(shù), 利用推薦公式、仿真計算及實際經(jīng)驗, 先選擇PID參數(shù)初值, 然后進行現(xiàn)場試驗并修改調(diào)節(jié)參數(shù)。這種方法只能根據(jù)當時的工況選擇1～2 組較優(yōu)參數(shù),難以實現(xiàn)水力機組所有工況的最佳控制。(3) 電液隨動系統(tǒng)中現(xiàn)有的電液轉(zhuǎn)換元件的可靠性和技術(shù)性能與微機調(diào)節(jié)器的發(fā)展不協(xié)調(diào), 在運行過程中存在的堵塞發(fā)卡、漂移及對油質(zhì)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(diào)速器整機的可靠性。本文提出的步進式水輪機調(diào)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(guī)則的適應(yīng)式參數(shù)自調(diào)整PID 控制策略,并配以高可靠步進式電液隨動系統(tǒng)為功率放大單元的新一代步進式微機調(diào)速器。實際運行結(jié)果表明,該調(diào)速器有效解決了現(xiàn)有調(diào)速器存在的問題, 具有良好的靜、動態(tài)特性和很高的可靠性。
　　1 步進式水輪機PCC 調(diào)速器硬件[2 ,3 ]
　　步進式水輪機PCC 調(diào)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(jié)構(gòu), 其I/O 處理器主要負責獨立于CPU 的數(shù)據(jù)傳輸工作, 而雙口控制器主要負責網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的管理, 它們既互相獨立, 又互相關(guān)聯(lián), 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(tǒng)的速度。
　　1.1   硬件配置　針對目前調(diào)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(diào)速器的CPU 模塊, 高速數(shù)字量輸入模塊DI135 作為調(diào)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(shù)字量混合模塊DM438 作為步進電機驅(qū)動脈沖輸出和調(diào)速器開關(guān)量輸入輸出模塊, 緊湊型人機接口面板P120 作為調(diào)速器的人機接口, 使得系統(tǒng)更為緊湊、可靠。結(jié)構(gòu)見圖1。

　　圖1 　調(diào)速器硬件結(jié)構(gòu)

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

　　圖2 　液壓隨動系統(tǒng)框圖

　　2 步進式水輪機PCC 調(diào)速器軟件
　　調(diào)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(fù)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(nèi)部具有時間處理單元TPU , 該處理單元利用其內(nèi)部4MHz 的計數(shù)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(wǎng)頻率信號傳至TPU。PCC 測頻的基本思路是: 先將機組或電網(wǎng)頻率信號整形為同頻率的方波信號, 該方波信號經(jīng)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(shù)值N , 則所測頻率為:
　　f = f c/N
　　式中: f c 為PCC 內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)頻率。
　　由于頻率測量是影響調(diào)速器可靠性的關(guān)鍵因素之一, 因此, 除了采用波形整形和采用高速計數(shù)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(shè)計時按以下原則考慮: (a) 發(fā)電機可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速范圍為零到飛逸轉(zhuǎn)速; (b) 連續(xù)兩個采樣時刻頻率差值應(yīng)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(shù)。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(shù)器加1。若錯誤計數(shù)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(shù)連續(xù)大于某一定值, 則承認本次頻率值。(c) 對網(wǎng)頻或機組并入大網(wǎng)時的機頻, 若頻率值不在一定的頻率范圍內(nèi), 且達到一定次數(shù), 則認為測頻出錯。(d) 如果連續(xù)一段時間內(nèi)沒有機頻網(wǎng)頻信號, 則認為機頻網(wǎng)頻消失, 且發(fā)出相應(yīng)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(diào)節(jié)器, 形成與偏差相對應(yīng)的調(diào)節(jié)規(guī)律。機組并網(wǎng)前, 頻率給定等于電網(wǎng)頻率, 從而使機組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率使機組迅速并網(wǎng)。為提高機組并網(wǎng)后增減負荷的速度, 增加了功率給定( Pg) 的前饋環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)外的微機調(diào)節(jié)器所采用的調(diào)節(jié)規(guī)律大多數(shù)是PID 型, 而且參數(shù)基本是固定的, 這樣, 當系統(tǒng)工況發(fā)生變化時, 調(diào)節(jié)系統(tǒng)就不能很好隨系統(tǒng)工況的變化改變策略, 因此, 調(diào)節(jié)效果將受影響。本文所提出的基于模糊規(guī)則的智能PID 能夠隨系統(tǒng)的變化而自動調(diào)整PID 參數(shù)。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(huán)節(jié)時間常數(shù), e (k) 為第k 個采樣周期的偏差。
　　模糊PID 就是在上述常規(guī)PID 的基礎(chǔ)上, 采用模糊推理規(guī)則逐漸地修改PID 參數(shù), 以改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)[4 ,5 ] 。其參數(shù)調(diào)整規(guī)則如下: 規(guī)則1 : 如果系統(tǒng)輸出大于給定值, 減少kI ; 規(guī)則2 : 如果系統(tǒng)上升時間大于所要求的上升時間, 且無超調(diào), 增大kI ; 規(guī)則3 : 如果在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)輸出有波動,適當增大kD ; 規(guī)則4 : 如果系統(tǒng)輸出對干擾信號反應(yīng)敏感, 適當減小kD ; 規(guī)則5 : 如果系統(tǒng)上升時間過大, 且kI 較大, 增大kp ; 規(guī)則6 : 規(guī)則2 的優(yōu)先級高于規(guī)則5 , 即當上升時間過大時, 先調(diào)整kI ,再調(diào)整kp ; 并考慮控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)和算法的執(zhí)行時間。根據(jù)以上規(guī)則, 設(shè)計出如下用于修改kI, kp 和kD 的Fuzzy 參數(shù)調(diào)整矩陣表。

　　表1 　qp 調(diào)整表

　　再定義kI, kp 和kD 參數(shù)調(diào)整算式:

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

　　圖3 　PID 調(diào)節(jié)器原理框圖

　　表2 　qI 調(diào)整表

　　表3 　qD 調(diào)整表

　　式中: Cp 、CI 、CD 為比例系數(shù); qp 、qI 、qD 為修正系數(shù)。
　　在qp , qI , qD 的規(guī)則表建好后, 只需根據(jù)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(guī)則控制輸出。由于水輪機調(diào)速器的參數(shù)一般都較小, 因此上述表中的值可乘一比例系數(shù), 可防止PID 參數(shù)變化太大而引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
　　3 　電站試驗
　　基于可編程計算機控制器的調(diào)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(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了全面的靜態(tài)和動態(tài)特性試驗, 試驗表明其性能指標滿足或優(yōu)于國標GB/T9652.1 - 1997的要求, 其主要特性試驗結(jié)果如下:
　　(1) 調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.04 %;
　　(2) 空載時擾動量取8 % , 選參數(shù)Kp = 1.7 , KI = 0.32 , KD = 1.7 作為智能PID 初值, 擾動后調(diào)節(jié)時間比較短, 接力器擺動一次, 而且機頻超調(diào)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(zhuǎn)速最大上升為額定轉(zhuǎn)速的118 % , 調(diào)節(jié)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(diào)速器即投入運行, 運行狀況良好。此后又有數(shù)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(wěn)定, 且具有很高的可靠性, 獲得了用戶的好評。
　　4 　結(jié)語
　　本文提出的基于可編程計算機控制器的步進式調(diào)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(tǒng)的可靠性及動態(tài)品質(zhì)。(2) 采用可編程計算機控制器PCC 作為調(diào)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(diào)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(tǒng)的可編程邏輯控制器PLC 具有以下優(yōu)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(tǒng)的速度; 采用多任務(wù)分時操作系統(tǒng), 從而使整個系統(tǒng)得到優(yōu)化且具有較好的實時性; 引進了高級語言編程技術(shù), 使編程更方便, 更利于描述復(fù)雜的控制思想。(4) 基于模糊規(guī)則的適應(yīng)式參數(shù)自調(diào)整PID 控制策略, 實現(xiàn)水力機組所有工況的最佳控制, 其動態(tài)特性有了明顯改善。(5) 以高可靠步進式電液隨動系統(tǒng)為功率放大單元, 徹底解決了電液轉(zhuǎn)換器堵塞發(fā)卡、漂移及對油質(zhì)的過高要求和較大的漏油量等問題, 從而提高了調(diào)速器整機的可靠性。因此, 該調(diào)速器一經(jīng)推出就受到用戶的好評, 有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　參　考　文　獻:
　　[ 1 ] 　趙坤耀. 水輪機調(diào)速器發(fā)展綜述[J ] . 水力發(fā)電學報, 1996 (1) .
　　[ 2 ] 　齊蓉. 新一代可編程計算機控制器技術(shù)[M] . 西安: 西北工業(yè)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(diào)速器[J ] . 中國農(nóng)村水利水電,2001 , 5.
　　[ 4 ] 　章衛(wèi)國, 等. 模糊控制理論與應(yīng)用[M] . 西安: 西北工業(yè)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