基于PCC数字控制器的龙滩水电厂调速系统改造

王雨生

（龙滩水力发电厂，广西 天峨 547300）

1 引言

龙滩水电站一期装机为7×700 MW，采用单机容量700 MW立式混流水轮发电机，位于广西天峨县境内。电站调速器机械液压系统全部由东方电机控制公司按照联合设计的要求设计和制造，调速系统电气部分由法国ALSTOM公司提供。

龙滩调速系统由调速器电气控制部分（数字式双冗余微机调节器、功率变送器、接力器位移传感器、主配压阀位移传感器、电源模块、液晶触摸屏、转速信号装置等）、油压装置（包括压力油罐、高压气罐、管路、阀门、压油泵、过滤器、冷却器、回油箱、自动补气装置、插装阀组、漏油箱、漏油泵、控制柜和相应的自动化元器件等）、调速器机械液压控制部分（包括双精滤油器、阀门、插装阀组、双比例伺服阀、主配压阀、分段关闭阀、事故配压阀等）3大部分组成（图 1）。

图1 调速系统结构关系图

调速系统设置有主用和备用两套电气控制系统，两套系统采用同种类型的伺服比例阀分别根据相同的电气控制信号进行动作，在自动回路之后同时设置一套独立于伺服比例阀控制的机械手动控制回路；同时设置有事故配压阀，以备在主配压阀失灵的情况仍能关闭导叶（图2）。

图2 调速系统结构框图

TSLG有两种类型独立的模块组成：

机组过程控制模块（UPC）的功能：负责速度调节和负载/频率控制，通过过程测量信号来产生电液转换器位置设定值。

位置反馈模块（SPC）的功能：对接力器的位置进行反馈（每个接力器有一个位置反馈）。

2 龙滩水电厂调速器存在的问题

龙滩电厂原有的调速系统投产以来，虽然整体运行稳定，在运行中主要存在以下几个方面的现象：

（1）机组在正常运行中频报“调速器TSLG备用通道小故障/复归”信息，带固定负荷运行，系统未发生任何扰动；

（2）主通道在停机状态下有功、转速、开限输出异常，重启后有功输出依然在跳变，断开有功变送器到UPC的回路后，跳变情况消失，但开限、转速输出仍异常，确认主通道的相关输出出现故障，备用通道UPC转速、有功输出异常，有功值有跳变现象，断开有功变送器到备用通道UPC回路故障无法消除；

（3）机组调速器电气柜有功功率表及转速表有较大幅度的摆动。

经检查分析，调速系统主控制模块（UPC和SPC模块）输入输出接口出现损坏，由于控制模块（UPC和SPC模块）为一体化集成模块，在现场无法修复，更换损坏的模块后正常。把更换下来损坏模块寄回厂家维修，厂家分析为设计缺陷，但维修后的模块使用一段时间后还是发生类似故障，问题一直没有彻底解决。

调速器电气柜的控制系统主要存在的问题：主控制模块（UPC和SPC模块）在5台机组都存在不同程度的损坏现象，损坏的频次多；主控制模块（UPC和SPC模块）损坏在现场无法维修，需寄回国外厂家进行整体维修，维修费用很高，时间长；主控制模块为原装进口产品，价格昂贵、采购周期长（6个月以上），不能保证损坏的模块得到及时更换；主控制模块输入输出没有隔离装置。以上存在的问题严重影响机组的安全稳定运行，随着设备老化，故障率会更高，因此，必须逐步对进口调速器电气部分进行改造，以保证机组安全稳定运行。

3 调速器技术改造方式及特点

3.1 改造方式

保持原有液压部分、比例阀及电磁阀、油压装置的机械及电气部分不变，更换新型调速器电气柜，即采用HGS-E412型调速器电气柜（图3）。

HGS-E412型调速器电气柜以PCC数字控制器为硬件核心，辅以双路大功率开关电源和测频接口模块以及一套15”彩色液晶显示触摸屏，具有极高的可靠性。PCC数字控制器全部采用B&R公司的X20系列可编程计算机控制器硬件平台，包括两套完全独立、互为备用的数字控制器A和数字控制器B。该电气柜具有良好的全中文界面和在线帮助系统，以两套互为热备用的可编程控制计算机PCC（X20）为自动控制通道的硬件核心，并配以彩色液晶触摸屏作为操作显示接口，操作简单方便。

主要配置包括：

2套PCC数字控制器构成冗余双通道系统；

2套频率测量接口模块；

2套伺服比例阀功放模块；

2套功率变送器；

1套HMI人机界面（彩色液晶显示器）；

2套厂用交直流双路供电电源系统；

1套开关、按钮及其他附件。

图3 调速系统结构框图

3.2 PCC X20的技术特点

PCCX20是高性能可编程计算机控制器，有很强的分析计算能力，其外围信号输入输出的巨大带宽可满足水电厂调速器电气部分调节的稳定性和速动性要求，特点如下：

（1）系统响应速度快。采用带浮点协处理器的32位Celeron 266 comp处理器，集成I/O处理器，并具有故障诊断和状态显示功能。

（2）采用分时多任务实时操作系统。用户可将整个任务分解成具有不同优先权的多个子任务，在进行编程时，运行过程中保持优先权高的任务先运行；剩余的时间才执行优先权低的任务，这一特点使得控制器在执行工业现场实时控制中具有高级任务优先的特点。

（3）支持编程语言高级化、多样化，使得解决复杂的控制任务编程时的多语言整合工作更方便、高效。

（4）采用分布式底板设计和导轨安装方式，接线简单、结构精密且易于装卸，选件灵活、扩展方便。

（5）数字量输入/输出（DI/DO）接口均采用光电耦合隔离技术，模拟量输入均经过滤波、隔离处理，故能有效抑制外部干扰源对硬件 电路的影响，具有完善的故障诊断（如信号断线或信号越限等）检测措施，大大提高系统可靠性。

（6）智能化开发环境。计算机控制器的开发环境，不但包括丰富的功能库，其自身还有强大的自诊断、监控及在线帮助功能。

3.3 改造后控制系统功能

（1）采用交叉冗余技术。调速器的两套平行控制通道设为主备用通道，均可获得冗余的信号输入并控制冗余的模块，当认定的主用控制通道故障时，将实现自动切换通道功能。

（2）具有强大的通讯功能和多个通讯接口，能以以太网或总线通讯方式与电站计算机监控系统进行通信，通讯方式可通过软件配置完成。同时HGS-E412型调速器还具有CPU及I/O模块的自我诊断功能等优点，对于模块自身故障可实时诊断并送出信号；对于外围传感器信号，可通过I/O模块内部硬件检查回路直接获得，不必经过软件处理，使冗余切换准确而快速。

（3）信号的预处理如开关量的去抖动、模拟量的线性折算及有效性判断等，都是在输入输出板上完成的，无需占用CPU处理器的资源。

（4）全中文图形操作界面和多级操作权限管理功能使得用户可在线显示或修改调速器控制系统的各种配置参数和运行参数，自行选择调速器运行状态及信息显示内容。

（5）控制系统集成性能测试系统，可实现调速器接力器开/关机时间测试、调速器系统静态特性和各种动态特性测试、调速器随动系统调整与测试等，极大简化系统现场调试及维护工作，易于调速器的使用与维护。

（6）控制系统具有各种操作及故障事件记录和信号录波功能，可以有效的对系统故障进行分析和查找。

4 结束语

龙滩水电厂调速系统改造投运以来，机组开停机正常，运行稳定，负荷调节正常，一次调频功能正常。

运行证明，基于可编程计算机控制技术PCCX20作为核心部件的龙滩水电厂机组调速系统电气控制部分，具有运算功能强大、可靠性高、响应速度快、良好的人机界面和调试维护简单等特点，各项试验指标和运行情况证明，国产HGS-E412型调速器完全满足龙滩水电厂巨型水轮发电机组的运行要求。