蔡衛(wèi)江 陳東民 榮 紅 朱 軍 蔡曉峰

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 210003）

1 引言

智能電網(wǎng)以及數(shù)字化水電站是我國(guó)電力工業(yè)將來的發(fā)展方向，它的建設(shè)將集國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)之大成，引領(lǐng)世界水電廠智能化的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和發(fā)展方向。而水輪機(jī)調(diào)速器作為機(jī)組核心控制設(shè)備，對(duì)調(diào)節(jié)電廠機(jī)組負(fù)荷、穩(wěn)定頻率，保證電網(wǎng)的供電品質(zhì)和質(zhì)量極其重要。然而目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)和正在設(shè)計(jì)的調(diào)速器產(chǎn)品，大都沒有意識(shí)到當(dāng)前電網(wǎng)智能化環(huán)境的特殊要求，如在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口、GPS對(duì)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)總線、仿真與測(cè)試接口方面大多沒有充分考慮。

智能化水電廠是以通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，水力聯(lián)系和電力聯(lián)系為紐帶、能源轉(zhuǎn)換控制設(shè)備為載體、安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為目標(biāo)，融合仿真、控制和信息三位一體技術(shù)實(shí)現(xiàn)水電站的運(yùn)行控制和管理[1]，這就要求相應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)具有高速可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，通過配置先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、冗余可靠的設(shè)計(jì)、高級(jí)的控制策略以及方便靈活的仿真測(cè)試接口，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠機(jī)組的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 總體方案

統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)是智能電網(wǎng)的一個(gè)基本特征。參見圖1，水電站現(xiàn)地級(jí)包括監(jiān)控、調(diào)速器、勵(lì)磁、輔機(jī)系統(tǒng)等不同設(shè)備。在試圖建立統(tǒng)一平臺(tái)的過程中，我們參照智能化變電站的建設(shè)方案，將現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集和測(cè)量按類似于“過程層”、“間隔層”、“站控層”的結(jié)構(gòu)層次布置，采用兩層網(wǎng)絡(luò)：站控層網(wǎng)（MMS網(wǎng)）、過程層網(wǎng)（MODBUS TCP/IP網(wǎng)）組成。全站網(wǎng)絡(luò)采用高速光纖以太網(wǎng)組成。

圖1 智能水輪機(jī)調(diào)速器總體設(shè)計(jì)框圖

站控層由監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)（操作員站）和智能設(shè)備接口機(jī)等構(gòu)成， 智能設(shè)備接口機(jī)可將調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等接入站控層MMS網(wǎng)，監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設(shè)備以及其他設(shè)備功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并能與遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信，通信標(biāo)準(zhǔn)符合DL/T860（IEC61850）[2]。

間隔層可由若干個(gè)子系統(tǒng)組成，如繼電保護(hù)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控LCU單元等二次設(shè)備，實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能，即與各種遠(yuǎn)方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。

過程層由電子式互感器、數(shù)字變送器等構(gòu)成，完成與一次設(shè)備或其他設(shè)備相關(guān)的功能，包括實(shí)時(shí)運(yùn)行電氣量（頻率、功率）、開關(guān)量（液壓系統(tǒng)狀態(tài)、報(bào)警等）和非電氣量（行程、油壓、油位等）的采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、控制命令的執(zhí)行等。

在站控層網(wǎng)絡(luò)，調(diào)速器的各種信息輸出（轉(zhuǎn)速、功率、開度等），目前先考慮以自定義規(guī)約和協(xié)議接入監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)，但將來最終會(huì)以61850協(xié)議接入MMS網(wǎng)，與其他系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)。而在過程層網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)速和頻率信號(hào)通過齒盤接近開關(guān)及電磁互感器以脈沖信號(hào)接入，功率信號(hào)通過電子式互感器，開度、油壓、油位等信號(hào)通過變送器以4-20mA模擬量接入，調(diào)速器將采集的數(shù)據(jù)處理后（功率、開度、報(bào)警等）以MODBUS TCP/IP協(xié)議發(fā)送至過程層供監(jiān)控系統(tǒng)采用。

在國(guó)外，Modbus TCP被國(guó)際半導(dǎo)體業(yè)SEM I定為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，世界上93%的網(wǎng)絡(luò)都使用TCP/IP，只要在應(yīng)用層使用Modbus TCP，就可實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，用戶可免費(fèi)獲得協(xié)議及樣板程序，應(yīng)用非常方便。監(jiān)控系統(tǒng)的各種指令（功率給定、水頭信息、開停機(jī)命令等）可以通過Modbus TCP傳輸給調(diào)速器，調(diào)速器采集的各種信息也可用該協(xié)議傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)。

智能調(diào)速器還必須具有仿真和測(cè)試接口，仿真數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)來高速傳輸，同時(shí)裝置還留有常規(guī)模擬量、脈沖量輸入/出接口，可滿足一次調(diào)頻、參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)的要求。

3 GPS對(duì)時(shí)

調(diào)速器的對(duì)時(shí)非常關(guān)鍵，內(nèi)部及外部產(chǎn)生的重要信號(hào)變化都需要記錄較精確的時(shí)鐘信息，特別是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只有在統(tǒng)一精確的時(shí)鐘系統(tǒng)的控制下才能準(zhǔn)確地記錄下事件動(dòng)作的先后時(shí)間，從而為分析事故原因，事故類型，事故發(fā)生發(fā)展過程提供可靠依據(jù)。這就需要系統(tǒng)對(duì)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)時(shí)的時(shí)間來源是GPS。

現(xiàn)行的GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)支持硬對(duì)時(shí)（脈沖節(jié)點(diǎn)PPS、PPM、PPH）、軟對(duì)時(shí)（串口報(bào)文）、編碼對(duì)時(shí)（IRIG-B、DCF77）和網(wǎng)絡(luò)NTP對(duì)時(shí)，可滿足國(guó)內(nèi)外不同設(shè)備的對(duì)時(shí)接口要求。IRIG-B碼實(shí)際上也可以看作是一種綜合對(duì)時(shí)方案，因?yàn)樵谄鋱?bào)文中包含了秒、分、小時(shí)、日期等時(shí)間信息，同時(shí)每一幀報(bào)文的第一個(gè)跳變又對(duì)應(yīng)于整秒，相當(dāng)于秒脈沖同步信號(hào)。這種對(duì)時(shí)比較精確。推薦在智能調(diào)速器上采用。

具體對(duì)時(shí)方案參見圖1，首先在電站中控室安裝一面GPS時(shí)間同步系統(tǒng)屏，配置一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)同步鐘本體，完成GPS衛(wèi)星信號(hào)的接收、處理，及向調(diào)速、勵(lì)磁、監(jiān)控等裝置提供標(biāo)準(zhǔn)同步時(shí)間信號(hào)（RS422電平方式IRIG-B）。調(diào)速器采用了硬件RS422通信接口，具有接收IRIG-B（DC）時(shí)碼時(shí)間信息功能。通過RVVP兩芯的屏蔽通訊電纜，接入GPS同步時(shí)鐘裝置的B碼輸出標(biāo)號(hào)段。當(dāng)調(diào)速器內(nèi)部時(shí)鐘接收到外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，被外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)同步，當(dāng)接收不到外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，保持一定的走時(shí)準(zhǔn)確度，直到外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)恢復(fù)時(shí)自動(dòng)切換到正常工作狀態(tài)。

4 智能水輪機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)思路

智能化水電站中的調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)上應(yīng)滿足“可靠性、靈敏性、穩(wěn)定性”的要求，并在此基礎(chǔ)上提高設(shè)備的性能和智能化水平。系統(tǒng)在功能實(shí)現(xiàn)上是統(tǒng)一的整體，需要傳感變送元件、液壓隨動(dòng)系統(tǒng)、各模塊之間的配合協(xié)調(diào)，發(fā)揮其整體性能。

4.1 系統(tǒng)硬件冗余配置

智能調(diào)速系統(tǒng)CPU單元及開入/出、模入/出、測(cè)頻等硬件模塊應(yīng)按雙重化原則配置，每套系統(tǒng)裝置功能獨(dú)立完備、安全可靠，雙重化配置的多個(gè)過程層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)遵循完全獨(dú)立的原則。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)配置一套功能簡(jiǎn)單的智能切換單元，通過CAN總線或常規(guī)I/O接口接受兩套控制器的信息[3]。

參見圖2，以目前高端調(diào)速器的主流配置方案為例，選用貝加萊PCC2005控制器CP340和IP161組成其硬件核心。其他電源、開入開出等模塊組成系統(tǒng)整體硬件單元，選用歐姆龍ZEN系列智能繼電器組成切換單元，相互之間聯(lián)系如圖2所示。

圖2 智能水輪機(jī)調(diào)速器硬件冗余配置圖

通常情況下，兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間通過CAN接口進(jìn)行通信，確保兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間的信息冗余和相互切換時(shí)穩(wěn)定工作。每個(gè)調(diào)節(jié)器具有獨(dú)立的供電電源和獨(dú)立的反饋采樣通道，一套系統(tǒng)處于主控模式，一套處于熱備用模式，當(dāng)其中一套發(fā)生故障或退出控制轉(zhuǎn)入調(diào)試時(shí)，通過智能切換單元使另一套自動(dòng)投入。智能切換單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩套控制器的工作狀態(tài)（通過心跳脈沖檢測(cè)），以及其他的狀態(tài)和故障信息。實(shí)時(shí)選擇正常的一套做主機(jī)輸出。

4.2 智能電液隨動(dòng)系統(tǒng)

早期調(diào)速器大多采用帶機(jī)械反饋的機(jī)械式隨動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，由于安裝復(fù)雜，控制精度差，已逐漸被淘汰?，F(xiàn)在使用的電液操作機(jī)構(gòu)，大都是通過主配壓閥自動(dòng)回復(fù)中位來保證主接力器穩(wěn)定在某個(gè)位置。這種方式缺點(diǎn)是沒有引入主接力器反饋，手動(dòng)操作是開環(huán)控制，會(huì)產(chǎn)生位置漂移，危害機(jī)組安全。而智能調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)的控制要求，不僅在自動(dòng)工況下要可靠、精度高、速動(dòng)性好，手動(dòng)控制時(shí)也要穩(wěn)定、具有一定的調(diào)節(jié)精度，最關(guān)鍵的是電液隨動(dòng)系統(tǒng)還要有一定的智能性，即能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隨動(dòng)系統(tǒng)液壓元件、傳感元件的狀態(tài)，同時(shí)還具有保護(hù)機(jī)組的功能[4]。

參見圖3，我們的方案是在機(jī)械隨動(dòng)裝置上增設(shè)一套控制單元，采用微控制器、電子傳感元件等組成獨(dú)立的智能閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入伺服閥、主配、接力器位置反饋信號(hào)、轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)、液壓元件故障檢測(cè)信號(hào)等。正常自動(dòng)控制情況下，電調(diào)只需將開度指令信號(hào)通過模擬量傳給電液隨動(dòng)裝置，裝置根據(jù)指令自動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉到預(yù)定位置，調(diào)節(jié)精度主要靠伺服閥、主配壓閥、主接力器位置三個(gè)反饋信號(hào)來保證。手動(dòng)工況下，裝置保持當(dāng)前導(dǎo)葉開度不變，可接受人為增減指令開入，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉到給定位置。此時(shí)若機(jī)組出現(xiàn)事故（如超速），裝置自動(dòng)閉鎖外部指令，自動(dòng)關(guān)閉導(dǎo)葉到空載開度，以避免機(jī)組事故。另外，智能裝置實(shí)時(shí)監(jiān)視伺服閥、主配壓閥等液壓元件、各反饋?zhàn)兯推鞯臓顟B(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某元件故障時(shí)，裝置自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)給電調(diào)，電調(diào)會(huì)根據(jù)故障信號(hào)隨時(shí)調(diào)整控制策略，進(jìn)行切換、停機(jī)等處理。以微控制器為核心組成電液隨動(dòng)裝置，可極大減輕電調(diào)控制柜的一部分負(fù)擔(dān)，是調(diào)速器機(jī)械部分逐步向智能化、電子化發(fā)展的一個(gè)方向。

圖3 智能電液隨動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

4.3 反饋系統(tǒng)三選二冗余設(shè)計(jì)方案

大部分電廠調(diào)速器出現(xiàn)的事故主要與各類反饋信號(hào)異常有關(guān)，轉(zhuǎn)速、功率、導(dǎo)葉開度信號(hào)的故障都可能造成調(diào)速器的異常動(dòng)作或不動(dòng)作，造成機(jī)組事故擴(kuò)大。因此在智能調(diào)速器的重要反饋信號(hào)采集方面一定要采用非?？煽康脑O(shè)計(jì)方案。

多單元并聯(lián)冗余系統(tǒng)的最簡(jiǎn)單常用的決策邏輯就是“多數(shù)表決”，即通過“多數(shù)表決”方式判斷系統(tǒng)中是否有單元發(fā)生故障，并定位故障單元,然后采取相應(yīng)的措施。三選二表決冗余系統(tǒng)即在信號(hào)采集方面，選用3個(gè)傳感器測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過表決，最后輸出一路采樣信號(hào)。我們知道，采用雙變送器組成的冗余設(shè)計(jì)，若兩個(gè)采樣數(shù)據(jù)不一致，又都在量程范圍內(nèi)，很難判斷哪一個(gè)正確，采用三選二表決機(jī)制很容易克服上述問題，目前該方法已在多數(shù)較重要的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合中使用[5]。因此我們建議在智能調(diào)速器的機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度、機(jī)組功率信號(hào)采集方面，采用三選二冗余變送器配置，可極大提高其可靠性。軟件流程如圖4所示。

圖4 三選二冗余數(shù)據(jù)處理示意圖

功率、頻率、開度信號(hào)分別通過三路變送器信號(hào)進(jìn)入控制器通道，程序上先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、濾波處理，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)差值比較，選擇差值最小的兩組數(shù)據(jù)作為合理數(shù)據(jù)，再進(jìn)行平均，得到最終的反饋信號(hào)數(shù)據(jù)。

從圖4可以看出。若有任一路反饋傳感器故障，三選二冗余模式均會(huì)自動(dòng)剔除故障數(shù)據(jù)；裝置會(huì)自動(dòng)選擇正常的兩路傳感器數(shù)據(jù)輸出。可見，采用該冗余模式后，裝置的可靠性大大提高。 同時(shí)若一路反饋傳感器故障，裝置會(huì)有相關(guān)報(bào)警輸出（傳感器故障或3路采樣不平衡），可輸出到監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警。

4.4 數(shù)字化變送器采集技術(shù)

智能變送器及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)在電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方面得到了廣泛應(yīng)用，在設(shè)計(jì)智能調(diào)速器的數(shù)據(jù)采集方面我們希望能采用成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來組建調(diào)速器現(xiàn)地級(jí)數(shù)據(jù)總線。由于調(diào)速器需要采集的數(shù)據(jù)種類并不多，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的要求也不盡相同，如功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性以及采樣率要求很高，而油壓、水位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較低且采樣率要求不高，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)現(xiàn)地級(jí)數(shù)據(jù)總線時(shí)，采用兩種形式，一種是高速CAN總線網(wǎng)絡(luò)，主要連接智能功率變送器、導(dǎo)葉位移變送器；另一種為MODBUS RS485總線網(wǎng)絡(luò)，主要連接油壓、水位等智能變送器；對(duì)于轉(zhuǎn)速（頻率）數(shù)據(jù)采集，我們還是建議采用接近開關(guān)（互感器）等方波脈沖（正玄）信號(hào)輸入，主要是調(diào)速器對(duì)頻率信號(hào)的精度及實(shí)時(shí)性要求極高，普通現(xiàn)場(chǎng)總線還不能滿足其要求。

我們要求功率、開度、水位等智能變送器除了具備相應(yīng)數(shù)字總線接口外，還應(yīng)具有常規(guī)模擬信號(hào)（4～20m A）輸出，便于調(diào)速器常規(guī)模擬量采集。兩種信號(hào)可以根據(jù)需要互為主備用和冗余切換。

4.5 仿真與測(cè)試接口設(shè)計(jì)

當(dāng)前，水輪機(jī)調(diào)速器的一次調(diào)頻及參數(shù)辨識(shí)試驗(yàn)已經(jīng)成為水電站必須進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目，這就要求智能微機(jī)調(diào)速器必須充分滿足當(dāng)前測(cè)試裝置的接口要求。從一次調(diào)頻要求來看，調(diào)速器必須具有高精度試驗(yàn)頻率信號(hào)輸入、頻率信號(hào)輸出接口，功率、開度反饋模擬信號(hào)輸出，一次調(diào)頻狀態(tài)信號(hào)開入/出等。從參數(shù)測(cè)試要求來看，調(diào)速器除了一次調(diào)頻必須的信號(hào)接口外，還需要有階躍信號(hào)輸入接口（時(shí)域法用），白噪聲模擬輸入（頻域法用）、PID等各中間變量模擬輸出、各給定信號(hào)模出、伺服閥、主配反饋信號(hào)模出等，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)智能調(diào)速器時(shí)，除了常規(guī)信號(hào)接口外，必須充分考慮上述試驗(yàn)信號(hào)的輸入輸出，硬件上必須最大化設(shè)計(jì)，軟件上必須具備相應(yīng)的接口和功能模塊，以充分滿足當(dāng)前兩種試驗(yàn)的要求。

關(guān)于仿真方面的接口，目前我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的仿真模式。即在xPC目標(biāo)環(huán)境下，PC機(jī)作為宿主機(jī)，安裝MATLAB、Simulink軟件，用Simulink模塊來創(chuàng)建模型并進(jìn)行水輪機(jī)組及電力系統(tǒng)的仿真，智能微機(jī)調(diào)速器作為目標(biāo)機(jī)，將采集到的導(dǎo)葉開度信息通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳遞給宿主機(jī)，宿主機(jī)將仿真結(jié)果（機(jī)組轉(zhuǎn)速、功率、水頭等）通過以太網(wǎng)接口傳輸給智能調(diào)速器，調(diào)速器則根據(jù)這些信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制[6]。這種模式，仿真模型升級(jí)、設(shè)置非常方便，要求調(diào)速器必須有專門的以太網(wǎng)接口和軟件模塊滿足仿真裝置的要求。

5 結(jié)論

當(dāng)前，我國(guó)對(duì)可再生能源的水電保持了重點(diǎn)發(fā)展的政策。智能化、數(shù)字化是將來水電站自動(dòng)化發(fā)展的方向，調(diào)速器作為其中重要的組成部分，必須充分滿足和適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的需要，本文從智能微機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)思路出發(fā)，提出了新形式下調(diào)速器在網(wǎng)絡(luò)通訊、硬件結(jié)構(gòu)、可靠性，接口等方面的設(shè)計(jì)要求，并提出了一些觀點(diǎn)，希望能為今后水電站調(diào)速器的設(shè)計(jì)提供一定參考。另外要真正實(shí)現(xiàn)水電站的智能化還有很多技術(shù)問題要解決，任重而道遠(yuǎn)，我們希望這些想法能在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)。

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