随着水轮发电机组种类的增多和容量的增大以及电站自动化水平的提高,对调速器的功能及可靠性、稳定性及调节准确性和响应的快速性提出了更高的要求.因此,我们研制开发了以8098(80C198)单片微机为核心的新型微机调速器.采用结构独立的完全双通道技术,硬、软件均采用模块化结构,且设置必要的监视监控接口和界面,以方便运行监视、操作与维护.以提高调速器的广泛适用性和长期运行的可靠性.
1 微机调速器的典型结构模式
自1984年国内第一台微机调速器研制成功以来,微机调速器以其高性能优势得到了广泛的应用.但由于早期在模式选择、设计原理、工艺控制等方面的原因,也存在着抗干扰能力差、可靠性不高等问题.近十年来,国内不少科研制造单位除优选器件、改进工艺外,研究选择了以下几种典型的结构模式:
1.1 单微机模式
其系统结构如图1.
设R1为信号的可靠度,R2为测量的可靠度,R3为CPU的可靠度,R4为D/A的可靠度,R5综放的可靠度,R6为反馈的可靠度.当反馈故障时,将导致整个系统失效,故可将反馈看成是一个串联环节.整个系统的可靠度为:
1.2 双微机模式
其系统结构如图2.
设各个环节的可靠度不变,则整个系统的可靠度为:
因故其可靠度高于单微机系统.
1.3 双通道模式
在双微机系统的基础上,增加一套综合放大环节,即构成所谓的双通道模式.其系统结构模式框图见图3.
该系统与双微机系统相比,仅仅增加了综合放大的冗余,系统的可靠性没有明显的提高.
1.4 可编程控制器模式
采用可编程控制器设计调速器时,由于测频分辨率不能满足要求,往往附加一个小单片机系统构成测频环节.其系统结构模式见图4.
设R7为PLC的可靠度,则整个系统的可靠度为
不考虑制造工艺等方面的因素,从结构方案分析,其可靠性比单微机系统略低(R7=1时,与单微机系统相当).由于采用可编程控制器,不仅制造工作量大大减少,而且可靠性也得到保证.此外,在该模式中的单片机系统(CPU)仅完成测频任务,系统规模很小,设计、制造又容易,提高了该环节的可靠性,从而保证了整个系统有较高的可靠性.
2 完全双通道混合工作模式
实际运行中,相当一部分故障出在外围回路,如电源消失、测频信号消失、反馈断线等.为防止出现上述现象时造成机组过速或负荷的大幅度波动,在调速器有关新标准中,对频率消失、反馈断线时的接力器波动给出了相关规定.因此,在设计调速器时,除对上述要求进行特殊的硬、软考虑外,对供电电源、测量信号、反馈信号等采用冗余设计是非常必要的.此外,还应尽量减少冗余系统间机械、电气、结构上的交联,以使对故障系统的检修、维护等工作不影响正常系统的运行.故我们在研制新型调速器时采用了结构上相互独立的完全双通道技术,其系统框图见图5.
设每个通道的可靠度为R(R=R1R2R3R4R5R6),则整个系统的可靠度为
设计时采用模块化结构,每个通道由调节单元、导叶单元、浆叶单元、电源单元等模块组成,原理框图见图6.其从测频、反馈、综合放大、电源、控制输出等完全独立.单个通道可组成完整控制系统.通道间利用8098(80C198)的串行口相互通讯,关键数据相互传送,并始终保持两个通道状态一致,故障时自动切换.同时通道间采用容错式双机混合工作模式,其工作模式见图7.
图7中:A1、A2为测频单元;B1、B2为中央处理单元;C1、C2为输出单元;D1、D2为综合放大单元;E1、E2为通讯单元.
由于每个通道均设置有手动和自动调频调功功能,故有如下运行方式:
A1B1C1D1 (自动); A2B2C2D2 (自动); A1B1C1D1 (手动); A2B2C2D2 (手动);A1B1E1E2C2D2(自动);A2B2E2E1C1D1(自动)等六种运行方式,可靠性大大高于单通道调速器和采用并联运行方式的双通道调速器.
由于采用了完全双通道结构,两个通道间无公共电路和共享环节,最大限度地简化了切换逻辑.两个通道独立同步地工作,仅对输出到电液转换器的控制信号相互闭锁.当某个通道故障时,解除对另一个通道的闭锁,快速完成切换.
3 控制调节方式设置
水轮发电机组除担任调频、调峰外,大量的时间或大部分机组主要运行在带基荷状态.此时,要求发电机组的负荷稳定.即系统频率在一定范围内变化时,水轮机的导叶开度或负荷不变.此外,随着计算机监控系统的应用,当采用自动发电控制(AGC)及最优负荷控制功能时,要求发电机组能按给定负荷运行.因此,微机调速器应充分发挥其逻辑运算功能,设置多种控制调节模式,如频率调节、功率调节、开度调节、水位调节等,以适应不同水电站不同运行方式要求.为防止在频率测量信号断线时调速器失控,必须设置电气手动功能,以保证在频率断线时维持导叶开度不变,并能进行正常负荷调整.
4 状态监视与控制
现代调速器除应具有良好的动态品质外,还必须具备友好的人机界面及与计算机监控系统接口的能力,应配置在线监控软件,提供系统诊断程序,配
置必要的接口及信息显示界面.本装置所有参量均采用数字显示,可同时显示机组频率、给定频率、功率给定、开度限制(用户自选)、导叶输出、导叶开度、浆叶输出、浆叶角度.并带有12个汉字光字指示,运行维护直观方便,配置试验接口与两路串行接口.试验接口将机内关键量为0～10V的标准量送出,供试验录波和数据采集装置使用.串行接口一路用于通道间通讯;一路用于与上位机(计算机监控系统)通讯,也可连接调速器专用监控器,进行计算机辅助试验和计算机仿真试验或形成独立的监控系统,进行运行集中监视、开停机控制、负荷调整、事故与故障查找、事件追忆、逻辑控制图和流程图及状态量显示等.
上述特点设计的新型调速器已有数台在某大型电厂安全稳定运行多年.实践表明,其具有结构简单、组态灵活、运行显示直观、维护方便、抗干扰能力强、可靠性高等优点.采用完全双通道冗余技术,合理选择配置调节模式和控制功能,提高系统的自诊断能力和监控功能,是一种行之有效的方法,也是今后发展的方向.
参 考 文 献
1 高光华.隔河岩水电站微机调速器.水电厂自动化,1994(2).
2 曾继伦.SJ-700系列微机型水轮机调速器的设计与运行.水电厂自动化,1990(1).
作者：程远楚 蔡维由(武汉水利电力大学,武汉,430072)
