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(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(fā)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(xiàn), 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(chǎn)工藝等都受到限制, 造成調速器可靠性較低。基于工控機的微機調速器, 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(jié)器的參數(shù)整定是根據(jù)調節(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)有的電液轉換元件的可靠性和技術性能與微機調節(jié)器的發(fā)展不協(xié)調, 在運行過程中存在的堵塞發(fā)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(guī)則的適應式參數(shù)自調整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速器。實際運行結果表明,該調速器有效解決了現(xiàn)有調速器存在的問題, 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(shù)據(jù)傳輸工作, 而雙口控制器主要負責網(wǎng)絡及系統(tǒng)的管理, 它們既互相獨立, 又互相關聯(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(shù)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(shù)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(tǒng)更為緊湊、可靠。結構見圖1。
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), 其結構框圖如圖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成第一級液壓放大環(huán)節(jié), 主配壓閥與主接力器構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(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。
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(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 內部計數(shù)器的計數(shù)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(shù)器外, 還特別增加軟件和硬件的容錯及故障自診斷能力。在設計時按以下原則考慮: (a) 發(fā)電機可能出現(xiàn)的轉速范圍為零到飛逸轉速; (b) 連續(xù)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(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, 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(jié)器, 形成與偏差相對應的調節(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)。目前國內外的微機調節(jié)器所采用的調節(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 的基礎上, 采用模糊推理規(guī)則逐漸地修改PID 參數(shù), 以改善調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應[4 ,5 ] 。其參數(shù)調整規(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, 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, 先調整kI ,再調整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, 設計出如下用于修改kI, kp 和kD 的Fuzzy 參數(shù)調整矩陣表。
表1 qp 調整表
式中: Cp 、CI 、CD 為比例系數(shù); qp 、qI
