智能電網(wǎng)以及數(shù)字化水電站是我國電力工業(yè)將來的發(fā)展方向，它的建設(shè)將集國內(nèi)外的先進技術(shù)之大成，引領(lǐng)世界水電廠智能化的標準建設(shè)和發(fā)展方向。而水輪機調(diào)速器作為機組核心控制設(shè)備，對調(diào)節(jié)電廠機組負荷、穩(wěn)定頻率，保證電網(wǎng)的供電品質(zhì)和質(zhì)量極其重要。

然而目前國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)和正在設(shè)計的調(diào)速器產(chǎn)品，大都沒有意識到當前電網(wǎng)智能化環(huán)境的特殊要求，如在TCP/IP網(wǎng)絡接口、GPS對時、現(xiàn)場總線、仿真與測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)濟運行為目標，融合仿真、控制和信息三位一體技術(shù)實現(xiàn)水電站的運行控制和管理，這就要求相應的調(diào)速系統(tǒng)具有高速可靠的通信網(wǎng)絡，通過配置先進的傳感和測量技術(shù)、冗余可靠的設(shè)計、高級的控制策略以及方便靈活的仿真測試接口，實現(xiàn)發(fā)電廠機組的可靠、安全、經(jīng)濟運行。

1、總體方案

統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺是智能電網(wǎng)的一個基本特征。參見圖1，水電站現(xiàn)地級包括監(jiān)控、調(diào)速器、勵磁、輔機系統(tǒng)等不同設(shè)備。在試圖建立統(tǒng)一平臺的過程中，我們參照智能化變電站的建設(shè)方案，將現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集和測量按類似于“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：站控層網(wǎng)（MMS網(wǎng)）、過程層網(wǎng)（MODBUS TCP/IP網(wǎng)）組成。全站網(wǎng)絡采用高速光纖以太網(wǎng)組成。

站控層由監(jiān)控系統(tǒng)后臺主機（操作員站）和智能設(shè)備接口機等構(gòu)成， 智能設(shè)備接口機可將調(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)，實現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設(shè)備以及其它設(shè)備功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并能與遠方調(diào)度中心通信，通信標準符合 DL/T860（IEC61850）。

間隔層由可若干個子系統(tǒng)組成，如繼電保護、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控LCU單元等二次設(shè)備，實現(xiàn)使用一個間隔的數(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)備或其它設(shè)備相關(guān)的功能，包括實時運行電氣量（頻率、功率）、開關(guān)量（液壓系統(tǒng)狀態(tài)、報警等）和非電氣量（行程、油壓、油位等）的采集、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等。

在站控層網(wǎng)絡，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，但將來最終會以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，轉(zhuǎn)速和頻率信號通過齒盤接近開關(guān)及電磁互感器以脈沖信號接入，功率信號通過電子式互感器，開度、油壓、油位等信號通過變送器以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。

在國外，Modbus TCP被國際半導體業(yè)SEMI定為網(wǎng)絡標準，世界上93%的網(wǎng)絡都使用TCP/IP，只要在應用層使用Modbus TCP，就可實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，用戶可免費獲得協(xié)議及樣板程序，應用非常方便。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試接口，仿真數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡來高速傳輸，同時裝置還留有常規(guī)模擬量、脈沖量輸入/出接口，可滿足一次調(diào)頻、參數(shù)測試試驗的要求。

圖1 智能水輪機調(diào)速器總體設(shè)計框圖

2、GPS對時

調(diào)速器的對時非常關(guān)鍵，內(nèi)部及外部產(chǎn)生的重要信號變化都需要記錄較精確的時鐘信息，特別是當系統(tǒng)發(fā)生故障時，只有在統(tǒng)一精確的時鐘系統(tǒng)的控制下才能準確地記錄下事件動作的先后時間，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)對時，系統(tǒng)對時的時間來源是GPS。

現(xiàn)行的GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)支持硬對時（脈沖節(jié)點PPS、PPM、PPH）、軟對時（串口報文）、編碼對時（IRIG-B、DCF77）和網(wǎng)絡NTP對時，可滿足國內(nèi)外不同設(shè)備的對時接口要求。IRIG-B碼實際上也可以看作是一種綜合對時方案，因為在其報文中包含了秒、分、小時、日期等時間信息，同時每一幀報文的第一個跳變又對應于整秒，相當于秒脈沖同步信號。這種對時比較精確。推薦在智能調(diào)速器上采用。

具體對時方案參見圖1，首先在電站中控室安裝一面GPS時間同步系統(tǒng)屏，配置一臺標準同步鐘本體，完成GPS衛(wèi)星信號的接收、處理，及向調(diào)速、勵磁、監(jiān)控等裝置提供標準同步時間信號（RS422電平方式IRIG-B）。

調(diào)速器采用了硬件RS422通訊接口，具有接收IRIG-B（DC）時碼時間信息功能。通過RVVP兩芯的屏蔽通訊電纜，接入GPS同步時鐘裝置的B碼輸出標號段。當調(diào)速器內(nèi)部時鐘接收到外部時間基準信號時，被外部時間基準信號同步，當接收不到外部時間基準信號時，保持一定的走時準確度，直到外部時間基準信號恢復時自動切換到正常工作狀態(tài)。

3、智能水輪機調(diào)速器的設(shè)計思路

智能化水電站中的調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)上應滿足“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)在功能實現(xiàn)上是統(tǒng)一的整體，需要傳感變送元件、液壓隨動系統(tǒng)、各模塊之間的配合協(xié)調(diào)，發(fā)揮其整體性能。智能化調(diào)速系統(tǒng)應具有如下特征：

3.1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、測頻等硬件模塊應按雙重化原則配置，每套系統(tǒng)裝置功能獨立完備、安全可靠，雙重化配置的多個過程層網(wǎng)絡應遵循完全獨立的原則。同時系統(tǒng)應配置一套功能簡單的智能切換單元，通過CAN總線或常規(guī)I/O接口接受兩套控制器的信息。

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 智能水輪機調(diào)速器硬件冗余配置圖

通常情況下，兩個調(diào)節(jié)器之間通過CAN接口進行通信，確保兩個調(diào)節(jié)器之間的信息冗余和相互切換時穩(wěn)定工作。每個調(diào)節(jié)器具有獨立的供電電源和獨立的反饋采樣通道，一套系統(tǒng)處于主控模式，一套處于熱備用模式，當其中一套發(fā)生故障或退出控制轉(zhuǎn)入調(diào)試時，通過智能切換單元使另一套自動投入。智能切換單元實時監(jiān)測兩套控制器的工作狀態(tài)（通過心跳脈沖檢測），以及其他的狀態(tài)和故障信息。實時選擇正常的一套做主機輸出。

3.2 智能電液隨動系統(tǒng)

早期調(diào)速器大多采用帶機械反饋的機械式隨動操作機構(gòu)，由于安裝復雜，控制精度差，已逐漸被淘汰?，F(xiàn)在使用的電液操作機構(gòu)，大都是通過主配壓閥自動回復中位來保證主接力器穩(wěn)定在某個位置。這種方式缺點是：沒有引入主接力器反饋，手動操作是開環(huán)控制，會產(chǎn)生位置漂移，危害機組安全。

而智能調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)的控制要求，不僅在自動工況下要可靠、精度高、速動性好，手動控制時也要穩(wěn)定、具有一定的調(diào)節(jié)精度，最關(guān)鍵的是電液隨動系統(tǒng)還要有一定的智能性，即能實時監(jiān)測隨動系統(tǒng)液壓元件、傳感元件的狀態(tài)，同時還具有保護機組的功能。

參見圖3，我們的方案是在機械隨動裝置上增設(shè)一套控制單元，采用微控制器、電子傳感元件等組成獨立的智能閉環(huán)隨動系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入伺服閥、主配、接力器位置反饋信號、轉(zhuǎn)速測量信號、液壓元件故障檢測信號等。

正常自動控制情況下，電調(diào)只需將開度指令信號通過模擬量傳給電液隨動裝置，裝置根據(jù)指令自動調(diào)節(jié)導葉到預定位置，調(diào)節(jié)精度主要靠伺服閥、主配壓閥、主接力器位置三個反饋信號來保證。

手動工況下，裝置保持當前導葉開度不變，可接受人為增減指令開入，調(diào)節(jié)導葉到給定位置。此時若機組出現(xiàn)事故（如超速），裝置自動閉鎖外部指令，自動關(guān)閉導葉到空載開度，以避免機組事故。

另外， 智能裝置實時監(jiān)視伺服閥、主配壓閥等液壓元件、各反饋變送器的狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)某元件故障時，裝置自動發(fā)出報警信號給電調(diào)，電調(diào)會根據(jù)故障信號隨時調(diào)整控制策略，進行切換、停機等處理。

圖3 智能電液隨動控制系統(tǒng)原理圖

可見， 以微控制器為核心組成電液隨動裝置，可極大減輕電調(diào)控制柜的一部分負擔，是調(diào)速器機械部分逐步向智能化、電子化發(fā)展的一個方向。

3.3 反饋系統(tǒng)三選二冗余設(shè)計方案

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

多單元并聯(lián)冗余系統(tǒng)的最簡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,然后采取相應的措施。三選二表決冗余系統(tǒng)即在信號采集方面，選用3個傳感器測量同一個信號，經(jīng)過表決，最后輸出一路采樣信號。

我們知道，采用雙變送器組成的冗余設(shè)計，若兩個采樣數(shù)據(jù)不一致，又都在量程范圍內(nèi)，很難判斷哪一個正確，采用三選二表決機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)采集場合中使用。因此我們建議在智能調(diào)速器的機組轉(zhuǎn)速、導葉開度、機組功率信號采集方面，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。

功率、頻率、開度信號分別通過三路變送器信號進入控制器通道，程序上先進行數(shù)據(jù)采集、濾波處理，然后進行數(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)，再進行平均，得到最終的反饋信號數(shù)據(jù)。

圖4 三選二冗余數(shù)據(jù)處理示意圖

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自動剔除故障數(shù)據(jù)；裝置會自動選擇正常的兩路傳感器數(shù)據(jù)輸出?？梢?，采用該冗余模式后，裝置的可靠性大大提高。 同時若一路反饋傳感器故障，裝置會有相關(guān)報警輸出（傳感器故障或3路采樣不平衡），可輸出到監(jiān)控系統(tǒng)報警。

3.4 數(shù)字化變送器采集技術(shù)

智能變送器及現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)在電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方面得到了廣泛應用，在設(shè)計智能調(diào)速器的數(shù)據(jù)采集方面我們希望能采用成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)來組建調(diào)速器現(xiàn)地級數(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，同時對數(shù)據(jù)的要求也不盡相同，如功率、轉(zhuǎn)速、導葉位移數(shù)據(jù)的實時性以及采樣率要求很高，而油壓、水位數(shù)據(jù)實時性要求較低且采樣率要求不高，因此我們在設(shè)計現(xiàn)地級數(shù)據(jù)總線時，采用兩種形式，一種是高速CAN總線網(wǎng)絡，主要連接智能功率變送器、導葉位移變送器；另一種為MODBUS RS485總線網(wǎng)絡，主要連接油壓、水位等智能變送器；對于轉(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）信號輸入，主要是調(diào)速器對頻率信號的精度及實時性要求極高，普通現(xiàn)場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數(shù)字總線接口外，還應具有常規(guī)模擬信號（4-20mA）輸出，便于調(diào)速器常規(guī)模擬量采集。兩種信號可以根據(jù)需要互為主備用和冗余切換。

3.5 仿真與測試接口設(shè)計

當前，水輪機調(diào)速器的一次調(diào)頻及參數(shù)辨識試驗已經(jīng)成為水電站必須進行的試驗項目，這就要求智能微機調(diào)速器必須充分滿足當前測試裝置的接口要求。從一次調(diào)頻要求來看，調(diào)速器必須具有高精度試驗頻率信號輸入、頻率信號輸出接口，功率、開度反饋模擬信號輸出，一次調(diào)頻狀態(tài)信號開入/出等。

從參數(shù)測試要求來看，調(diào)速器除了一次調(diào)頻必須的信號接口外，還需要有階躍信號輸入接口（時域法用），白噪聲模擬輸入（頻域法用）、PID等各中間變量模擬輸出、各給定信號模出、伺服閥、主配反饋信號模出等，因此我們在設(shè)計智能調(diào)速器時，除了常規(guī)信號接口外，必須充分考慮上述試驗信號的輸入輸出，硬件上必須最大化設(shè)計，軟件上必須具備相應的接口和功能模塊，以充分滿足當前兩種試驗的要求。

關(guān)于仿真方面的接口，目前我們設(shè)計了一種基于宿主機和目標機的仿真模式。即在xPC目標環(huán)境下，PC機作為宿主機，安裝MATLAB、Simulink軟件，用Simulink模塊來創(chuàng)建模型并進行水輪機組及電力系統(tǒng)的仿真，智能微機調(diào)速器作為目標機，將采集到的導葉開度信息通過以太網(wǎng)實時傳遞給宿主機，宿主機將仿真結(jié)果（機組轉(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)這些信號進行閉環(huán)控制。

這種模式，仿真模型升級、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。

結(jié)語

當前，我國對可再生能源的水電保持了重點發(fā)展的政策。智能化、數(shù)字化是將來水電站自動化發(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當前技術(shù)發(fā)展的需要，本文從智能微機調(diào)速器的設(shè)計思路出發(fā)，提出了新形式下調(diào)速器在網(wǎng)絡通訊、硬件結(jié)構(gòu)、可靠性，接口等方面的設(shè)計要求，并提出了一些觀點，希望能為今后水電站調(diào)速器的設(shè)計提供一定參考。另外要真正實現(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，我們希望這些想法能在不遠的將來實現(xiàn)。

（編自《電氣技術(shù)》，作者為蔡衛(wèi)江、陳東民 等。）