1、 PLC 控制器在现代水力发电站调速器上的应用作者：周建波 bojianzhou 蒲炜 weipu关键词：PLC 调速器 水力发电站 发电机频率 摘要：在现代水力发电站中，发电机频率是一个重要的参数。本文以 PLC 为核心控制器件，阐述发电机频率测量 发电机运行稳定性的实现。APPLICATION OF PLC CONTROLEER IN THE GOVERNOR OF MORDERN HYDROELECTRIC STATIONKEY WORDS：PLC GOVERNOR HYDROELECTRIC STATION FREQUENCY OF GENERATORABSTRACT：IN MORDE
2、RN HYDROELECTRIC STATION，FREQUENCY OF GENERATOR IS VERY IMPORTANT PARAMETER 。PLC AS NUCLEAR CONTROLLER IN THIS PAPER ，STATEMENT MEASUREMENT OF FREQUENCY OF GENERATOR ，REALIZATION OF GENERATOR RUNNING STABILITY前言：在水轮机微机电液调速出现以前，调速器的主要作用是根据发电机频率（转速）偏差，调节水轮机导叶开度，使发电机频率维持在 50（正 负 0.2）HZ 。自 19 世后期，水轮机上采用
3、了水力驱动的离心调速器，随后瑞士又采用了油压式离心调速器控制水轮发电机组。本世纪中期以来，随着自动调节技术和电子技术的飞跃发展，水轮机调节技术也在不断地改进和更新。1944 年世界上第一台电气调速器首先在瑞士问世。近年来在国家政策的开放下，各地奋发图强大兴水利，调速器的研究与制造业得到了前所未有的发展。作者根具从事水电行业 6 年的经验写下本文。本文主要基于日本三菱公司 FX2N 系列 PLC 为核心控制器件在中小型水电站调速器上的实际应用情况。第一节 调速器的主要功能水轮发电机组把水能变为电能供工业. 农业. 商业以及人民生活等使用。用户在用电过程中除要求供电安全可靠外，对电网电能的质量也有
4、十分严格的要求。电力系统负荷的变化，导致了系统频率的波动。因此，不断地调节水轮发电机组的输出功率，维持频率在额定频率的规定范围内波动，就是调速度器的主要功能。水轮发电机组转动部分的运动方程是： J dw/dt = Mt Mg （1 - 1）式中： J 为机组转动部分的惯性力矩（kg.mm）w = pai n /30 机组转动的角速度（rad / s）n 机组转动速度（r / min）Mt 水轮机转矩 （N M）Mg 发电机负载力矩（N M）式 1-1 表明，机组转速（频率）保持恒值的条件是 dw /dt = 0. 即要求 Mt = Mg. 否则就会导致机组转速（频率）高于或者低于额定值，从而出
5、现转速（频率）偏差。水轮机转矩:Mt = RQHY / W式中：R 为水的密度（KG / MMM）Q 为通过水轮机的流量（ MMM / S）H 为水轮机净水头（ M）Y 为水轮机效率所以，在一定的机组工况下，只有调节流量 Q 和效率 Y 才能调节水轮机转矩 Mt,达到 Mt =Mg 的目的。第二节 PLC 微机调速器系统框图系统原理框图 第三节 调速器主要功能1 调节规律调速器采用比例、积分、微分调节规律，以保证系统频率所规定的运行和性能；具有空载频率调节、负载频率调节、负载开度调节三种不同的控制参数适应调速器的控制要求。2 开机具有自动和手动开机(包括机手动、电手动 )功能，并可实现现地和远
6、方操作；机组启动前，须预先设定机组的空载开度。控制器接收到开机指令后，将控制导叶按负指数规律开启至空载开度位置，然后按小斜率线性关系逐点开启导叶并监视机组实际转速，当机组转速达到 99%额定转速时，开机控制结束，控制器自动转入空载调节程序。断路器合闸前，机组自动跟踪系统频率，使机组频率迅速达机 频 测 量网 频 测 量频 率 给 定跟 网 指 令 +-人 工 失 灵 区 比 例微 分 D积 分bp-+电 气开 限 电 磁 换向 阀-A/D位 移 传 感 器开 度 模 式功 率 给 定起 始 负 荷空 载 开 度 +机 频网 频 +DL 机 手 动PLC控 制 器RS485通 讯 口上 微 通
7、讯 线 圈手 柄 双 单 向 节 流 阀 接 力 器人 机 界 面 电 动 液 控单 向 阀到同期要求，实现快速并网。3 机组运行方式：具有机手动、电动(包括电手动和电自动方式 )两种方式。电动 (电手动和电自动)切换到机手动，或者机手动切换到电动 (电手动和电自动 )，均是无扰切换。调速器故障未复归时不能切回自动运行。4 调节控制方式调速器具有两种调节控制方式：频率调节、开度调节。 频率调节采用 PID(比例-积分 -微分)调节规律，改善机组的空载频率调节特性或机组负载小电网运行状态时电网频率调节特性；开度调节采用 PI(比例-积分)调节规律，并具有人工转速死区，用来改善机组负载手自动切换跟
8、踪框图THZ50频率给定或网频 实际开机频率引导开机曲线 导叶开度切 换 条 件自动手动跟踪驱动器位移转换主配接力器机组电气反馈放大运行时的接力器的运行特性,有效防止机组负载运行时接力器频繁调节；5 频率跟踪功能：机组空载运行时，机组频率可以选择跟踪网频或频率给定，此时不具备频率人工死区。机组负载运行时，机组跟踪频率给定，此时如果运行在频率调节方式，不具备频率人工死区；如果运行在开度调节或功率调节方式，具备人工频率死区。PLC 输入与输出信号原理框图 DC24V-+(ZDA)ZDA 远 控近 控SS(ZGA)ZGAJJ(Q)JT(DL) 发 电GZ故 障步 驱全 关全 开DCF-a远 控近 控
9、油 开 关远 控近 控远 控近 控2ZJ12ZJ 1ZJ2ZJGKA 远 控近 控TJ 远 控近 控调 相调 相TXbGLB+-X156X134X12X57第四节 PLC 对发电机频率的测量频率的测量有两种方法可以实现。一种是测量周期法，一种是测量频率法。测频法是指：通过测量单位时间内被测信号的频率数来测量频率。显然，对于额定频率为 50HZ 的发电机来说，用这种方法是不合适的，它只适合于测量处于高频段的频率。被测机组的频率 f 和周期 T 的关系为： f =1/ T. （2 - 2）如果通过一定的方法，能够准确而迅速地测量出被测信号的周期 T，那么，就可以根据式2-2 求出频率。通过测量周期
10、 T 进而求出频率的方法称为测周法。显然，测周法适合测量低频段的频率信号。测周法原理如下：图中被测频率信号为 f1,经过放大整形和分频后得到 f3 方波信号。 N 为高频时钟信号，它提供一个稳定的振荡信号。N 和 f3 信号经过与门后得到 f4 信号。对 f4 信号用脉冲信号的半波脉冲串计数，并记其值为 Nt，则 Nt 在数值上正比于被测信号的周期 T，通过下式可以计算到 PLC 微机内的测频值 F：F = C / Nt (3 3)列如，取 N = 2 x 10 六次方 HZ，则在被测量频率为 50HZ 时，其 T = 0.02S,Nt =40000;若取常数 C = 2 x 10 九次方，则
11、由 3-3 得出测量结果为 F = 50000；若被测信号频率为 48HZ，则求得 F = 48000。下图是频率测量的硬件原理图：三菱 FX2N PLC XO X1 X2 X3 输入口为高速计数口。采样最高频率为 60KHZ。通过 C235 ，C236 环形计数器记录输入信号的个数。一路为发电机频率 一路为电网频率。在把测量的数据传送到 D15 和 D35 数据寄存器内。具体程序如下：第五节 PLC 模拟量输入模块水轮机导叶实际的开度位置，需要采样到微机显示和作为空载 停机的判据。采用 2AD 模块。支持 4-20mA 电流信号和 -10V +10V 的电压信号输入。第五节 PLC 与上微机
12、通讯程序第六节 PID 调节程序编程的公式：YPID(k) = YPI (k 1) + dYp(k) + dYI (k) + dYC / dPC(k) + YD(k) -(4-4)式中：YPI (k 1) 前一周期的比列 积分以及开环增/减分量之和，即 PID 调节的比列 积分作用及开环增/减分量；在开度调节或者功率调节模式下 YPID(k) = YPI (k)。第七节 开关量输出信号PLC 经过 PID 控制运算后，得到一电气信号用于驱动电磁阀或者步进电机作为执行机构。当步进电机用于控制时，在驱动器上可做下列设定：步进电机驱动电流，加速/减速时间，细分步。我们实际选用的是日本 RORZE 五
13、相电机和北京四通机电公司的两相电机。现以RORZE 驱动说明：由“SPEED”和 “VR GND”送入直流电压信号控制步进电机的旋转速度。改变此电压值，可以使步进电机的转速在设定的低速和高速范围内变化。当发电机空载的时候由于液压系统的惯性和发电机组惯性。当频率差变得比较大（高于额定 50HZ较多）的时候需要快速关闭进水装置即导叶。特别是在带满负荷运行突然甩负荷的情况下，避免发电机过速（过速按额定转速的百分之 140 整定）需要快速关闭导叶。然后维持发电机的空载运行。由“CCW/CW“（顺时针/逆时针）送入的开关量信号控制步进电机的旋转方向。即将 PLC Y 口输出的控制信号接到 CCW/CW
14、端子，PLC Y 口的 COM 接到 CCW/CW 的 GND。结语调速器在水力发电站中占据着不可替代的作用，担负着机组的稳定运行 电网的一次 二次调频率作用。是发电机能够稳定安全运行的先决条件。上文所论述的这套系统在国内 国外中小水电站中成功投运 1000 余台套。获得用户的一致好评，产生了巨大的社会经济效益。典型项目是亚洲第一高水头 1074 米的广西天湖电站调。云南玉溪洋发成电站 2 x 6 MW 亚洲水头最高的（874 米）单喷嘴卧式机组。作者简介：周建波 男 （1982-） 工程硕士 指导教师：电机系系主任 廖勇 教授供职于重庆水轮机厂有限责任公司控制分公司，主要从事发电机励磁 调速器 微机监控保护方面工作， 工作以来独立调试投运的电站 70 余座，包括云南洋发城电站。独立设计水轮机导叶剪断销信号装置， 独立设计总公司发电机定子线圈加热控制器，独立负责贵州东方红电站的电气二次部分设计和现场施工，包括电缆的测量和安装的工艺。和重庆新世纪电气公司合作完成电站发电机微机监控部分（选用 7350 系列主保护和 7340 后备保护装置，负责上微机的组态和与下微机 励磁 调速 仪表的通讯）蒲炜 女 （1983-） 工程硕士
