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PCC雙機熱備在瀾滄江小灣水電站水輪機調(diào)速系統(tǒng)的應用

時間:2009-04-07 13:15:17來源:ronggang

導語:?本文介紹了PCC控制器在云南瀾滄江小灣水電站水輪機調(diào)速系統(tǒng)上的應用,包括總體設計、系統(tǒng)特點、現(xiàn)場應用等
摘 要:本文介紹了PCC控制器在云南瀾滄江小灣水電站水輪機調(diào)速系統(tǒng)上的應用,包括總體設計、系統(tǒng)特點、現(xiàn)場應用等。采用PCC控制器開發(fā)的微機調(diào)速器動態(tài)性能指標、穩(wěn)定性能指標均優(yōu)于國標、部標有關要求,具有功能完善、可靠性高、維護、調(diào)試方便、抗干擾性強以及性能指標高等優(yōu)點,非常適用于大型水電機組的控制。 關鍵詞:水輪機調(diào)速器 PCC控制器 雙機熱備 測頻 智能切換 現(xiàn)場試驗 國產(chǎn)化 0、 概述:   PCC(Programmable Computer Controller)也稱可編程計算機控制器。由奧地利B&R公司生產(chǎn)的PCC,集成了PLC和IPC的優(yōu)勢,既有PLC的高可靠性、易擴展性,又有IPC的分時多任務操作系統(tǒng)功能,運算能力強、實時性好、編程方便,同時PCC的CPU模塊有獨特的時間處理單元(TPU),可以在不增加主CPU負荷的前提下很好的解決水輪機調(diào)速器的頻率測量問題,所以近年來在水輪機調(diào)速器領域得到了大量應用(見文獻[1])。   小灣水電站位于云南省鳳慶縣與南澗縣交界的瀾滄江上。電站裝機容量4200MW,裝機6臺,單機容量700MW,水輪機組調(diào)速系統(tǒng)采用南瑞集團公司生產(chǎn)的SWT-2000H型雙微機調(diào)速系統(tǒng)。微機調(diào)節(jié)器部分以B&R公司的PCC2005控制器為核心,機械液壓部分以BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換單元,美國GE公司的FC20000閥為主配壓閥,電源、控制模塊、傳感器、電液轉(zhuǎn)換等均采用了雙冗余配置,且采用了第三方智能切換單元作為仲裁機構(gòu),整個系統(tǒng)的硬件配置不僅性能超群,且可靠性極高。軟件部分則采用了南瑞公司專有的變結(jié)構(gòu)變參數(shù)改進型并聯(lián)PID算法,擁有完全自主知識產(chǎn)權。 1、 調(diào)速器電氣系統(tǒng)總體設計   小灣電站調(diào)速器微機控制部分就選用了B&R公司的2005系列PCC模塊作為機組調(diào)速器的硬件主體,其中PS465作為PCC的電源模塊,IP161作為調(diào)速器的CPU模塊。該CPU模塊功能強大,具有850 KB SRAM,1.5 MB FlashPROM,2個RS232 接口,1 個CAN 接口,12個數(shù)字量輸入輸出,同時還具有TPU功能,6個模擬量輸入,6個模擬量輸出,可以方便的完成對機組頻率或電網(wǎng)頻率的測量以及調(diào)速器的調(diào)節(jié)計算和控制輸出。數(shù)字量輸入模塊DI476作為調(diào)速器開關量輸入模塊,數(shù)字量輸出模塊DO479作為調(diào)速器開關量輸出模塊,雙機之間切換由一個智能切換繼電器來保證,人機接口部分選用12英寸高亮度液晶觸摸顯示屏,作為控制系統(tǒng)的監(jiān)控顯示和操作界面。詳細系統(tǒng)配置圖見圖1所示。下面是各模塊詳細資源分配:   CPU模件資源分配:   串口1:IF1,RS232,MODBUS通訊協(xié)議,和觸摸屏通訊。   串口2:IF2,RS232,通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為485,MODBUS通訊協(xié)議,和監(jiān)控通訊。   CAN口:雙機系統(tǒng)通訊。   模擬量輸入通道:共6路,其中導葉變送器1、2占用兩路,功率變送器占用1路,水頭變送器占1路,功率給定采樣占1路,備用1路。   模擬量輸出通道:共6路,導葉控制輸出占2路,機組功率模擬輸出占1路,備用3路。   測頻通道:共4路,其中機組頻率測量占1路,齒盤測頻占2路,電網(wǎng)頻率測量占1路。   開關量輸入:共4路,引出備用4路。   開關量輸出:共4路,引出備用3路。   開關量輸入資源分配:   共16路,其中開機令、停機令、增加、減少、調(diào)相、主斷路器、GIS斷路器、中間斷路器、導葉手動、功率調(diào)節(jié)方式、一次調(diào)頻方式、綜合模塊故障、主從機狀態(tài)、一次調(diào)頻投入、一次調(diào)頻退出占15路,備用1路。   開關量輸出資源分配:   共16路,其中總故障、導葉采樣故障、手動狀態(tài)、一次調(diào)頻動作、PCC運行、PCC調(diào)試狀態(tài)、伺服閥故障、功率采樣故障、頻率采樣故障、通訊故障、切換閥控制、切手動控制占12路,備用4路。 [align=center] 圖1 機組調(diào)速器電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 2、 調(diào)速器電氣系統(tǒng)特點   由上述模塊組成的調(diào)速器電氣部分具有以下特點:   (1) 可靠的雙機冗余熱備系統(tǒng):采用冗余配置可以大大提高機組調(diào)速器的可靠性。   小灣調(diào)速系統(tǒng)中所有的PCC模塊均為冗余配置,組成的兩個調(diào)節(jié)器之間通過CAN接口進行通信,可以保證兩個調(diào)節(jié)器之間的信息冗余和相互切換時穩(wěn)定工作。兩個調(diào)節(jié)器又具有獨立的供電電源和獨立的反饋通道。通過兩套PCC的采樣模塊采集信號,兩套CPU同時各自處理采集的信號,一套處于主控模式,一套處于熱備用模式,當其中一套發(fā)生故障或需要檢修時,通過智能切換繼電器使另一套立即自動投入工作,維持系統(tǒng)工況保持不變。  ?。?) 獨特的第三方智能切換機構(gòu):如果冗余系統(tǒng)之間的無擾切換保證不了,那么勢必   使雙機冗余系統(tǒng)的可靠性大大降低,所以進行無擾可靠的切換是保證雙機冗余系統(tǒng)可靠性的關鍵因素。小灣調(diào)速器選用的切換繼電器是歐姆龍公司的ZEN可編程智能繼電器,它實時監(jiān)測兩套PCC調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài),在兩個調(diào)節(jié)器都正常的情況下,按照運行人員的指令把系統(tǒng)的控制權授予相應的調(diào)節(jié)器;在一個調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障時,控制權自動授予另一個調(diào)節(jié)器,保證雙機之間的無擾動切換。   (3) 強大的通信功能:兩套PCC利用CPU模塊上的CAN接口進行實時通信,保證   兩套調(diào)節(jié)器之間的信息冗余;兩套PCC和上位機顯示屏通過Modbus協(xié)議進行通信,PCC和監(jiān)控系統(tǒng)可以通過約定的通信協(xié)議進行通信,一般選用Modbus協(xié)議。   (4) 可靠的供電電源:采用兩個24V開關電源分別對雙套PCC進行供電,這兩個開   關電源的輸入均為220V交流和220V直流雙路輸入,并保證在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)壓輸出。兩個電源通過二極管的隔離處理對工控機顯示屏供電。這樣可以互不干擾,如果一套因電源模塊損壞而無法工作將自動切除,備用機自動投入。  ?。?) 方便可靠的頻率測量單元:普通PLC控制器沒有內(nèi)部時鐘,測頻一般采用高速計   數(shù)和外部擴展高頻時鐘的辦法,精度和可靠性不夠高。而PCC內(nèi)部具有高達6MHZ的測量時鐘,可作為測量基準,所以測頻非常方便,硬件上只需要將測量信號濾波、整形處理成PCC能接受的方波信號,輸入TPU通道,軟件上調(diào)用相應模塊即可實現(xiàn)。(見文獻[2])。  ?。?) 可植入嵌入式仿真系統(tǒng):PCC提供了一種更適合完成復雜的工業(yè)控制和監(jiān)視的自   動化編程語言Automation Basic(AB)。它與C語言類似,并充分利用PCC的特點,使編程更簡單、更靈活,小灣調(diào)速系統(tǒng)就利用AB編寫了嵌入式水輪機仿真模型,具體方法是:采集當前導葉開度信號,通過建立的水輪機仿真模型計算出相應仿真轉(zhuǎn)速輸出,并利用高速TPU通道輸出相應仿真頻率,在試驗室或現(xiàn)場機組不具備開機情況下,可聯(lián)合液壓執(zhí)行機構(gòu),通過內(nèi)置水輪機模型,完成機組開、停機、并網(wǎng)、甩負荷等試驗。 3、 PCC水輪機調(diào)速器的現(xiàn)場應用   小灣電廠第一套調(diào)速設備目前已經(jīng)安裝完畢,但設備還沒有投入運行,采用小灣相同配置的調(diào)速器電柜目前已經(jīng)在云南瀾滄江漫灣電廠投入運行5套,最長已經(jīng)超過1年,下圖2到圖5為漫灣3#機設備投產(chǎn)時的試驗錄波,從波形上看,空載頻率擾動-4HZ,超調(diào)量為0,調(diào)節(jié)時間為13秒,空載頻率擾動+4HZ,超調(diào)量為5%,調(diào)節(jié)時間為10秒??梢娤到y(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)較高,數(shù)據(jù)均優(yōu)于國標要求。從自動開機錄波圖看,機組轉(zhuǎn)速從0到50HZ時間約51秒,導葉調(diào)節(jié)平穩(wěn),轉(zhuǎn)速基本無超調(diào),穩(wěn)定性很好,便于機組快速并網(wǎng)。從甩負荷錄波圖看,不動時間約0.18秒,轉(zhuǎn)速上升后很快穩(wěn)定??梢哉f,甩負荷過程控制非常理想。 [align=center] 圖2:空載頻率擾動-4HZ頻率及導葉錄波 圖3:機組空載頻率擾動-4HZ錄波 圖4 機組開機頻率及導葉錄波 圖5 甩滿負荷頻率、導葉、水壓錄波[/align]   總之,采用PCC控制器開發(fā)的微機調(diào)速器動態(tài)性能指標、穩(wěn)定性能指標均優(yōu)于國標、部標有關要求,具有功能完善、可靠性高、維護、調(diào)試方便、抗干擾性強以及性能指標高等優(yōu)點,非常適用于大型水電機組的控制。 4、 結(jié)束語   目前,我國除了三峽、龍灘、拉西瓦、小灣、瀑布溝外,已經(jīng)投產(chǎn)和在建的600MW以上水輪發(fā)電機組越來越多,水輪機調(diào)速系統(tǒng)是其中最重要的輔控設備之一,巨型機組調(diào)速器軟硬件目前主要還是依賴國外進口,相應也會帶來有許多問題,如價格昂貴,流程設計不完全滿足中國國情,備件、售后服務難以及時保證等。和國外相比,這些正好又是國內(nèi)調(diào)速器的優(yōu)點。近年來,國內(nèi)調(diào)速器制造和設計水平已大大提高,在產(chǎn)品的多樣性、創(chuàng)新方面取得了不少成績,在調(diào)速系統(tǒng)控制規(guī)律,調(diào)速系統(tǒng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定的作用等方面也取得不少研究成果。   小灣調(diào)速系統(tǒng)選擇PCC作為巨型機組調(diào)速器的硬件,借助PCC模塊的高可靠性及分時多任務操作系統(tǒng)的特點和編程語言的優(yōu)點,充分滿足了巨型機組調(diào)速器對可靠性和實時性的要求。不僅硬件的可靠性和工藝大大提高,軟件設計也吸取了國內(nèi)的部分研究成果,這樣更加符合中國國情。   總之,小灣調(diào)速系統(tǒng)是國內(nèi)自主研發(fā)的產(chǎn)品,具有完全自主知識產(chǎn)權,我們爭取在產(chǎn)品研制、設計、生產(chǎn)、測試等每個階段都嚴格控制、精益求精,力爭打造出國內(nèi)適用于巨型機組的調(diào)速器精品。希望能為巨型水輪機調(diào)速系統(tǒng)的設計提供一定的參考,同時也希望為推進巨型水輪機組調(diào)速系統(tǒng)國產(chǎn)化積累經(jīng)驗。 參考文獻   [1] 潘熙和等,PCC在水電站調(diào)速器和勵磁裝置上的應用,水電站自動與大壩檢測,2008,VOL32,NO.3,P19-23   [2] 南海鵬,水輪發(fā)電機組PCC控制,西安:西北工業(yè)大學出版社,2002

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