【正文】        摘   要：调速器是水轮发电机组有功调节的重要控制部件，通过比例阀位移反馈、主配位移反馈和导叶位移反馈构成水轮机调节的三级放大反馈控制系统，实现开机空转至空载时机组频率的稳定控制，机组并网后的有功功率调节。在这三级反馈相辅相成下，确保水轮发电机安全稳定运行。
        关键词：调速器；导叶；主配；三级放大反馈。
        1概述
        深溪沟水电站位于四川省大渡河中游汉源县和甘洛县接壤部，为大渡河干流规划的第十八级电站，其上一梯级为瀑布沟电站，下一级为建设中的枕头坝电站。电站接瀑布沟水电站尾水，装机规模为4×165MW，电站枢纽由河床式厂房、窑洞式安装间、泄洪闸、冲沙闸、挡水坝等水工建筑物组成，坝顶高程662.50m，电站装设4台轴流转桨式水轮发电机组，单机容量为165MW，额定水头30m，最大水头40m，最小水头20.1m。电站以500kV电压等级接入电力系统。4台发电机由东芝水电设备(杭州)有限公司制造，4台水轮机由浙江富春江水电设备有限公司制造。深溪沟水电站调速器微机调速器采用法国施耐德Preminum系列加德国西门子S7系列PLC双重冗余。控制软件由武汉三联公司提供。主要任务是发电；配合瀑布沟水电站的运行方式，深溪沟水电站相应将承担腰荷和调峰运行任务。
        2水轮机调节系统简介
        水轮机调节系统的工作过程为：测量元件把机组转速n（频率f）、功率Pg、水头H、流量Q等参量测量出来，与给定信号和反馈信号综合后，经放大校正元件控制执行机构，执行机构操纵水轮机导水机构和桨叶机构，同时经反馈元件送回反馈信号。
 







        图1调速器控制系统结构图
        水轮机控制系统：用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定参量的偏差，并将它们按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些设备所组成的系统。
        水轮机调节系统的输出(机组(电网)频率、机组功率等)对系统的控制作用(转速(频率)给定、机组功率给定、接力器开度给定等)有着直接的影响，一般称其为反馈作用；所以，水轮机调节系统是一个闭环系统，水轮机控制系统(调速器)自身也是一个闭环系统。输入信号与反馈信号之差称之为误差，误差信号施加在控制器的输入可以减少系统的误差，并使系统的输出量趋于给定值。所以，闭环系统就是利用反馈来减小系统的误差。 
　　水轮机调节系统和水轮机控制系统在工作过程中，有两种工作状态：静态（稳定状态）和动态（瞬变状态）。调节系统的静态又称为稳定状态:稳定状态是指机组在恒定的负荷、给定信号和水头下运行，水轮机控制系统和水轮机调节系统的所有变量都处于平衡状态的运行状态。调节系统的动态又称为瞬态:当系统受到负荷、水头等扰动作用，或给定信号变化时，系统将出现相应的运动，经过一段时间后，在新的条件下进入了新的稳定状态。从原稳定状态到新稳定状态的运动过程,就称为水轮机调节系统和水轮机控制系统的动态。系统动态不稳定时，则出现等幅振荡或发散振荡，系统不能正常工作、没有稳定状态；所以，一个动态系统是稳定的，是对闭环动态系统的最基本要求。在实际运行中，水轮机调节系统和水轮机控制系统的稳定状态是相对的、暂时的，其动态则是绝对的、长期的。
　　3BOSCH主配压阀位移传感器在导叶平衡控制过程介绍
        深溪沟水电站调速器导叶控制，在机组非并网态下，根据当前水头计算出的机组第一开机度和第二开机度，经过PID调节，将导叶开度按照开停机斜率开至相应的开度；在机组并网态下，由监控根据AGC下发的机组有功功率经PID有功调节计算所需的开度，开出脉冲控制调速器增减导叶开度信号，实现导叶开度的控制。导叶开度控制主要公式如下：
        U=D*（K导叶*（Y给定-Y反馈）-k主配（y主配反馈-y主配零点-y主配死区））
        K导叶：导叶开放向或关方向放大增益；Y给定：导叶开度给定；Y反馈：导叶开度反馈；k主配：导叶主配偏差放大倍数；y主配给定：主配位移反馈；y主配零点：导叶主配位移零点；y主配死区：主配位移控制死区；D：导叶控制综合偏差增益；U：导叶比例阀控制电压
        导叶开度控制主要程序段如下：
        (* 计算导叶偏差 *)
        GVC_OpnWrp  := RP_GudVanCtrl - FC_GudVanOpn;
        GVC_OpnWrp_Stk_ProVal1 := GVC_OpnWrp;
        (* 导叶控制死区 *)
        IF ABS(GVC_OpnWrp_Stk_ProVal1) > GVC_Sen_ProVal1 THEN
         GVC_OpnWrpOvr_ProVal1 := TRUE;
        IF GVC_OpnWrpOvr_ProVal1 THEN
         GVC_OpnWrp_ProVal1 := GVC_OpnWrp_Stk_ProVal1;
ELSE
        GVC_OpnWrp_ProVal1 := 0;
        END_IF;
        (* 导叶控制增益放大 *)
        IF GVC_OpnWrp_Stk_ProVal1 >= 0 THEN
        m := INT_TO_DINT(GVC_OpnWrp_ProVal1) * INT_TO_DINT(GVC_OpnWrp_Pul_O_ProVal1);
ELSE
        m := INT_TO_DINT(GVC_OpnWrp_ProVal1) * INT_TO_DINT(GVC_OpnWrp_Pul_C_ProVal1);   
        END_IF;
        GVC_OpnWrpPul_ProVal1 := DINT_TO_INT(m);
        (* 导叶主配偏差去死区 *)
        GVC_DisWrp_Stk_ProVal1 := FC_GudVanDis - GVC_Dis_Zero_ProVal1
        IF GVC_DisWrp_Stk_ProVal1 >= GVC_Dis_Gil_C_ProVal1  AND  GVC_DisWrp_Stk_ProVal1 <= GVC_Dis_Gil_O_ProVal1  THEN
        GVC_DisWrp_ProVal1 := 0;
ELSIF  GVC_DisWrp_Stk_ProVal1 < GVC_Dis_Gil_C_ProVal1  THEN
  GVC_DisWrp_ProVal1 := GVC_DisWrp_Stk_ProVal1 - GVC_Dis_Gil_C_ProVal1;
ELSE
  GVC_DisWrp_ProVal1 := GVC_DisWrp_Stk_ProVal1 - GVC_Dis_Gil_O_ProVal1;
        END_IF;
        (* 导叶主配反馈偏差放大 *)   
        m := INT_TO_DINT(GVC_DisWrp_ProVal1) * INT_TO_DINT(GVC_DisWrp_Pul_ProVal1);
        GVC_DisWrpPul_ProVal1 := DINT_TO_INT(m);
        (* 计算导叶控制综合偏差 *)
GVC_SynWrp_ProVal1 := GVC_OpnWrpPul_ProVal1 - GVC_DisWrpPul_ProVal1;
        (* 导叶比例阀最终控制电压 *)
        GVC_SynWrpPul_ProVal1 := DINT_TO_INT(INT_TO_DINT(GVC_SynWrp_ProVal1) * INT_TO_DINT(GVC_Syn        Wrp_Pul_ProVal1) / 10;)
        以开机过程为例：在开机过程中，经过调速器PID计算后得出"Y给定"，导叶在全关位置时"k主配（y主配反馈-y主配零点-y主配死区）"在停机态由于加入了3%的压紧行程为一个负值，此时比例阀控制电压U开放向的最大值，比例阀动作到开放向最大开度，调速器开导叶。在比例阀动作到开导叶时，主配压阀位移反馈"y主配反馈"逐渐加大，导叶反馈"Y反馈"也逐渐增大，经过以上导叶控制公式，可见比例阀控制电压随着导叶的开启逐渐降低，比例阀开度也逐渐降低，相应的主配压阀开度也减小，调速器导叶开启速度逐渐减慢，这样就形成了一个调速器导叶反馈、主配压反馈和比例阀三级反馈间的一个动态平衡，最终将导叶开至预定的PID给定开度。
        4BOSCH主配压阀位移传感器的安装和调试
        4.1传感器安装
深溪沟原主配位移传感器采用Volfa型传感器，安装在主配左下方，随主配压阀芯上下动作时带动主配传感器本体上下移动，通过压缩和拉升传感器下部弹簧，使传感器阀芯在传感器本体内实现位移量的传变。
 






        但该传感器存在以下问题：一是的主配位移传感器两侧设有卡槽，通过附属卡件固定安装，存在随机组长期振动造成螺栓松动，使主配位移传感器弹出引起机组导叶失控的风险，在其他电厂曾出现过该型主配位移传感器弹出引起机组导叶失控的事件。二是主配位移传感器精度较低，在进行传感器标定时比较困难，在 2012-2013 年检修期曾出现因该传感器标定耗时较多引起机组开机不顺利的事件发生。 三是主配位移传感器是导电塑料电阻轨型，触点长时间在导电塑料电阻轨的某一点摩擦会造成接触不良。会降低主配压阀阀芯回到中间平衡位置的精度，使调速器调节频繁，引起主配压阀抽动。 
        因此，深溪沟水电站将主配压阀位移传感器更换为德国BOSCH公司生产的大流量比例阀内部的阀芯反馈耐压型位移传感器。位移传感器是根据差动变压器的原理工作的，套在线圈中的铁芯在耐压管内移动，耐压管可以承受最大到315bar的压力，能实现对压力介质中的某一区段进行位移测量，测量过程是无接触和无磨损的、分辨率高而不受限制。放大器集成在阀体内，并根据相应的行程进行调节。传感器由DC±15V电源供电，并产生DC0～±10V电压作为输出信号（DC/DC技术）。主阀传感器在控制回路中用于实现内环反馈。通过对该位移传感器的参数进行分析，它完全适应于调速器的主配压阀的阀芯位置反馈。主配压阀位移传感器的作用是采集主配压阀活塞的位移，并将其转换为电气信号，作为调速器内环对控制输入的反馈，以检测主配压阀位置。整个传感器安装分为传感器本体、传感器电源调理板两大部分组成。
        4.1.1传感器部分：传感器安装要求传感器磁芯、连接螺杆在同一直线，且磁芯不能同耐压管有接触。
 









        传感器机械反馈中位调节：
        （1）调速器建压到6.3MPa
        （2）将调速器控制方式切"机手动"
        （3）松开定位螺母，旋转连接螺杆
        （4）测量传感器的反馈输出电压（调速器机械柜端子排Y5:3，Y5:4）在DC 4.7V-5.0V之间
        （5）紧固定位螺母
        4.1.2  电源部分：由于该传感器需要用到±12V电源，因此厂家提供一块电源调理板，将DC24V电源转换为+12V和-12V电源，具体接线方式：
        （1）X11的1-6号端子可任意一个接+24V电源端，X11的7、8号端子任意一个接电源的0V；
        （2）Y11的7、8号端子任意一个可输出+12VDC，Y11的9、10号端子任意一个可输出-12VDC。
 








        4.2 电气调节
        由于新安装的BOSCH传感器在动作灵敏度、线性度、反馈死区都与原传感器有较大差异，因此在新传感器安装后需要对主配反馈零点重新标定，通过电手动开关导叶检查机组导叶平衡调节是否满足要求，在这期间主要调节以下几个参数："导叶开度偏差开方向放大倍数"、"导叶开度偏差关方向放大倍数"、"导叶主配反馈零点"、"导叶主配反馈开放向死区"、"导叶主配反馈关放向死区"（以上调节主要是针对A机和B机的比例阀一、比例阀二控制,共需要调节4套参数），参数优化说明：
开方向调节：
        （1）调速器压油装置建压在6.3MPa；
        （2）将调速器导叶控制方式切"机手动"；
        （3）将"导叶主配反馈零点"标定为"导叶主配反馈测量值"；
        （4）电手动开导叶，检查"导叶平衡"是否<0.1%,检查调节后的主配反馈测量值是否回到中位；
        （5）若（4）中条件不满足，则适当将"导叶主配反馈零点"值标高（在机手动状态下的零点值增加100-600）；
        （6）将"导叶主配反馈开方向死区"放大，检查导叶主配偏差减小，主配回到零点。具体方法：①若"导叶主配偏差暂存"值<1000且主配反馈未回到中位，则直接将"导叶主配反馈开放向死区"标定为"导叶主配偏差暂存"值；②若"导叶主配偏差暂存"值>1000且主配未回到中位，则将"导叶主配反馈测量值"适当标高；③若"导叶主配偏差暂存"值<1000、主配反馈回到中位且"导叶平衡"值>0.1%，则微调减小"导叶主配反馈测量值"，放大或减小"导叶主配反馈开放向死区"，观察"导叶平衡"值最终调节是否<0.1%。（此时可反复尝试标定多个开方向死区值和主配位移零点值，使得主配调节完后能回到中位，导叶平衡尽量减小）；
        （7）在（6）的条件下若"导叶平衡"仍不满足要求，则将"导叶开度偏差开方向放大倍数"适当放大（注：该值一般不能超过20，否则可能会导致主配抽动）；
        注：在通过以上标定，开导叶后"导叶平衡"值会明显减小，此时再小幅度的调节以上参数，可以使"导叶平衡"值<0.1%，即满足要求。
        关方向调节：
        （1）电手动关导叶，检查"导叶平衡"是否>-0.1%,检查调节后的主配反馈测量值是否回到中位；
        （2）若（1）中条件不满足，则适当将"导叶主配反馈零点"值标高(由于开放向已经标定好这个值，此时尽量不动该值，或者微调该值)；
        （3）将"导叶主配反馈关放向死区"减小（此时该值是负数），检查导叶主配偏差减小，主配回到零点。具体方法：①若"导叶主配偏差暂存"值>-1000且主配反馈未回到中位，则直接将"导叶主配反馈关放向死区"标定为"导叶主配偏差暂存"值；②若"导叶主配偏差暂存"值<-1000且主配未回到中位，则将"导叶主配反馈测量值"适当标高；③若"导叶主配偏差暂存"值>-1000、主配反馈回到中位且"导叶平衡"值<-0.1%，则微调减小"导叶主配反馈测量值"，放大或减小"导叶主配反馈开放向死区"，观察"导叶平衡"值最终调节是否>-0.1%。（此时可反复尝试标定多个关方向死区值和主配位移零点值，使得主配调节完后能回到中位，导叶平衡尽量减小）；
        （4）在（3）的条件下若"导叶平衡"仍不满足要求，则将"导叶开度偏差关方向放大倍数"适当放大（注：该值一般不能超过20，否则可能会导致主配抽动）；
        注：在通过以上标定，开导叶后"导叶平衡"值会明显减小，此时再小幅度的调节以上参数，可以使"导叶平衡"值>-0.1%，即满足要求。
        C机调节：
        由于C机是纯手动通道，因此在标定过程中通过调节"导叶比例阀-主配反馈设定值"、"导叶比例阀-主配开放向死区"、"导叶比例阀-主配关放向死区"，使得"导叶平衡"值<0.3%，即可满足要求。
        （1）调速器控制方式切"机手动"；
        （2）调速器切C套；
        （3）将"导叶比例阀-主配反馈设定值"标定为"导叶主配反馈测量值"；
        （4）手动开导叶，检查"导叶平衡"值是否<0.3%；
        （5）若（4）不满足，则将"导叶比例阀-主配开放向死区"标定为"导叶主配反馈测量值"与"导叶比例阀-主配反馈设定值"的差值；
        （6）再次手动开导叶，检查"导叶平衡"值<0.3%；
        （7）手动关导叶，检查"导叶平衡"值是否>-0.3%；
        （8）若（7）不满足，则将"导叶比例阀-主配关放向死区"标定为"导叶比例阀-主配反馈设定值"与"导叶主配反馈测量值"的差值；
        （9）再次手动关导叶，检查"导叶平衡"值>-0.3%。
        4.3 性能验证
        在重新优化参数后，需要对A、B机进行静特性试验、空载扰动试验和自动空载频率摆动试验，检查转速死区、超调量、调节时间和频率波动是否满足要求。静特性试验，要求转速死区不大于2.0%%；空载扰动试验，要求超调量不大于扰动量的30%，波动次数不大于3次；自动空载频率摆动试验，要求频率波动不超过0.15%。
        5结束语
        了解水轮机调节原理，掌握调速器三级反馈特性，通过试验，检查调速器的正常好坏。通过分析试验数据，找出调速器存在的不足，从而为优化调速器提供依据。只有不断完善，才能保持调速器运行在最优性能。自动化传感器是一个综合的、系统的工程，是水电站能否落实"无人值班、少人值守"的关键所在，深溪沟电站将会在调速器自动化建设上再次深入的研究，以确保系统的可靠性，先进性和合理性。
        参考文献:
        【1】 魏守平，水轮机控制工程。武汉：华中科技大学出版社，2005。
        【2】 魏守平，现代水轮机调节技术。武汉：华中科技大学出版社，2002。
        【3】 魏守平，罗 萍。数字式电液调速器的微机调节器。水电自动化与大坝监测，2003。
        【4】 GB/T 652.1-1997.水轮机调速器与油压装置技术条件。1997。
        作者简介：王  军（1988），男，从事水电站运行维护、调速器控制系统检修以及自动控制系统检修工作。
        李于芮（1989），女，从事水电站运行维护以及自动控制系统检修工作。