比例数字

PSWST
比例数字式微机调速器
技术说明
武汉三联水电控制设备有限公司
二零零五年九月
目录
一、调速器型式和组成
1.1 调速器型式总体设计
调速器是并联PID型数字式可编程(PLC)双重调节的调速器，操作油压为12MPa，调速器型号为PSWST-12。

调速器具有频率--功率调整，数字式电气协联，双调功能，转速调整，开度控制，电力系统频率自动跟踪，自诊断以及稳定等功能，导叶和桨叶采用微机数字式智能化协联。

调速器电液转换环节采用比例数字式机械液压系统，具有断电自动复中，可靠性高。

调速器能现地/远方开、停机，控制出力和事故停机。

具有触摸屏实时显示、记录功能；内置式静、动态试验功能，静态特性试验，空载频率扰动试验，空载频率摆动试验，甩负荷试验可自动完成。

调速器是具有并联补偿PID调节规律的比例数字式可编程调速器。

机械部分采用以进口比例阀、数字阀组成的比例数字式电液转换器为主构成的机械液压随动系统，导叶接力器和桨叶接力器分别用单独的机械液压随动系统控制，其协联关系由电气控制部分实现数字协联；比例数字式电液转换器是专门为调速器设计的一种新型电液转换器，具有驱动力大、不卡阻等特点；调节器采用西门子S7-400系列可编程控制器，主从系统在故障时可以无扰动地实现自动切换，平常也可以人工干预实现手动切换，以便提供可维护性和可利用率，冗余的具体结构和硬件配置将在下文中（调速器各环节或机构及性能）论述。

比例数字式电液转换器的控制采用了脉宽调制方式(PWM)，可以大大提高机械系统的灵敏度，有效地防止电机的失步，死机；调节器采用了先进的并联补偿自适应PID控制规律和闭环自适应开机规律，开机速度快且无超调，可以满足不同水头情况下机组开机的要求，具有与水电站计算机监控系统连接的软件和硬件接口。

调速器电气控制柜和机械液压控制柜分开设置，面板上的控制按键、按钮、显示仪表、触摸屏等人性化布置，柜内的电气元件布置合理，工艺好，安装更换方便。

1.2 调速系统的组成
调速系统主要由测速装置、机械柜、电气柜、导叶开度反馈位置变送器和桨叶转角反馈位置变送器、导叶桨叶动作协联机构以及阀门、保护、控制、信号装置和仪表等组成。

1.4 调速系统的可靠性要求
平均故障间隔时间 (MTBF)：≥35000h；
平均大修间隔时间：＞10年；
自动方式可利用率：99.99%；
自动+手动可利用率：100%；
退役前的使用年限：≥30年。

1.5 调速参数的调整范围
(1) 导叶接力器全行程关闭时间调整范围：5～40s；
(2) 导叶接力器全行程开启时间调整范围：5～40S；
(3) 桨叶接力器全关闭时间调整范围：20～40s；
(4) 桨叶接力器全开启时间调整范围：40～70S；
(5) 频率给定调整范围为：50Hz±15%；
(6) 功率给定调整范围为：0～120%Pn；
(7) 永态转差系统bp调整范围：0～10%(级差1%)；
(8) 人工转速死区调整范围：0～1.5Hz（每级0.05 Hz）；
(9) 并联PID调节的调节参数调整范围：
1) 比例增益K p调整范围：0.5～20；
2) 积分增益K1调整范围：0.05～10 1/S；
3) 微分增益K D调整范围：0～5S；
(10) 电气开限调整范围：
1) 运行电气开限：0～100%；
2) 空载电气开限分为二段，开限I：（≤80%nr）；
开限II：（＞80%nr）；
两段开限均可按水头自动修正。

1.6 调速器性能
调速系统具有下述基本要求：
(1) 静态特性
静态特性曲线近似为直线，线性度误差不超过3% ；
测至主接力器的转速死区不超过0.02%
协联随动装置不准确度不超过1.0% 。

(2) 动态特性
在电液调节装置开环增益不小于60% 极限开环增益的条件下，输入阶跃频率信号，各种调节参数组合下的动态特性具有良好的PID规律，没有抽动及其它异常现象:
1) 在各种工况下均能稳定运行；
2) 自动空载运行3min内转速摆动相对值不超过±0.15%；
3) 接力器不动时间不大于0.16s（甩25% 额定负荷）；
4) 甩100% 负荷时动态品质：
---超3%n r以上的波动次数不超过1.5次；
---从导叶接力器第一次向开启方向移动时起到机组转速摆动相对值不超过±0.5% 为止，时间不超过35s。

(3) 漂移指标
1) 系统温度漂移：＜0.01% ；
2) 综合漂移：＜0.3%。

(4) 稳定性
空载运行和并网运行时，调速系统能稳定地控制机组转速。

机组在电网中与其它发电机并联运行时，以及当水轮机的水力系统和引水管道是基本稳定的,调速系统也可以稳定地在零到最大出力范围内控制机组出力，保证调速系统稳定可靠运行。

1) 采用补偿PID控制算法，当被调节量与给定值的偏差在较小范围之内，用一个函数关系来描述这个偏差值进行PID补偿运算，达到较优的控制效果,这是三联独创的控制算法。

当被调节量波动和扰动时，采用补偿PID控制算法,可以保证调速器调节的过渡过程短，超调量小，收敛快。

因此，当机组在额定转速空载运行和带孤立负荷时，调速系统能稳定地控制机组转速。

当发电机在电厂和在电网中与其它发电机并联运行时，调速系统也能稳定地在零到最大出力范围内控制机组出力。

2) 采用开度补偿控制算法，调速器PID的输出值与导叶反馈的实际值通过全数字综合放大的模糊控制策略进行控制，根据频率偏差形成的调节量与导叶反馈变化的速率来自动改变整机放大系数，开、关方向的放大系数是独立可调
的。

发电机在空载额定转速下，或在额定转速和孤立系统恒定负荷下运行，且转差率定在2%或以上时，油压波动不超过±1.0%时，调速器能保证机组运行3min 内转速波动值不超过额定转速的±0.15%。

3) 采用功率闭环PI控制模式，能够保证当调差率在2%或以上，油压波动不超过±1.0%时，由调速器引起的持续出力摆动不超过额定出力的±0.2%。

4) 调速器采用双路供电电源，工作和切换备用电源、手/自动切换、反馈信号消失、机网频断线、电气信号消失时，水轮机导水叶接力器的开度变化不超过其全行程的±0.5%。

5) 调速器允许带电插入、拔出故障插件。

6) 机组在孤立电网运行时的控制问题,根据上文所述,采用了三联独创的补偿式PID控制算法(频率补偿)、采用开度控制算法（开度补偿），实现自适应控制，以适应孤立电网的运行和控制的要求。

(5) 频率跟踪和相位控制
为了缩短同期时间，调速器自动跟踪系统频率，并具有优良的调节性能，使机组和电网的频率差接近零但不等于零,保证同频和同相快速并网。

频率跟踪的机组频率采用机端电压互感器测量。

采用自适应闭环智能开机规律，不需要设置开机斜率及顶点，能够保证在任何异常情况下(如机组导叶漏水，机组未停稳，机、网频率断线，导叶反馈断线等)不过速，不停机。

自动选择频率跟踪或不跟踪的状态，更利于机组与电网同步，调速器根据网频和孤立电网来自动选择设置频率跟踪或不跟踪状态(也可以人为手动设置)。

它能控制机组发电机频率与电网频率(或频率给定)相接近。

采用高档可编程控制器作为调节控制的核心，程序执行时间小于5ms。

空载运行时，将机端电压与电网电压之间的相角差参与PID运算，实现相位控制，保证相角差在零度附近摆动，便于实现快速自动准同期并网，有效防止由于频差过小同频不同相而造成并网时间过长的现象发生。

(6) 稳定性调整
调速系统动态性能具有比例、积分和微分功能；比例、积分和微分的增益是独立的、连续可调的。

比例、积分和微分的调整范围适合各受控系统的动态特性。

比例、积分和微分的调整由触摸屏输入，在调速系统运行时可动态调整。

具有调节参数自动寻优的功能(该功能一般在试验阶段中进行)，根据被调节
量的变化，自动施加1%的扰动量，经过几次扰动后，由软件自动计算出最优的调节参数Kp，Ki, Kd。

因此调速系统不但具有比例、积分、微分功能，而且通过寻优功能能够找到最优的比例、积分、微分的参数，特别是对于水头波动较大的机组的动态稳定性非常明显。

所以整个调节系统在各种工况下都具有优良的静、动态品质。

增益的可调范围不小于：
(1) 比例增益Kp：0.5～20
(2) 积分增益Ki：0.05～10 1/s
(3) 微分增益Kd：0～5S
当调速系统工作时，这些增益是可调的，且增益的调整随运行方式的变化由调速系统自动地进行改变。

保证整个调节系统在各种工况下都具有优良的静、动态品质。

最大限度地适应控制系统的要求。

(7) 转轮桨叶的控制及导叶桨叶的协联
调速器通过电气协联方式实现水轮机导叶与桨叶的协联。

根据水轮机协联曲线整定的协联函数发生器；能按实际水头自动选择相应协联曲线；停机后自动将轮叶开到启动角度并在启动过程中按一定条件自动轮换到正常协联。

采用数字协联方式，可预设10条水头下的协联曲线，每条协联曲线上设置50个点，线与线之间以及点与点之间采用线性插值，最后输出采用逐次逼近方式，确保协联曲线的真实性及控制的平稳性。

一般来说协联曲线是主机厂模型试验曲线，与机组实际运行曲线有所差异，直接影响机组出力，因此实际运行过程中我们采用，当导叶开度和水头在一定的情况下，自动将轮叶的开度在一个较小的范围内进行变化，找出在这个范围内机组的最大有功功率，以达到自动修复模型试验的桨叶协联曲线，接近实际运行协联曲线的目的。

为防止大波动过渡过程中机组抬机，具有自动脱协联功能。

①“协联关系一”按钮(双调可编程微机调速器)
触摸此按钮后会弹出密码键盘，只有输入正确的密码才可将画面切换至“协联关系一”画面，密码为*********，其画面如右所示：
在画面中黑色的数字(0%～100%)表示导叶开度，紫色的数字表示浆叶开度，红色的数字表示水头值。

水头值从左到右是递增的。

协联关系是反映不同水头下导叶开度与浆叶角度之间的协调关系。

协联曲线是由电厂提供。

导叶开度范围0～100%，水头值由电厂提供。

触摸“上页”按钮可使画面切换至“参数设置菜单”，触摸“下页”按钮可使画面切换至“协联关系二”画面。

协联关系二画面如右图：触摸“上页”按钮可使画面切换至协联关系一画面，触摸“下页”按钮可使画面切换至协联关系三画面。

在画面中黑色的数字(0%～100%)表示导叶开度，紫色的数字表示浆叶开度，红色的数字表示水头值。

水头值从左到右是递增的。

“协联关系三”画面如左所示：
触摸“上页”按钮可使画面切换至协联关系二画面。

在画面中黑色的数字(0%～100%)表示导叶开度，紫色的数字表示浆叶开度，红色的数字表示水头值。

水头值从左到右是递增的。

在协联关系画面中可最多显示15条水头，且协联关系一、二、三中水头值从左到右是递增的。

协联关系表中浆叶开度的计算公式如下：
Y=(φ-φmin)÷(φmax-φmin)×100%
公式中φ表示该水头协联曲线上与
该导叶开度协联的浆叶角度；
Y表示浆叶开度；Φmin表示浆叶
角度最小值；φmax表示浆叶角度最大
值。

Φmin、φmax、φ均带符号。

例如：协联曲线如右图：
计算水头值为24m,导叶开度为60%时
协联的浆叶开度。

依照右图有Φmin=-11°、φmax=16.8°、φ=0°，则由计算公式可知Y=39.57%
若电厂提供的协联曲线中水头条数小于15条，则不足部分按最大水头曲线填入数字。

②“浆叶开、关方向放大倍数”按钮(双调可编程微机调速器)
触摸此按钮后会弹出密码键盘，只有输入正确的密码才可将画面切换至
“浆叶开、关方向放大倍数”画面，密码为*********，其画面如左所示：画面的功能参照“导叶反馈调整”画面。

(8)负荷跟踪
调速器无论是自动还是手动改变调速器的运行方式，调速器通过采样机组转速、导叶开度和机组有功输出进行跟踪和控制，达到任意运行工况和运行方式之间的切换是无扰动的。

(9)转速、负荷调整范围
机组空载运行，转差率为零，通过手动或自动使转速调整机构在90%～110%额定转速之间允许发电机进行并列运行。

通过脉冲增减或者数字量定值给定的方式就地或远方控制转速调整机构能在20s到40s时间内从全开导叶下的出力减到零。

通过手动或自动调节转速能在40s内允许发电机由空载带至额定负荷运行。

1.7 调速器的功能
调速器具备下述功能：
1.7.1 自动调节与控制
1) 转速及有功功率调整的基本调节；
2) 可保证稳定运行于下列工况：
---单机空载；
---单机带负荷运行；
---并网带负荷运行。

3) 自适应闭环开机规律,以最佳过程启动水轮发电机机组，启动过程能自动跟踪电网频率；
4) 以最佳过程使机组停机，可实现导叶分段关闭；提供我公司专利产品DX-I型分段关闭装置；
5) 按实时水头自动修正启动开度，空载开度，最大出力限制，克服水位波动影响；
6) 保证机组在停机后自动将桨叶开到启动角度，能够按水头实时自动调整启动角。

并在启动过程中按规定自动进入正常的协联关系；
7) 能根据机组工况、水头、导叶开度、机组出力或运行工况，选择调节结构和调节参数，实现变结构、变参数的适应式自动调节；
8) 在线动态修改运行参数、永态转差率和人工死区，不会引起机组负荷冲击或变化,并具有容错纠错能力；
9) 可接受远方或AGC(由电站计算机监控系统发出)调节指令信号，信号可以是脉冲量或者是绝对值；
10) 能根据继电保护装置和系统稳定等自动装置的指令信号的不同要求，自动快速将导叶开度减至某一特定值或空载；
11) 可实现纯手动开机及自动→手动、手动→自动的无扰动切换，切换均可以自动或人工切换方式完成；
12) 可实现转轮桨叶转角与静水头及导叶开度之间最优状态的智能化协联，当水头变化大于0.2~0.3米时即可对桨叶作出调整；
13) 实时显示调速器的运行方式、显示运行参数、调节参数及事故、故障信号等信息，并能自动记录正常开、停机过程以及事故停机过程中的转速、开度、接力器行程、有功功率的过渡过程，可在线显示或离线显示过渡过程曲线。

1.7.2 容错控制
1) 系统具备可靠的冗余结构，可自动或手动选择运行方式，并保证无扰动切换；
2) 转速信号在各种工况下失效时的容错控制，这些工况包括空载运行、发电运行、甩负荷、单机带负荷等,；
3) 导叶开度、桨叶转角反馈信号失效时的容错控制；
发电机有功功率反馈信号失效时的容错控制；
水头信号失效时的容错控制；
电液随动系统输入信号或反馈信号失效时的容错控制；
在上述情况下能保证导水叶开度、轮叶开度（机组出力或者转速）不变
1.7.3 在线、离线故障诊断功能
(1) 在线自诊断功能
具有完善的保护和在线自诊断及自恢复功能；在触摸屏上能迅速查出故障所在的部位，并通过触摸屏上的帮助菜单进行排除指导或处理提示。

调速器具有下述在线诊断和容错功能，每次调速器投入前对下列故障进行自诊断一遍，无故障后方能开机。

电气柜面板上的触摸屏可实时显示故障。

调速器
具备下列故障检测功能：
1) 模拟/数字转换器和输入通道故障。

只要不是导叶反馈通道故障，不会影响正常运行，仅报警。

当导叶反馈通道故障时保持开度不变。

2) 数字/模拟转换器和输入通道故障。

采用全数字输出，D/A转换不参与调节，绝不会影响正常运行，只影响送监控系统的模拟量信号。

3) 反馈通道故障。

当导叶反馈通道故障时能够保证机组的负荷或开度不变。

当功率反馈通道故障时自动切换到开度模式下运行。

当水头反馈通道故障时，自动切换到水头手动输入工况。

4) 液压控制系统故障。

通过调速器内部自学习软件对每次运行工况及运行过程进行记录和统计,从一般性或特殊性中找出规律对调速器以及液压系统等设备进行早期故障检测，能做到事先报警。

5) 程序出错和时钟故障。

自动切换到机手动运行。

6) 控制设备故障。

智能容错式判断输入的开关量接点信号，例如在带负荷运行工况，当油开关接点信号消失时，机组有功功率没有突变或转速在连续3个运算周期没有上升且转速不大于106%额定转速时不作甩负荷处理，保持开度不变，并且可调整开度或负荷。

7) 事故关机回路故障。

提供主配压阀(转速大于115%额定转速)拒动接点，用于过速限制器的控制。

8) 操作出错。

能够自动检测和智能处理操作出错，当操作出错时报警提示，不接收错误的操作命令。

9) 系统测速故障。

在空载时：当检测到机频故障，自动将当前导叶开度关回到最小空载开度(最
高水头下的空载开度)；当系统频率故障，自动跟踪频率给定；
在负载时：机、网频互为容错，当机频故障时，自动取网频，否则取机频作为被调节量。

10) 调速器机械故障自诊断功能。

包括机械漂移，机械卡阻，液压元件的早期诊断。

11) 根据每次开机、并列、带负荷、发电等过程中的一般规律，通过自学习方式对调速器以及调速器以外的其它设备的故障进行预警，以方便维护运行人员早期做出故障对策，进行故障维护。

(2) 离线功能
通过触摸屏可随时人为检查、调整、设置调节参数和运行参数，并且可以用计算机进行程序的检查、修改和调试。

调速器具有下述离线功能：
1) 数据采样系统的精度检查；
2) 数字滤波器的参数检查和校准；
3) 调节参数检查及调整;
4) 程序检查;
5) 导叶-桨叶协联控制检查和调整;
6) 修改和程序调试;
7) CPU和总线诊断
8) EPROM和RAM诊断
1.7.4 智能调试功能及计算机辅助功能
a) 智能化调试：人性化全中文图形界面及在线帮助人机对话平台。

内置式静、动态试验功能，静态特性试验，空载频率扰动试验，空载频率摆动试验，甩负荷试验可自动完成。

并且在触摸屏上实时显示，并配有打印机接口。

自动进行调速系统的静态及动态参数测试；
自动地处理用户输入的各种参数；
自动地用菜单及图形界面指导用户进行现场试验及操作；
提供评价动态过程的数据；
能以测试数据、表格及曲线等形式自动记录试验结果；
能进行系统仿真，在无水条件下进行调速系统的动态调试。

b) 计算机辅助功能：计算机辅助分析系统，各项试验专用数据库，故障录波
等。

对运行工况转换和过程进行不间断录波，形成历史数据库。

故障产生时，计算机进行辅助分析，给出故障原因，对历史数据库中的数据可进行辅助分析，推测系统的状态。

c) 调试专家系统：可自动进行各项试验，产生试验数据并给出试验结果，对
试验过程及结论作出评价。

1.7.5 保护功能
自动系统发生故障时，能自动切换至手动，且维持当时的有功功率不变；
手动方式运行时，当在空载单机带负荷或并网带负荷等工况下，如发生故障，能动作紧急停机电磁阀，实现机组紧急停机；
对冗余配置的事故停机电磁阀控制回路的完整性进行监视，当调速系统的故障性质允许机组继续运行或当测速信号消失时，除了调速器能保证机组导叶在事故之前的位置且不影响机组正常和事故停机，同时将故障信号送至中控室计算机监控系统。

故障消除后自动平衡地恢复工作，对于大事故，机组停机，电气柜上有故障指示信号，调速器有报警接点信号输出(包括调速器失灵接点信号)。

具有事件记录功能：导叶反馈、机组频率、开关量输入命令、调速器输出值等关键参数将保存在可编程控制器数据存储器内，并可随时在触摸屏上显示。

1.7.6 与电站监控系统通信功能
1) 上行传送调速器实际功率整定值、调节器结构特征及调节参数值、工作方式、事故及故障信号、过渡过程曲线等。

2) 下行传送脉冲或绝对值(数字量) 整定以及这两种整定方式选择的指令信号。

3)通讯方式采用MODBUS PLUS(MB+)协议。

二、各环节或机构及性能
调速器总体设计原则是，符合招标文件和招标补充文件及国家有关标准的规定，充分体现先进性、合理性、完整性和高可靠性的原则。

保证整个调速系统安全可靠地工作，并满足如下要求：
* 满足招标文件的要求和有关国家标准。

* 高性能和高安全可靠性。

* 各种运行工况稳定，切换无扰动。

* 硬件配置合理，各种控制调节功能完备。

* 全中文图形、表格、数据的人机操作平台。

* 完善的试验、录波、事件记录、帮助等辅助功能。

* 选用世界知名厂家的兼容性高的最新元器件。

史数据等。

调速器采用触摸屏全中文菜单、表格、图形选显方式，进行人机对话。

并配备有必要的指示针和开度表。

可动态实时显示或在线修改以下参数：
(a) 导叶位置检测、校对与显示。

(b) 机组频率检测与显示。

(c) 电网频率检测与显示。

(d) 人工频率死区的显示与设定。

(e) 频率给定值的显示与设定。

(f) 功率给定值的显示与设定。

(g) 功率实际值的显示和校对。

(h) 永态转差系数的显示和设定。

(i) PID参数的显示和设定。

(j) 电气开度限制值显示和设定。

(k) 锁锭位置显示。

(l) 水头自动显示和手动输入设定。

(m) 调速器各种故障显示。

(n) 顺序事件记录功能。

(o) 内置式说明书、操作帮助以及故障分析诊断的帮助功能。

(p) 内置式静、动态试验功能，静态特性试验，空载频率扰动试验，空载频率摆动试验，甩负荷试验可自动完成。

并且在触摸屏上实时表格和图形显示
试验过程和结果，并配有打印机接口。

2.6 转速测量
2.6.1调速系统测速方式
网频测量取自于电网电压互感器。

采用残压测频方式。

2.6.2转速信号分别取自发电机机端电压互感器（分别从两个互感器上取）、高压母线电压互感器以及齿盘式转速传感器。

转速信号由买方提供。

(1) 转速信号取自PT的性能指标：
信号频率范围： 1～99Hz
信号幅度（有效值）： 0.2～220V
信号波形: 正弦波
采样周期: 40～80ms可以调整
转速分辨率: 不大于0.001Hz
线性度范围: 1～99Hz
静态误差: ≤0.1%
(2) 转速信号取自齿盘式转速传感器的性能指标：
信号频率范围： 0～99Hz
信号幅度：不小于15V
信号波形: 方波脉冲
其他指标同PT采样信号。

2.7 功率测量
采用交流采样方式测量发电机有功功率，买方提供机端电压互感器和电流互感器信号源。

电压信号 100V AC
电流信号 1A AC
响应时间小于80ms
测量精度 0.2级
2.8 导叶开度测量
导叶位置反馈采用电气反馈，电气回复装置稳定、可靠、精确。

导叶位置传感器安装在接力器回复机构上，每套位置反馈均设二套传感器，两路输出，一路用于调速器，一路用于计算机监控，反馈装置具有良好的防潮性能及抗油污能力，。