篇一 : 水轮机调速器的作用培训教程
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第┅章 水轮机调节的基本任务
水轮发电机组把水能转变为电能供生产、生活使用（］用户在用电过程中除要求供电安全可靠外，对电网电能质量也有十分严格的要求按我国电力部门规定，电网的额定频率为50Hz（赫兹）大电网允许的频率偏差为±0.2Hz。对我国的中小电网来说系统负荷波动有时会达到其容量的5％～10％；而且即使是大的电力系统，其负荷波动也往往会达到其总容量的2％～3％电力系统负荷的不断變化，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机组的转速（频率）在额定转速（频率）的规定范围内，就是水轮机调节的基本任务
水轮机调速器的作用是水电站发电机组的重要辅助设备，他与电站那二次回路或计算机监控系统相配合唍成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调速器的作用还可以与其他装置一起完成自动发电控制（AGC）、成组控制、按水位调节等任务
水轮发电机组转动部分的运动方程为：
J—机组转动部分的惯性矩（kg·㎡）；
ω＝πn/30—机组转动角速度（rad/s）；
n—机組转动速度（r/min）；
Mt—水轮机转矩（N·m）；
Mg—发电机负荷阻力矩（负载转矩）（N·m）。
上式表明保持机组转速（频率）为恒值的条件是dω/dt＝0，即要求Mt＝Mg否则就会导致机组转速（频率）偏离额定值，从而出现转速（频率）偏差
Q—通过水轮机的流量（m3/s）;
H—水轮机净水头（m）；
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ρ—水的密度（kg/m3）
因此只有调节流量Q和效率ηt，才能调节水轮机转矩Mt达到Mt＝Mg的目的。［]
从最终效果来看水轮机调节的任务是维持水轮发电机组转速（频率）在额定值附近的允许范围内。然而从实质上讲，只有当水轮機调节器相应地调节水轮机导水机构开度（从而调节水轮机流量Q）和水轮机轮叶的角度（从而调节水轮机效率ηt）使Mt＝Mg，才能使机组在┅个允许的规定转速（频率）下运行从这
个意义上讲，水轮机调节的实质就是：根据偏离额定值的转速（频率）偏差信号不但地调节沝轮机的导水机构和轮叶机构，维持水轮发电机组功率与负荷功率的平衡
一、水轮机调节系统的结构
水轮机调节系统是由水轮机控制设備（系统）和被控制系统组成的闭环系统。水轮机、引水和泄水系统、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网称为水轮机调节系统的被控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差并将其按一定的特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合成为水轮机控制设备（系统）。水轮机调速器的作用则是由实现水轮机调节及相应控制的电气控制装置和机械执行机构组成
水轮機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等反映机组运行工况的参数测量出来作为水轮机调速器的作鼡的反馈信号，与给定信号闭环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
二、水轮机调节系统嘚特点
水轮机调节系统是一个自动调节系统，它具有一般闭环控制系统的共性但是水轮机调节系统是一个复杂的非线性控制系统。
水轮機型式有：混流式、轴流定桨式、轴流转桨式、贯流式、冲击式、水泵、水轮机式等等；
水轮机发电机组由多种工作状态：机组开机、机組停机、同期并网前和从电网解列后的空载、孤立电网运行、以转速控制和功率控制并列于大电网运行、水 4
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位和/或流量控制等（)
水轮机控制设备是通过很大的动力来调节水轮机导水机构和桨叶机构来调节水轮机流量及其流態的，因此即使是中小型调速器也大多要采用机械液压执行机构，且常常采用有一级或二级液压放大的液压执行机构
水轮机过水管道存在这水流惯性，通常用水流惯性常熟Tw；来表述：
每段过水管道的截面积（㎡）；
L—相应每段过水管道的长度（m）
v—相应每段过水管道内嘚流速（m/s）
g—重力加速度（m/s2）
Tw—水流惯性时间常数（s）
从自动控制理论的观点来看过水管道水流惯性使得水轮机调节系统成为一个非最尛相位系统(非极小相响应)，其特点为由于水的惯性，当改变导叶方向时首先引起水轮机转矩在反方向作用，然后再回到与导叶运动相哃的方向对系统的动态稳定和响应特征会带来十分不利的影响。通常所说的水锤效应（或水击效应）就是对这种水流惯性的一种形象的表述
水流惯性时间常数Tw的物理概念是：在额定水头Hr作用下，过水管道内的流量Q由0加大至额定流量Qr所需要的时间
水轮发电机组存在着机械惯性，可利用机组惯性时间常数Ta来表述：
Jωr—额定转速时机组的惯性矩（kg·㎡）
Mr—机组额定转矩（N·m）
GD2—机组飞轮力矩（kN·㎡）
nr—机组額定转速（r/min）
Pr—机组额定功率（kW）
Ta—机组惯性时间常数（s）
机组惯性时间常数Ta的物理概念是：在额定力矩Mr作用下机组转速n 5
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由0上升至额定转速nr所需要的时间。[)
对比例积分微分（PID）型调速器水轮机引水系统的水流惯性时间常數Tw不大于4s；对比例积分（PI）型调速器，水流惯性时间常数Tw不大于2.5s水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比值不大于0.4。反击式机组的Ta不尛于4s冲击式机组的Ta不小于2s。
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第二章 水轮机调速系统的标准和特性
一、水轮机调速系统嘚标准
1．《水轮机调速器的作用及油压装置 型号编制方法》JB/T
2．《水轮机调速器的作用及油压装置试 系列型谱》JB/T；
3．《水轮机控制系统技术條件》GB/T 9652.1-征求意见稿
4．《水轮机控制系统试验验收规程》GB/T 9652.2－；征求意见稿
5．IEC60308《水轮机调速系统试验国际规程》；
6．IEC61362《水轮机控制系统规范导則》；
导叶接力器全关闭时间调整范围为： 3～100S
导叶接力器全开启时间调整范围为： 3～100S
桨叶接力器全关闭时间调整范围为： 10～120S
桨叶接力器全開启时间调整范围为： 10～120S
永态转差bp调整范围： 0～10%
比例增益Kp调整范围： 0.5～20
人工失灵区调节范围： 0～±1 .5%nr 测至主接力器的转速死区不超过： 0.02 %
水轮機甩25%负荷后接力器不动时间不超过： <0.2 s
静特性曲线非线性度： 不超过 0.5%
甩100%额定负荷后转速波动超过3%的波动次数不超过 2次，由调速器引起的机組转速持续波动相对值不大于：±0.15％()
从机组甩负荷时起，导机组转速相对偏差小于±1％为止的调节时间tE与从甩负荷开始至转速升至最高轉速所经历的时间tM的比值对中、低水头反击式水轮机和冲击式水轮机应不大于15；对从电网解列后给电厂供电的机组，甩负荷后机组的最低相对转速不低于0.9
自动空载运行3分钟，机组转速相对摆动值不超过+0.15%
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二、水轮机调速系统的特性
1. 水轮机调节系统的静态特性
当给定信号恒定时，水轮机调节系统处于平衡状态被控参量偏差相对值与接力器行程相对值的关系如图1所示，在工程实际中有时也采用图2所示的静态特性图—将图1所示的被控参量偏差值改用被控参量绝对值表示。［]
N—机组转速（r/min）
Nr—机组额定转速（r/min）
Y=Y/YM—接力器行程相对值
YM—接力器最大行程（M）
（1）永态差值系数bp
在图1所示水轮机调节系统静态特性曲线上取某一规定點（例如，图示中的A点）过该点作一切线，其切线斜率的负数就是该点的永态差值系数： bp=-dxr/dy (1-1_)
对于图2所示的静态特性曲线其对应的值为50bpHZ（當额定功率为
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（2）最大行程的永态差值系数bs
在图1所示水轮机调节系统静态特性曲线上，茬规定的给定信号下得出接力器在全关（y=0）和全开(y=1.0)位置的被控参量（频率、转速）的相对值之差，这个差值即为bs（)
显然，对于一条曲線型的静态特性线选取不同的A点，会得到不同的bp值但是，实践表明对选择了合适接力器位移变送器的水轮机微机调速器来说，其静態特性十分接近于一条直线因此，在这种情况下如果取bs作为bp，也不会有过大的误差
给定信号恒定时，被控参量的变化不起任何
调节莋用的两个值间的最大区间称为死区，当被
控参量为转速时即为转速死区ix。其在静态特性
图上的表述如图3所示
1．3 随动系统不准确度
隨动系统中，对于所有不变的输入信号
相应输出信号的最大变化区间的相对值，称为随
动系统不准确度ia(见图4)
三、水轮机调速器的作用嘚动态特征
缓冲装置将来自主接力器或中间接力器的位移信号转换成一个随时间衰减的信号。它可以是机械液压式的（缓冲器）也可以昰由电气回
路构成的（电气缓冲环节）。
（1）暂态差值系数bt
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永态差值系数（bp）为零时緩冲装置不起衰减作用，它在稳态下的差值系
数就称为暂态差值系数bt
图5所示为暂态差值系数bt的表述：
对比图1和5可以看出：缓冲装置不起衰
減作用时暂态差值系数bt和永态差值系数bp
（式（1－1）和式（1－2）有相同的意义——
为调速器静态特征图上某点切线斜率的负数。()
在工程应鼡上可取为接力器全关（y＝0）和全
开（1.0）时对应的频率相对值之差当然，实
际的缓冲装置特性是衰减的因而可以认为bt
是缓冲装置在动態过程中“暂时”起作用的强
（2）缓冲装置时间常数Td
输入信号停止变化后，缓冲装置将来自接
力器位移的反馈信号衰减的时间常数称为缓沖
装置的时间常数Td（见图6）如果把某一开始
衰减的缓冲装置输出信号强度设为1.0，那么至
它衰减了0.63为止的时间就是Td
（3）缓冲装置在阶越輸入信号下的特性 图6 缓冲装置的动态特性可用下列传递函
Ft(S)为缓冲装置输出的拉普拉斯变换；
Y(S)为接力器位移的拉普拉斯变换。
在其输入端加┅个△y0的阶越信号后其相
应特性如图7所示。图中ft为缓冲装置的输出。 图7
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在图中可以清楚地看出：
①缓冲装置仅在调节系统的动态过程中起作用在稳定状态，其输入总是会衰减到0［]
②暂态差值系数bt反映了缓冲装置的作鼡强度。
③缓冲装置时间常数Td则表征其动态衰减的特征
包含有频率测量及加速度环节，起加速度（指被测频信号的微分）作用的加速度環节的传递函数为：
Fg（S）——被测机组频率信号的拉普拉斯变
FD（S）——加速度环节输出的拉普拉斯变换；
Tn——加速时间常数（s）
TlV——微分環节时间常数（s）
（1）加速时间常数Tn
当取永态差值系数bp和暂态差值系数bt为0， 图8
频率信号x按如图8所示形状变化接力器
刚刚反向运动时，被控参量（频率）相对偏差
x1与加速度(dx/dt)1之比的负数称为加速度
值得指出的是用这种方法求取Tn的值
是比较困难的，稍后会看到采取其它方法求
取Tn将比较简单和方便。
3、采用PID调节器的调速器动态特性
若永态差值系数bp为0则得到PID调节器输出yPID对其输入频差Δf的传
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YPID（S）——YPID的拉普拉斯变换；
Δf（S）——Δf的拉普拉斯变换。[］
式中：等式右端的负号表示正的频差信号 图10
對应于负的接力器开度偏差；
Kp——比例增益它是bp＝0和KD＝0的水轮机调节系统的接力器行程相对偏差y与阶跃被控参量相对偏差x之比的负数；
KI——积分增益（s－），它是bp＝0的水轮机调节系统的接力器速度dy/dt与给定被控参量相对偏差之比的负数即K1=-（dy/dt）/x；
KD——微分增益（s），它是bp＝0囷KD＝0的水轮机调节系统的接力器行程相对偏差y与被控参量相对变化率dx/dt之比的负数即KD＝－y/(dy/dt)。
PID调节器对频率阶跃变化输入Δx的响应如图10所礻。直线段EB是积分的作用延长EB与纵轴y交于D点，与横轴交于A点微分衰减段BF延长交于C点。
①比例作用体现在图10所示的OD段所代表的值
OD在数值仩等于比例系数Kp与频率阶跃变化值x的乘积记为比例分量Yp。 ②微分作用图10所示曲线OFB是由于微分作用引起的分量，其最大值为CD线段的长度它代表了微分作用的峰值。
YDM —— 微分作用的最大输出值
③积分作用，在图10所示直线段EB上截取线段HG使其纵坐标差值HI在1 12
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数值上等于频率阶跃变化值，即ΔY=ΔX, 横坐标差值GI=1/K1
对微机调节器来说由于不存在接力器最短开启/关闭时間的限制，因此图10所示的起始响应可用线段OCB取代线段OFB.
4、接力器反应时间常数Ty
当主接力器带规定负荷时其速度与主配压阀相对行程关系曲線斜率的倒数称为接力器反应时间常数Ty。（］靠近主配压阀中间位置处曲线出现明显的非线性，这是由主配压阀搭接量引起的这使得這个区间的Ty有较大的数值。而大于主配压阀搭接量的区域接近于线性的区段则有较小的Ty值。
四、水轮机调节系统的动态特性
技术标准对沝轮机调节系统动态特性的主要要求如下：
（1）调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性指标
手动空载工况（发电机励磁在自動方式下工作）运行时水轮发电机组转速摆动相对值对大型调速器来说不得超过±0.2%；对中、小型和特小型调速器来说均不得超过±0.3%，当調速器控制水轮发电机组在空载工况自动运行时在选择调速器运行参数时，待稳定后所记录3min内的转速摆动值应满足下列要求： 对于大型電气液压调速器不超过±0.15％
对于大型机械液压调速器和中、小型调速器，不超过±0.25％
对于特小型调速器不超过±0.3％
（2）如果机组手动涳载时的转速摆动相对值大于规定值，那么其自动空载转速摆动相对值不得大于相应手动空载转速摆动相对值
1、甩100％额定负荷后：
在转速变化过程中，超过3％额定转速以上的波峰不超过两次
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GB/T7规定：从接力器第一次向开启方向移动导机组转速摆动值不超过±0.5％为止所经历的时间应不大于40S，IEC61362《水轮机控制系统技术规范导则》规定：在甩负荷中若记从甩负荷開始至出现最大转速上升值为止的时间为 tM,记从甩负荷开始导机组转速摆动值不超过±0.1％为止的时间为tE，则tE/tM的推荐值对于冲击式机组为2.5-4.0和对於高水头混流式机组15[）
2、转速或指令信号按规定形式变化，接力器不动时间：
对于电气液压调速器不大于0.2S；
对于机械液压调速器，不夶于0.3S；
3、技术标准对Ta和Tw的规定：
水轮机引水系统水流惯性时间常数Tw：
对于PID型调速器不大于4S
对于PI型调速器，不大于2.5S
机组惯性时间常数Ta：
对於反击式机组不小于4S
对于冲击式机组，不小于2S
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第三章 水轮机调速器的作用的控制算法
調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。
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KpKi, 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。
※PID控淛算法的模拟表达式如下：
对式（1）离散后得到第n次输出值为：
式中Y（t）为调节输出；e（t）为t时刻的输入偏差值；τ为采用周期（τ
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=△t）；e（n）为第n次输入偏差值；e（n-1）为第n-1次输入的偏差值；n为采样序号（n=01，2?）；KP为比例系數；TI为积分时间；TD为微分时间［]
位置式PID算法表达式为：
将式（2）减去（3）式整理后得
式中KP为比例系数；KI为积分系数（KI =KP .τ/ TI）；KD为微分系数
位置式PID数字调节器的输出Y（n）为全量输出，每次输出与过去的状态无关因此造成运算工作量大，需要对e（i）进行累加（见式（5））而對增量PID控制算法而言，虽然在算法上改动不大却带来不少优点，控制状态的切换冲击也小算式中不作累加运算，增量只跟最近的几次采样有关所以非常容易获得很好的控制效果
但增量式算法的理想微分环节容易引进高频干扰，导致调节性能不稳为此，在研制过程中曾采用在微分环节中串联一个低通滤波器以用来抑制高频干扰，也就是实际微分环节
式中T为微分时间常数。
用实际微分代替理想微分嘚关系为：
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式中 τ 为采样周期（]
※全数字式水轮机调节器综合算法
PID调节采用增量式控淛算法，能在控制系统中避免一般常规PID算法中存在的问题然而就微分项而言，增量算法显然不能满足水电机组调节控制的要求而位置式算法又带来计算复杂和抗干扰能力差的缺陷。将位置式、增量式结合起来组成全数字调速器的PID综合算法，即微分环节采用位置式算法即对全量直接作衰减运算。比例和积分环节则采用增量式算法可避免位置式算法中积分环节的累积计算，以减少计算机运算工作量經电站运行证明，采用综合算法的调速器大大地改善了动态调节器品质，特别是在大扰动情况下其过度调节时间短超调量小等优点就體现出来了。
综合算法的PID表达式为：
脉宽调制（PWM）输出
PID运算结果Y（n）与导叶开度Ya（n）进行综合比较后其差值的大小产
生PWM信号，由于机组開与关的时间是不同的因此整机放大系数在开或关也不应该相同，这样才能保证静、动态品质优良
Y（n）- Ya（n）＞0 开高速电辞阀动作；
Y（n）- Ya（n）＜0 关高速电辞阀动作。
软件数字综合放大计算如下：
式中K开为开方向整机放大系数；K关为关方向整机放大系数；μ开为开方向偏差值；μ关为关方向偏差值
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μ开(K)及μ关(K)决定了脉宽调制（PWM）占空比的大小。[)
脉宽调制（PWM）昰根据Y（n）与Ya（n）偏差大小对脉冲的宽度进行调制
根据Y（n）与Ya（n）的偏差，μ开(K)与μ关(K) 对输出作用到开关高速电磁阀的导
通时间进行脉寬（占空比）调节从而控制了接力器开、关腔油缸的容积，达到调节导叶开度的目标
水轮机调节系统的工作点可以用水头和接力器行程来确定，工况可以由工况回路来确定在空载工况下，调节△f =0；
在负载开度调节时调节开度差值△Y=Y—YG=0；在功率闭环调节工况下，
调节功率差值△P=P—PG=0
通过对频率差值，或开度差值或功率差值进行PID运算后得到一个与该差值所对应的开度输出信号，经过开度限制环节输出箌液压随动系统来控制导水叶的开度则导水叶的开度经AD转换后与PID调节器的输出信号进行综合比较，放大输出直到调整到PID调节器的输出信号和导水叶开度所对应的信号之差为零。
2．1、根据水轮机协联曲线整定的协联函数发生器
调速器通过电气协联方式实现水轮机导叶与槳叶的协联。根据水轮机协联曲线整定的协联函数发生器；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過程中根据导叶开度的开启自动切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10个点，线与线之間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
2．2、接受水头信号及按实际水头洎动选择相应的协联曲线。
在调速器中预置了十条协联曲线每条曲线10个点，按水头大小从小到大逐条排到数码存贮区内，将协联曲线關系图中选定的十条水头值列于表中这样就可以根据当权水头值和当前桨叶值查处并计算出当前桨叶的开度，协联插值计算如下：
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2接在协联表中查出相应桨叶值（]
2．2．2．若当前水头值与表中水头值不同，在Hi和Hi+1水头之间的沝头值为H此时导叶开度值若为a，则可根据线形插值法计算出对应桨叶值φhC点为当前H水头下的某一点。H位于表中水头值Hi和Hi+1之间先根据當前导叶值，在Hi+1上查出B点所对应的桨叶值φ叶值φi
和在Hi上查出A点的桨
计算后即为所求的在H水头下C点的桨叶值，因此可以根据上述插值计算公式可计算出任意水头下的导叶开度所对应的桨叶开度值
2．3、能保证机组在停机后自动把桨叶开到起动角度，并在起动过程中按一定条件自动转换到正常的协联关系
在自动工况停机后自动将轮叶开到启动角度，在开机过程中根据导叶开度的开启自动逐步关回到零后切换箌正常协联 三、转速探测
调速器转速探测系统由齿盘测速和残压测速2种测量方式组成。齿盘测速方式采用安装在水轮机大轴或发电机下機架大轴上的齿盘和4组脉冲转速探测器组成其中2组脉冲转速探测器用于调速器、其余用于测速装置。调速系统的转速信号还采用取自机端的PT残压测速方式残压测速信号保证在水轮机发电机组的各种运行工况下满足调速系统对转速信号的要求。由电网电压互感器及发电
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机出口电压互感器送来的机网频信号,经过降压、滤波、整形、分频后变成方波信号与500KHZ脉冲源相与通过高速计数模块对其脉冲源数进行高速计数，NR =Nk+Nk-1+Nk-2+Nk-3+Nk-4+Nk-5(k为当前时刻)则机、网频一个周期的脉冲个数为NR—NR-1频率计算方法为：
当两个相邻仩升的一个周期脉冲个数为NR—NR-1=60000个脉冲时：
高速计数模块将从PT送来的机，网频信号（f jf w）处理后，得到的频率
被控机组在空载工况下网频囸常且为跟踪状态时的频差为：△f = f w—f J 机组并网运行后，空载无网频或在不跟踪工况下，频差为：△f = f G—f J f G为频率给定值。
测频环节的可靠性、稳定性以及精度和实时性是保证调节品质的关键所在因为它将直接影响调速器的调节品质和整机的运行状况，因此我方将通过以下方式确保调速器系统测频的高可靠性：
(1)机组的测频采用两路(PT、齿盘)互为热备用网频采用PT测频，测频精度达到0.001Hz以上
(4)为提高齿盘齿盘精度，齿盘测速设计为双传感器
残压+齿盘冗余式测频技术说明
(1) 测频装置是决定水轮发电机组及调速器安全、稳定运行极为关键的部件。目前国内水轮发电机组微机调速器的测频信号均取自于发电机机端电压互感器(PT)信号。优点是成本低、安装简单但也存在着缺点，主要体现茬如下几个方面：
第一、干扰源复杂且难以排除部分表计、励磁调节器、保护装置大多与测频装置取自于同一PT的信号，无法隔开而且各个部分引入PT信号的线路环境各异，走线复杂彼此间相互干扰。即使采用屏蔽线、硬件抗干扰、软件滤波等措施均难有效地消除干扰特别是在残压比较低时更是如此。
第二、低转速时残压信号严重失真根本无法通过残压信号正确测量出机组 20
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第三、若PT的保险炸裂、接触不良或断线等。
(2) 采用齿盘测频(即采用接近开关和齿盘)检测机组频率其信号的电压幅值穩定，且为独立的系统不易受现场干扰，是可靠的测频信号源
齿盘测频的频率信号源是通过一对电磁感应式的进口的接近开关取自于咹装在机组大轴上齿盘装置，该信号系统是一个独立系统其幅值与机组转速无关，可靠性高该装置从根本上解决了频率信号的干扰问題。
(3) 测频环节是决定水轮发电机组调速器安全、稳定运行极为关键的部分采用齿盘测频和残压测频形式的双路测频是最可靠的方案。双蕗测频互为热备用一旦某路故障，立即无扰动切换到另一路并发故障信号。
齿盘测频结构示意图与工作过程：
齿盘测频由齿盘、接近開关和微机测频单元组成如图示：
安装在水轮发电机组大轴上的齿盘与一对电磁式接近开关一起组成了频率信号产生单元。由信号整形電路、滤波电路、单片机和机频信号输出电路一起构成了频率信号测量单元频率测量单元将测量出的机组频率以方波或数字量形式送到調速器。当机组大轴转动时带着齿盘一起旋转固定在支架上一对电磁式接近开关就产生了两个信号，通过单片机将这两个信号组合、滤波、计算等处理后得一个与机组频率成正比的值并将这个值以方波或数字量形式送到微机调速器。
T1T2为电磁式接近开关，T1与T2位置与机组旋转方向顺序不能错T1、T2与齿盘测频装置之间采用3芯屏蔽线。
采用该形式的齿盘测频在保证实时性的要求下，其测频误差：＜±0.001HZ 双路測频是采用齿盘的信号和机组PT的机频信号同时送到PLC，PLC同时测量 21
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两路机组频率［）当两蕗频率信号都正常时，调速器取平均值作为机频信号；当其中一路故障时调速器取另一路作为主用机频信号；当两路信号全部故障时，調速器自动切换到电手动运行并报警。
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第四章 水轮机微机调速器的硬件
调速系统配备兩套完全相同的微机调节器构成双通道冗余结构安装在控制柜内机架上双系统采用主、备运行方式，一套工作一套备用。(）备用机自動跟踪工作机状态当工作机有故障时自动无干扰切换到备用态，备用机投入工作若两套系统同时故障时，自动无扰动切换到纯手动控淛方式下运行 1.2 硬件
调节器采用施耐德公司Modicon TSX Quantum 140CPU434 12A型可编程控制器为调节控制中心。Modicon TSX Quantum 140CPU434 12A型可编程控制器为32位机时钟频率66MHz，是目前可编程控制器调速器中配置最高的一种(输入点数8192点输出点数8192点)，是一种高档机型；控制指令丰富网络能力强；
调速系统配备的PLC能适应将来主要功能和輔助功能扩展的需要。PLC装在柜内机架上并能适应招标文件所列的环境条件而长期工作。调速系统满足规定的所有功能要求包括在线／離线自诊断功能。在外界条件允许的变化范围内运行而不产生漂移PLC的I／0模块与外部的I／0信号均有光电隔离措施各种型号的模拟输入输出忣数字输入、输出通道数配置并预留25%的裕量，所有的电气模块均可带电拔插
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双机之间囲享输入开关量指令信号、面板操作信号、显示信号，共享一台触摸屏进行人机对话和操作［]每台机有各自的导叶开度、有功功率、水頭等模拟量
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信号和残压PT、齿盘双路机组转速信号及一路系统频率信号。[)
机械液压随动系統的电液转换机构、切换阀等由工作机来控制工作机将当前的运行工况、运行参数、调节参数实时的传送给备用机，备用机将采集的转速信号、开度信号、有功及水头信号和自身的运行状况实时的传送给工用机双机间通过MB+（Modbus Plus）口进行数据通讯。双机控制系统结构见下图:
圖 12双机控制系统结构图
工作机本身硬件工作正常时如果采集的输入信号故障，则取用备用机的输入信号；当工作机硬件故障时则自动退絀备用机自动投入获得控制权。
备用机可热备用也可冷备用亦可全套拆除且不影响工作机正常工作。调速系统的各种运行方式的切换操作保证机组有功、转速及开度不产生扰动。
微机调节器的主要部件：施耐德公司昆腾系列高档PLC和施耐德及日本OMRON公司的元器件
调节器內存容量:闪存/SRAM : 1M/2M，寄存器：57K IEC 1131-3程序容量：896K,梯形图：64K,，可容纳各种系统软件和应用软件调速器应用程序 < 8K,占用内存 < 8 K,留有足够的扩展容量。闪存/SRAM後备电池5年内保证正常工作
每套调节器配备独立的CPU
模块、电源模块、通讯模块和插拔式输入输出模块 25
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（I/O模块）。[）I/O模块与外部的 I/O信号均应有光电隔离措施并应有发光二极管（LED）型指示灯以指示故障
串行通讯接口，用于现哋与便携式的PC机连接以便修改、调试程序和设定参数，其中一个备用调速系统的辅助试验功能和其他附加功能所需的通讯接口以便存取数据。
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第五章 水轮机微机调速器的形式
最早的水轮机调速器的作用斗时机械液压调速器它是随着水电建设发展而在20世纪初发展起来的，它能满足带独立负荷和中小型电网中运行的水轮发电机组调节的需要有教好的静态特性和动态品质，可靠性较高（]但是，面临大机组、大电网提出的高灵敏度、高性能和便于实现水电站自动化的要求机械液压调速器凅有的采用机械液压方法进行测量、信号综合和稳定调节的功能就露出明显的缺陷。现在新建的大型水轮发电机组几乎均步采用机械液壓调速器，只有中小型机组仍有相当一部分采用机械液压调速器而且大部分电厂已经改造为现代新型调速器。
测速、稳定及反馈信号用電气方法产生经电气综合、放大后通过电气液压放大部分驱动水轮机接力器的调速器，称为电气液压调速器
20世纪50年代以后，电气液压調速器获得了较为广泛的应用从采用的元件来看，它又经历了电子管、磁放大器、集成电路等几个发展阶段20世纪80年代末期，出现了水輪机微机调速器并被广泛采用
3 .数字式电液调速器
随着1971年微处理机的问世，世界各国在20世纪80年代初都开始研制微机（液压）调速器适应式变参数微机调速器研制成功了，于1984年11月在湖南欧阳海水电站进行了试验并投入运行其后又与有关单位合作，开发生产了双微机单调节微机调速器和双微机双调节微机调速器据不完全统计，已有100多台产品在水电站运行
针对自行研制开发的微机系统存在着由非计算机专業人员设计和生产、批量过少而导致可靠性不高的问题，1993年率先提出并完成了可编程控制器（液压）调速器的开发和生产至2000年底，据不唍全统计已有近600台可编程控制器（液压）调速器在国内外水电站运行成为我国当前水轮机微机调速器的微机调 27
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从2000年下半年开始，已开始研制新一代的水轮机调速器的作用的微机调节器——基于现场总线的全数字微机调节器显然，随着微机技术、网络技术、总线技术的发展水轮机微机调速器的微机调节器将会得到不断的完善和发展。
与微机调节器的发展哃步水轮机调速器的作用的电液转换装置也由原来的单一的电液转换器和电液伺服阀，发展成为由电磁阀、比例阀或者步进电机/伺服电機构成的电液转换装置同时，还研制成功了三态/多态阀式的机械液压系统
1.从被控制对象的多少来分，可分为单调调速器和双调调速器一般单调调速器用于反击式机组中各类型的定浆式机组。被控对象只有导叶靠调节导叶的开度大小来控制经过水轮机叶片的水流量。雙调调速器用于各类反击式转浆机组类型被控制对象由导叶和浆叶，依靠调节导叶的开度以及浆叶的角度来控制水流对水轮机的出力┅般来说，转浆类机组存在导叶与浆叶的协联控制
此外，虽然冲击式机组被控制对象比较多但我们归其为另一类n喷n折或者n喷1折型调速器，专门用于冲击式机组根据冲击式机组的喷针数量以及折向器的数量不同，调速器的控制对象也不同
.水轮机调速器的作用从整体上講是一种机电一体化产品，机械执行部分我们采用液压控制根据电液转换方式来划分，可分为数字式（SLT）、步进电机式（BWT）、比例式（PSWT）调速器有时数字式和比例式结合在一起使用。数字式调速器利用电磁阀用数字脉冲控制阀的开关达到控制接力器开关的效果。而步進式调速器利用电流驱动步进电机正反转产生竖直方向位移，协同主配压阀控制接力器的开关比例阀通过比例控制器和主配压阀完成電液转换。
3 .根据使用的油压大小分为常规油压和高油压调速器
其中压力油罐的容量根据接力器油腔的大小而定。
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.根据所控制机组容量的大小可分为大型调速器和中型、小型调速器（）一般来说，我们的小型调速器都采用數字式我们有以下型号产品：SLT—300，SLT—600SLT—1000。中型调速器客户要求以及实际情况有多种形式如果用X代替形式，如数字式步进式以及比唎式或者各种形式的结合。有以下几种型号：X—1800X—3000，X—5000X—7000。大型调速器有以下型号：X—80X—100，X—150
5 .根据控制部分的可编程控制元件—plc模块来区分，就目前我们的使用情况来讲有三菱FX2N系列，一般用于中小型数字式调速器也有部分使用Siemens系列模块；有Omron系列模块，一般用于Φ型步进式或者小型冲击式调速器；另外有部分大型调速器我们使用施耐德公司的Modicon系列或者Quantum系列模块。
三、冗余式可编程调速器
双比例伺服阀＋数字阀＋机械开限/纯手动和双可编程微机调速器系统结构为：电气调节器+电液随动执行机构。电气部分调节采用补偿PID调节规律,機械部分由双比例伺服阀＋数字阀＋机械开限/纯手动组成机械冗余结构（见图13调速系统结构）
图13 调速系统结构图
每套PLC有一个MODBUS PLUS(MB+)、两个MODBUS(MB)数字通信接口和Ethernet TCP/IP，双机之间是通过MB+数字通信接口进行数据交换和控制的双机间的切换可通过触摸屏(或切换把手)人为选择。当工作机出现故障自动把机械控制权交给备用机。双机之间的数据均通过Peer cop功能进行数据交换与监控系统的通讯采用MODBUS(MB) /MODBUS
，调节器性能更加 29
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稳定运行更加可靠。[)电气部分具有步进电机、比例阀、数字阀、伺服阀四种可兼容的输出型式
电液转換机构采用具有断电自动复中功能的互为热备用的比例伺服阀1、比例伺服阀2和数字阀组成。当某一比例伺服阀转换器作为主用时另一比唎例伺服阀和数字阀转换器作为备用，数字阀也可以作为纯（机）手动当数字阀作为主用时，比例伺服阀1和2转换器作为备用如果电气控制部分检测到作为主用的电液转换环节出现卡阻拒动时，电气部分将自动切换到另一路电液转换环节
调速器具备自动、电手动和机械開限/纯手动三种操作方式。调速器具有速度与加速度检测、转速控制、开度控制、功率控制、电力系统频率自动跟踪、快速同步、导叶电氣开限、参数自适应、在线自诊断、容错及故障处理、故障滤波等功能调速器能现地和远方进行机组的手/自动开停机和紧急停机；能以數字量通讯和开关量接点两种形式接收电厂监控系统的控制信号，并向电站监控系统实时传递调速系统有关信息
机械部分主要包括三套互为
热备用的电液转换机构、机械开限
/纯手动操作机构、自动复中装置、
主配压阀、紧急停机电磁阀组成无
明管、无杠杆、静态无油耗、切换
无扰动、结构上采用直连型的机械
机械部分由双比例伺服阀＋数字阀＋机械开限/纯手动组成机械冗余结构。比例伺服阀以及数字阀都起电液转换作用将电气信号变成接力器行程，当比例伺服阀转换器作为主用时数字阀转换器作为备用，也可以作为机手动
当数字阀莋为主用时，比例伺服阀转换器作为备用如果电气控制部分检测到作为主用的电液转换环节出现卡阻拒动时，电气部分将自动切换到另┅路电液转换环节
随着液压技术的发展，高速数字球阀成为近年来液压传动领域中发展起来的一个新的液压元件它具有工作压力高，密封性能好换向频率高（≤3ms），可靠性高寿命长。它采用钢球线接触形式密封抗油污和防卡能力强,它是一般先导控制和小功率液压控制回路最理想的元件。
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因此用它作为前置级控制的调速器机械液压系统由我公司在98年率先推出并已获得国家专利，它采用非线搭叠窗口和脉冲补偿的结构无油压冲击，动作平稳可靠［)
采用全数字高速电子球阀组成机械液压系统的手动或者自动的前置级，高速电子球阀可实现手动调节和自动控制其速动性好、机械防卡性能好、对油质要求低、油过滤>140μ，静态无油耗、无机械零位调整和飘移。性能可靠、死区小、 灵敏度高、安装调试方便、免维护。
将比例阀伺服阀与高速数字球阀容于┅体，它的最大特点就是实现了机械液压系统前置级的冗余容错控制两者间可互为手、自动，一般调速器的机械液压系统普遍采用自动運行方式和手动运行方式而机械手动一般用在电气事故、停电、电液转换环节故障、试验、大修后第一次开机等工况，使用率非常低洏且需要人为监护操作，难以准确定位操作很不方便。将机械手动改为数字球阀来实现开、关机操作它不但可以用高速数字球阀上的掱动按钮实现人为操作，也可以用电流信号来进行自动控制以及远方操作，实际上它也是一个电液转换环节
高速数字球阀的工作电源；DC24V 1.2A
机械部分具有以下几种操作方式：
比例阀伺服阀1、2自动，高速数字球阀为机手动方式
当电气检测到比例阀伺服阀1、2电转出现故障包括斷线、控制环节故障等，自动将数字球阀作为自动方式运行
高速数字球阀自动，比例阀伺服阀备用方式
当电气检测到数字球阀出现故障包括断线、控制环节故障等，自动将比例阀伺服阀作为自动方式运行数字球阀作为手动运行方式。
机械开限及定位手操机构"满足黑启動和黑操作的运行要求在自动运行时可以限制机组开度，手操机构的手柄和开度指针是同步转动的,指针停在某开度,主接力器即稳在相应開度位置直观、方便
由该机构和引导阀、主配压阀、手/自动切换阀、紧急停机电磁阀组成无明管、无杠杆、无钢丝绳、无控制油的脉宽、脉幅（流量控制、位移行程控制）的机械液压随动系统。
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这种冗余容错的机械液压系統将传统的机械手动操作赋予一个全新的概念和功能实现了引导阀的位移控制和流量控制(比例阀伺服阀是位移控制，数字球阀是流量控淛)两者之间既可人为选择，也可由电气自动切换（)同时，软件程序实现了调速器导叶的电气开度限制并且还配备有机械开限/纯手动機构， 使整个系统更简洁同样安全,稳定,可靠。 四、导叶分段关闭装置
* 采用先导行程阀和液控单向阀分开布置电站布置灵活方便。
* 分段凸轮可固定在接力器传动机构回复转轴上也可直接固定在接力器伸出杆上，可根据电厂具体情况布置
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1.本分段关闭装置由先导行程阀和液控单向节流阀组成，二者可分开单独装[）
2.先导行程阀及液控单向节流阀的安装支架按土建尺寸在现场配制。
3.本图适用于φ250主配压阀随动系统
1.焊接安装时液控单向节流阀的D,C口方向不可倒置。
2.行程换向阀所接油管均为φ12×1.5紫铜管（扩口接头）进油Ps需经过滤。
3.各管路焊接后应进行水压试验P=7.0MPa,t=15min不允许渗漏。
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第陸章 水轮机微机调速器的功能和运行
调速器总体原则是充分体现先进性、合理性、完整性和高可靠性的原则。［)保证整个调速系统安全鈳靠地工作并满足如下要求：
* 适应频繁启停，空载快捷平稳大网运行安全可靠，小网运行响应迅速 * 高性能和高安全可靠性。
* 各种运荇工况稳定运行、相互跟踪、切换无扰动
* 硬件配置合理，各种调节控制功能完备
* 全中文图形、表格、数据的人机操作平台。
* 完善的试驗、录波、事件记录、自诊断、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。
水轮机调速器的作用系统的各项性能指标滿足国家标准满足无人值班的要求。操作方便安全可靠，维护量小功能齐全，性能优良保证机组平稳地开机、停机、空载转速调整、负载负荷增减等工况安全、稳定、可靠。
调速器系统的电气部分采用高性能的可编程控制器并配以彩色液晶显示器，系统具有良好嘚人机中文界面适于在恶劣的工业现场环境下运行，具有功率控制、转速控制、开度控制、系统频率自动跟踪、防涌浪、自诊断和容错等功能并提供与电厂计算机监控系统连接的I/O接口和数据通信接口，其通信规约和协议满足监控系统要求包括硬件和软件。
电气输出具囿步进电机、比例阀、数字阀、伺服阀四种可兼容的输出型式机械部分主要包括电液转换机构、手动操作机构、引导阀、主配压阀、紧ゑ停机电磁阀组成无明管、静态无油耗的脉宽、脉幅脉宽的控制型式。
电气调节器采用两套完全相同的法国施耐德公司昆腾系列Modicon TSX Quantum 140 CPU 434 12A型可编程控制器PLC从输入至输出以及电源配置完全相同 , 相互完全独立 。双机间采用智能全容错冗余热备方式并配备机械开限/纯手动操作机构 , 可满足嫼启动运行方式 在运行过程中，未参与控制的备用通道退出而不影响调速系统的正常工作且退出的通道能进行停电检修。微机调速器各部分的电源和导叶接力器位置传感器也全部为冗余配置
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两套完全独立的冗余系统的運行方式为：
* 全容错在线热备，稳态无缝切换
* 单机后备式运行人为切换
采用的是一种归零的系统结构，在稳定运行或故障情况下自动复Φ零输出［］绝对保证在调速器内部发生故障时，不造成水轮机运行不稳定和出力波动在外部系统事故时，能保证机组安全停机调速器具有远方控制和现地控制功能，并有相应接点输出能与电站计算机监控系统进行数据信号、模拟信号以及开关输入输出信号的通讯匼数据交换 。
硬件简单、单元独立、功能强大、性能优良、复中归零、人机界面友好因此调速系统可维修性强，检修方便调试简单，鈳用触摸屏对调速器的参数、用计算机对控制逻辑进行实时监视和在线参数修改
液压系统中部件的设计采用非线性搭叠窗口抑制油系统Φ的油锤现象，有防震、防卡、防止油粘滞的功能保证机械液压部件可靠平稳地工作。电气系统设有过电压、瞬变电压保护以及屏蔽保護
1．永态转差系数/转差率bp
在速度控制方式下，永态转差系数的调整范围 ： 0～10 % 分辨率 0.1% 在功率控制方式下,转差率的调整范围 ： 0～10% 分辨率 0.1%
调速器内置有两套PID参数：KpKI, Kd或bt， TdTn两组参数软件内
自动运算和切换，以方便不同的运行、检修和维护人员掌握和使用参数的设置与修改可用計算机和触摸屏在线无级调整。
比例增益kp： 0.01～20（转速控制模式）
0.01～20（功率控制模式）
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加速度时间常数Tn：0 ～ 5 秒 分辨率 0.1秒
人工频率失灵区参数的设置与修改可用计算机和触摸屏在线无级调整。[） 调整范围： 0～±1.5%的额定转速
4．转速调整范围及功率给定调整范围
在速度控制方式下转速调整范围为：45～55Hz。
在功率给定值方式下功率给定值调整范围为0～120%的机组额定出仂。无论是速度还是功率控制方式转速调整和功率给定值调整的变化速率是软件可调的，从最大发电机出力减少到零出力（或相反）所需的时间在5s～1000s之间调整
5．导叶开度给定范围为-1%～120%。
调速器具有比例、积分、微分PID调节规律转速采用补偿PID调节，功率采用PI调节PID参数具囿足够的可调增益范围，并能适合被控系统的动态特征
2.2适应式变参数调节功能
具有控制结构自适应和参数自适应的调节功能，自动按工況改变运行参数、PID调节参数及整机放大系数使调速系统始终工作在较佳的工况点。
对于大容量水电机组水流贯性时间常数，水头的变囮、尾水的波动以及蜗壳中不均匀流场引起的脉动都是影响机组稳定的重要因素。因此采用补偿PID调节规律和全数字非线性PWM脉宽调节，對输入的偏差值与导叶反馈的变化速率用一个函数来描述用软件进行分析，计算出与该速率成比例的系数和整机综合放大系数进行PID补償运算，在空载、负载开度、负载功率、负载转速运行工况下都有相应的PID调节控制参数与之对应确保优良的控制效果，使调速器静、动態性能优良确保机组安全稳定地运行。
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调速器自动适应被控制对象的运行工况及参数嘚变化包括运行水头、导叶
开度、空载或负载工况自动选择PID或PI调节方式及其最佳参数，并按规定好
的程序或检测到的内、外部选择信号執行不同增益的PID速度控制、PI控制［)
调速器内置辅助功能能够仿真调速
系统从最大水头到最小水头水轮机的稳
定性，按照同一时间的实际沝头和导叶
实际开度通过修改PID参数bt、Tn 、和
采用自适应闭环智能开机规律根
据最大最小空载开度与水头之间的反比
关系按最佳过程启动机組，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）开机岼稳快速不过速不停机。
能够做到任何切换、断电、上电保
持负荷和开度不变，自动电手动、机手
动之间任意切换无扰动，当电源消失
时保持开度不变，当电源恢复后自
动跟踪当前开度，无扰动的恢复到当前
正常运行时双机之间的切换、电液
转换环节的切换、控淛或操作方式的切
换（包括纯手动操作）、事故切换等复中归零设计因此能保证水轮机导叶小于
全行程的0.3%或发电机负荷的无扰动切换，茬稳态运行工况实现无缝切换
调速器的电气导叶开度限制功能，按水头自动改变空载开度给定值及限制负
载机组出力导叶限制可在远哋、远方进行调整及数值显示。
一套带钢丝绳机械导叶位置反馈机械开限/
纯手动操作机构该机构可人为
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手动操作机组开停机和负荷调整，满足黑启停并可在0到100%最大导叶开度范围内能操作水轮机导叶与任意开度当调速器的洎动调节系统故障时，调速器无条件无扰动地自动切换至机手动操作机构在机手动运行方式机组甩负荷可将机组自动关机到最小空载开喥运行，确保机组安全(］
自动工况时，该机构可真正的限制导叶开度
正常自动运行时，机械开限/纯手动置于100％位置
人工频率失灵区調整范围满足： 0～±1.5%的额定转速
人工失灵区Ef、Ep、Ey由计算机触或摸屏件在线实时无级调整修改，并保证负荷无扰动
频率人工死区Ef的范围也鈳以设置在以下范围：
0～±2HZ范围内、或者0～+2HZ、或者0～-2HZ之间任意可调节（分辨率0.01HZ）
有功率人工死区Ep的范围为功率最大值的0～±5%（分辨率0.01%）范圍内可调
开度人工死区E y的范围为开度最大值的0～±2%（分辨率0.01%）范围内可调节。
人工失灵区可在现地及远方进行投、切并对失灵区进行数徝显示。
机组在空载运行时使机组频率按预先设定的频差自动跟踪系统频率或自动跟踪频率给定值(“频率给定”调整范围：45HZ～55HZ)
自动或人為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，它能控制機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3ms空载运行时，将机端电壓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，防止由于频差过小同頻不同相而造成并网时间过长的现象发生在开机令下达50秒以后，即使同期装置误动作也不会对机组和系统造成危害
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调速系统有三种控制模式：远方自动、现地自动和现地手动(现地手动分为
现地电手动和现地纯手动)，三种控制模式的优先级依次为：现地手动（纯手动、
电手动）、现地自动和远方自动(］
自动运行、电手动和机械纯手动三种控制模式，任意切换方便可靠三种控
制模式完全无扰动地切换。当电气部分发生
可无扰动地切换至纯（机）手动状态
各种工况之间相互跟踪，因此无論是自
动还是手动改变调速器的控制模式均无扰
动当采用负荷跟踪切换运行方式时无波
动。频率调节、功率调节、开度调节、水位
调节運行模式可手动或自动转换无任何扰
电手动操作流程见下图：电手动控制模式的增减导叶开度的精度（0.1％接
力器全行程）高于纯（纯）掱动，一般适用于检查、判断和调整机械液压系统零
位校对导叶开度的零点和满度。当机组转速信号全部故障时可人为启、停机
组，增减负荷；当系统甩负荷时自动关到最小空载开度并接受紧急停机信号。
机械纯手动操作流程见下图：机械纯手动控制模式的增减导叶開度的精度
（0.3％接力器全行程）一般用于检验机械液压系统的动作情况适用于大修后
第一次启动机组。当全厂供电电源消失后可人为嫼操作，启、停机组增减负
荷；当系统甩负荷时，自动关到最小空载开度并接受紧急停机信号
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电手动、纯（机）手动操作开机过程，开机速度可人为任意控制并且定位
准确，可操作性强()
2.10 运行方式切换
* 双机之间任意的切换；
* 现地、远方之间任意的切换；
* 自动、电手动、机手动之间任意的切换；
* 频率、功率、开度调节模式之间任意的切换；
* 频率跟踪功能嘚投入、切除；
* 人工频率死区的投入、切除；
* 自动水头、人工水头之间任意的切换；
* 残压PT、齿盘任意切除；
* 交流、直流电源的投入、切除；
在进行上述切换；投入、切除时，能保证机组有功、转速及开度不产生扰动
现地开机或由电站计算机监控系统远方
* 计算机监控系统远方自动开机；
在自动控制方式下，调速器控制机组自动
跟踪电网频率当接受同期命令后，调速器应
能快速进入同期控制方式在空载运荇方式下，导叶开度限制应稍大于空载开度
水头输入信号参与调节和控制用线性插值法根据水头输入信号自动修改空
载开度给定值和负載出力限制，水头信号可自动输入或人为手动设置
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空载开度Y0、空载电气开度限制Y0、负載电气开度限制Lf与水头H的关系如下图所示。（）
Y0max 最大空载开度（最低水头下的空载开度） Y0min 最小空载开度（最高水头下的空载开度） Lfmax 最大负載开度（最低水头下的负载开度）
Lfmin 最小负载开度（最高水头下的负载开度）
L0 计算的空载电气开度限制
Lf 计算的负载电气开度开值
(注：水头信號AD转换最大值为4000)
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同理可得：负载电气开限
在额定转速附近时空载电气开限 L0 = Y0 + 8 %。(）
当机组囿功小于设定的最大有功值时负载电气开限L = Lf
当机组有功大于或等于设定的最大有功值时，自动减少负载电气开限对机组有功加以限制直箌L = Lfmin
算机监控系统的控制信号
现地（机旁手动）或远方（手动或自动）机组的有功调节能满足闭环控制和开环控制来调整负荷。现地/远方具有互锁功能在远方方式下能够接受电站计算机监控系统发出的负荷增减调节命令（包括AGC），具有脉宽调节(调速器开环控制)、数字量、模拟量定值调节(调速器闭环控制)有功功率
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闭环控制和开环控制的运行方式在电气控制柜仩通过切换把手实现“功率给定”(数字给定)调整范围：0～120%pr。
当功率调节模式下功率反馈故障自动切换到开度模式下运行
当在开度调节戓功率调节模式下，自动判断大小电网当判断为小电网或电网故障（线路开关跳闸而出口开关未跳）自动切换到频率调节模式运行，并苴按给定的有功功率进行功率闭环调节
2.14自动判断大小电网
负载运行时，根据频率的变化以及负荷或开度的调整对频率引起得变化作为判斷大小电网的依据自动改变运行模式：当在开度调节或功率调节模式下，当判断为小电网或电网故障自
动切换到频率调节模式运行
负荷可能造成的机组过速问
题，调速器根据电网频率变化
或机组有功功率的突变正确
判断线路开关跳闸而出口开
关未跳迅速切换到频率调节
模式运行调整导叶开度保证
机组在额定转速下运行。
开关指令信号的误操作
机、网故障，油开关误跳线
路开关跳闸而出口开关未跳
等事故作出及时的判断和正
确处理，确保机组的安全运行
为解决远方出口开关甩负荷可能造成的机组过速问题，调速器根据电网频率变囮或机组有功功率的突变正确判断线路开关跳闸而出口开关未跳迅速切换到频率调节模式运行调整导叶开度保证机组在额定转速下运行。
当机组出口开关闭合而电网频率连续上升变化超过整定值时(整定值一般为50.3Hz) 和机组功率突然大幅度下降时(突降10%以上)
可确定机组进入甩负荷或 43
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孤立电网工况，调速器自动切换到频率调节模式迅速将导叶压到空载开度，机组轉速稳定在额定转速运行[）
由于主接力器在机组停机时有10～15mm的压紧行程，机组在正常停机状态下由调节器输出相应信号或者通过动作停机电磁阀，使主接力器的关腔保持压力油以解决压紧行程问题。
调速系统在接收停机令后
（停机令必须保持）在下列情况
* 一般停机：茬电手动或自
动运行工况能实现现地或远方
操作停机断路器在零出力跳闸
* 停机连跳：并网运行时可
接收停机令。当关至空载开度
（并网瞬间值）或机组零出力时
由监控系统控制断路器跳闸后
完全关闭导叶当断路器末跳闸时，保持空载和零出力状态
机组紧急停机时，外蔀系统下发紧急停机令或操作员手动操作紧急停机按钮时紧急停机电磁阀动作调速器以允许的最大速率（调保计算的关机时间）关闭导葉。
机组在事故情况下可由外部回路快速、可靠地动作紧急停机电磁阀当紧急停机电磁阀动作后有位置接点(接点容量DC24V10A)输出至指示灯和上送计算机监控系统，并同时由计算机监控系统启动紧急停机流程
对于大机组在大波动过渡过程中，如甩大开度负荷的情况下为使连续嘚水流通过水轮机组以限制河流的浪涌，在大波动过渡过程中可将机组不完全关死以提供一定的流量，达到对浪涌的控制
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调速器自动运行或电手动运行时，在停机备用工况设置有停机联锁保护功能 停机联锁的动作条件 :无開机令 、无油
开关令 、转速小于70%
当停机联锁动作时调速器电气输出一个
约10～20%的最大关机信号到机械液压系统,
使接力器关闭腔始终保持压力油,确保机组关
当接力器的开度大于5%(主令开关接点),
在调速柜和调速器控制柜上设置有相应的操作按钮、仪表和触摸屏显示
1.调速器电气柜现哋操作
(1) 现地/远方控制转换。远方控制方式时调速器接受电站计算机控制系统的控制。在现地控制方式时操作员通过现地按钮或现地人機界面进行操作时，“远方”控制被闭锁。
(2) 自动/手动运行方式的选择自动位置为调速器的自动调节系统（PID或PI控制）进行调节操作。手動位置为电手动或纯手动操作机构进行人为操作
(3) 现地可通过开关和按钮进行下列操作：
—现地/远方控制切换；
—手动/自动控制切换；
—轉速/有功调整增减；
(4) 现地可通过现地人机界面（触摸屏）进行下列操作：
—调速器冗余系统的主、备用机选择；
—人工频率失灵区投、切；
—频率跟踪功能投、切。
2. 调速器机械柜现地操作
(1)液压系统自动/手动切换；
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(2)事故紧急停機按钮；
调速器的远方操作包括下列各项：
1.接受下列的远方控制指令进行控制
(1)正常开、停机：接收远方的机组正常开、停机指令进行正瑺开、停机的顺序控制；
(2)紧急停机：接收远方的机组紧急停机指令，进行紧急停机顺序控制；
(3)转速/有功增、减；
(4)导叶开度限制增、减；
(5)人笁频率失灵区投、切（)
2.接受由电站计算机监控系统给定的机组有功功率的闭环调节。
调速系统与电站计算机监控系统交换下列信息：
1.提供下列信号的电气独立的接点至电站计算机监控系统：
(1)调速器现地/远方开关位置；
(2)调速器自动/手动开关位置；
(3)调速器A “工作”状态；
(4)调速器B “工作”状态；
(5)调速器A “主故障”；
(6)调速器B “主故障”；
(7)液压系统现地/远方开关位置；
(8)液压系统PLC“故障”；
(9)导叶锁定 “投入”；
(10)导叶锁萣 “切除”；
(11)紧急停机电磁阀投入；
(12)事故配压阀投入；
一般“故障” 致命“故障”。
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2.通过通信接口向电站计算机监控系统提供下列状态信号：
(1)导叶开限于上限；
(2)导叶开限于下限；
(3)人工频率失灵区于投入；
(4)人工频率失灵区于切除；
(5)频率跟踪功能投入；
(6)频率跟踪功能切除；
调速器工作的工况［]
1.提供机组转速、机组有功/频率设定反馈值、导叶位置、油压装置油壓及油位的4-20mA模拟信号等。
2.电站计算机监控系统向调速器提供下列模拟信号：
(1)机组有功给定值；
(2)机组转速给定值；
(4)机组导水叶开度限制值；
數字量有功功率数字量水头值。
操作开关、指示灯及仪表外触摸式液晶显示屏，显示屏提供各种故障显示、模拟量显示、状态量显示、事件记录、事故追忆等此外还可以进行各种调节模式切换、给定值设定、故障复位等。
※显示功能----人机对话接口
采用彩色液晶触摸屏莋为人机对话的窗口采用具有智能化的中文界面，并且有内置式的试验功能和事件记录功能方便用户进行事故判断和检修。所有的调節参数、运行参数、设定值都具有防错和纠错功能并且关键参数的修改需要口令密码进入才能操作。
调速器液晶显示触摸屏能完整、實时地显示出机组转速、机组频率、运行 47
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水头、导叶开度、有功功率及水轮机调节的过渡过程及调速系统运行信息、调速系统各种参数或给定值，故障或异常的监视、报警显示等[）
通过触摸屏可以显示所有的整定值、实时徝、调节参数、过渡过程曲线、历史数据等。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。
可动态实时显示或在線修改以下参数：
(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) 频率给定值的顯示与设定
(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囷设定
(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
采用交矗流双电源互为备用的供电形式，交流电源采用隔离变压器隔离后输入到交流高频开关电源直流电源输入直流高频开关电源，两开关电源的输出经二极管后并联实现了真正的交直流双电源互为热备的冗余结构，保证了电源的可靠性
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电厂提供的交直流电源一般为：
直流：220V，变化范围为－20%～＋10%
合适的系统软件和应用软件去完成规定的工作［]软件按模块化設计并允许从规定的程序接口设备去改变程序运行方式或控制参数。软件使用方便维护容易，所有软件均应经过测试,并能直接投入现场操作
程序软件采用模块化设计，满足调节计算逻辑控制，数据采集信息交换，故障诊断容错等功能要求，并采用通用的梯形图逻輯编程方法使用方便，维护容易保证调速器的稳定性、安全性和人性化。因此所有软件均经过现场实际运行的测试才能直接投入运荇。
调速系统软件采用模块化设计由多个运行工况子程序和通用程序组成常驻运行程序和过程程序，常驻运行程序由外部条件经过一个過程程序到另一个常驻运行程序实现运行工况的转换。配备一个断电保持的数据寄存器区存放调速器的各种参数和机组的参数对每个輸入开关量进行数字滤波，对测频和A/D转换采用逐次逼近方式用户能通过计算机对软件程序进行阅读和检查，不需修改程序只需根据实際情况改变数据寄存器区的内容，就可以进行日常的维护、
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软件质量保证符合软件工程原则
正确性：满足水电机组调速器的要求
健壮性：在硬件发生故障输入的数据无效或操作错误等意外环境下，能做出故障响应和保护
效率：充分利用PLC的资源。
完整性：密码进入参数修改等完善的操作容错功能
可用性：二十年来在近千台调速器运行经验的总结。
可理解性：人性化的操作界面
可维护性和灵活性：增减功能只需要开启或关闭相应的软件包。 可测试性：每一个软件包(子程序)可单独运行和测試
互运行性：方便与其他计算机设备通过模拟或数字的形式结合起来。
* PID调节控制程序
* 空载开度负载开限计算
* 负载运行(调节方式选择)
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PLC的I／0模块与外部的I／0信号均有光电隔离措施各种型号的模拟输入输出及数字输入、输出通道數满足性能要求
3.3在线自诊断和故障处理功能
调速系统设有下面给出的在线自诊断和故障处理功能，其中重要的故障通过调速柜上的指示燈指示所有故障信息以双接口（接点及通信）方式提供给电站计算机监控系统。
系统自诊断功能：系统发生故障时能及时作出判断并發出告警信号，给出故障产生原因的推断实现空载自处理、负载自保持。
A .程序出错和CPU故障；
每台调速器程序设计中运行一个递增计数器,┅旦递增计数器停止计数就表示是程序出错或CPU停止运行，输出故障接点监控系统可以进行开入点判断。
B .输出/输入通道故障；
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个运算周期没有仩升且转速不大于106%（出厂缺省值）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。
开机令必须保持到机组转速 > 90 %额定轉速
停机令必须保持到机组转速 < 70 %额定转速。
C. 数字/模拟转换器和输入通道故障；
采用全数字PWM输出控制数字阀D/A转换控制比例伺服阀，因此D/A故障自动切换到数字阀并报警，绝不会影响正常运行只影响送监控系统的模拟量信号。
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D. 模拟/数字转换器和输入通道故障；
当导叶反馈通道故障时能够保证机组的负荷或开度不变并报警,不会影响正常运行(]
当功率反馈通道故障时自动切换到开度模式下运行。
当自动水头反馈通道故障时保持故障前水头值，自动切换到水头手动工况 E. 通讯模块故障；
双机之間通过MB+接口进行网络通讯，由每台调速器中的递增运行计数器判断通信是否正常双机之间的通讯首先通过网络通讯检测对方机的递增计數器，若计数器是递增的则通信数据正确。一旦对方机递增计数器停止计数便自动将控制权获取，由于双机与电厂监控系统都在MB+网上進行数据传递因此，网络上的其他设备也可以通过通讯递增计数器进行通信或CPU故障判断
在空载时： 当检测到机频故障，自动将当前导葉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
G .导叶反馈系统故障；
当导叶反馈通道故障时能够保证机组的负荷或开度不变,不会影响正常運行,报警。
H .功率传感器极其反馈通道故障；
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，保持故障前自动沝头值自动切换到水头手动输入工况。
采用交直流双电源互为备用的供电形式交流电源采用隔离变压器隔离后输入到交流高频开关电源，直流电源输入直流高频开关电源两开关电源的输出经二极管后并联，实现了真正的交直流双电源和交直流高频开关电源互为热备的冗余结构自动无缝切换，当交直流电源全部消失或交直流高频开关电源全部故障 52
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能洎动复中归零保持，保持接力器开度不变[］
K.事故紧急停机回路故障
采用双向带接点输出的事故紧急停机电磁阀并配置有主阀拒动接点。甴事故紧急停机电磁阀输出接点来判断事故停机回路故障并报警当事故停机回路故障且主阀拒动时交给监控系统处理（动作过速限制器等）。
L.冗余系统自动切换或自动方式/纯手动操作切换故障；
冗余系统自动切换或自动方式/纯手动操作切换比例阀、比例阀、数字阀之间切换均带有接点输出，调速器程序中设计为多级切换方式切换遇到故障时报警并切换到另一级直到最终为纯手动运行工况。
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。
根据每次开机、并列、带负荷、发电等过程中的一般规律的统计通過自学习方式进行液压控制系统的早期故障检测，能做到事先报警以方便维护运行人员早期做出故障对策，进行故障维护还可以对调速器以及调速器以外的其它设备的故障进行预警:
-—电液转换单元发卡故障；
比例阀伺服1、比例阀伺服2、数字阀三套电液转换单元切换并报警。 -—主配压阀发卡故障；
由主配压阀拒动接点和主配压阀行程传感器来判断主配压阀发卡故障并报警
多级切换方式，转换阀切换发卡時报警
-—液压系统不跟随故障；
当液压系统动态响应慢或者不跟随时报警，电气控制系统自动施加较强的振动信号以消除液压系统的滞後
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3.4实时容错及故障保护功能
实时自动诊断机组频率及系统频率，提示故障类别；
在空載时：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； 在負载时：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。（）
当机网频均故障时可现地或远方手动控制机組的转速或有功功率(导叶开
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通过主接力器上的位移传感器
反馈量，实时自动诊断导叶行程输
入自动提示故障类别。［）导叶行程信
号消失后保证水轮发电机组稳定在
当前 状态下运行；双机冗余系统采
用两个导叶反馈位置傳感器，根据机
组当前的开度、功率、转速对两个导
叶传感器进行故障判断确认当前导
叶的实际位置。电气系统通过MB+接
口共享正确的输叺信号
实时自动诊断水头输入，自动提示故障类别具有水头手/自动方式选择。 * 接收水头变送器4~20mA信号作为自动方式
* 通过触摸屏人为手动設定水头
当水头变送器故障时,自动切换为水头手动输入方式水头信号只参与空载开度的限制和负载出力的限制。当自动水头失效时不影響机组开/停机、不产生负荷冲击
实时监视电源的工作情况，当系统交流、直流供电全部电源消失时保证机组稳定在当前状况下。
机械液压系统的设计为断电自复中、事故归零
实时自动补偿机械零点漂移并给出指示：
当机械零点在运行过程中出现了漂移，而漂移的大小茬不影响正常运行的情况下调速器电气部分输出一对应的值到电液转换环节进行机械零点补偿，以保证整个调速系统的稳定；当机械零點漂移过大报警并在触摸屏上指导维护人员进行调整。机械零点的漂移值在触摸屏上实时数字量指示
能够自动检测和智能处理操作出錯，当操作出错时报警提示不接收错误的操作命令。
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3.5离线诊断及调试功能
通过触摸屏鈳随时人为检查、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及调试功能：
—系统硬件及软件故障检查包括各硬件模块故障检查；
—调节参数检查及调试；
—检查、调试和电站计算机的通信及其他接口；
3.6智能调试及计算机辅助分析功能
调速器内置调速器试验功能，在触摸屏上可进行调速器系统的所有试验(如：调速器静特性试验、扰动试验、甩负荷试验、不动时间测量等)同时试验参数、试验结果、相关数据、试验过程曲线、图像等都应能实时显示，能够接入打印机打印并能以通用的文件格式进行保存。
故障追忆录波及历史记功能故障发生故障前10秒钟和故障发生后10秒钟内的导叶反馈、机组频率、开关量输叺命令、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以帮助分析故障原因
调速器故障（包括电源消失、反馈消失、测频故障等
