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摘要：本文介绍了黄登水电站水轮机调速器设备的结构和技术特点，对现场试验各项数据和运行情况进行了细致分析;着重针对自动水头测量逻辑进行优化，提升调速器运行的可靠性，避免因水头测量误差造成机组负荷异常波动。
关键词：SAFR-2000H;X20系列PCC模块;自动水头
0引言
黄登水电站位于怒江傈僳族自治州兰坪白族普米族自治县营盘镇境内，是澜沧江上游曲孜卡至苗尾河段水电梯级开发方案的第六级电站。电站装机总容量1900MW，安装4台475MW混流式水轮发电机组，多年平均发电量85.7亿千瓦时。
黄登水电站水轮机组调速系统采用南瑞集团有限公司生产的SAFR-2000H型微机调速系统。微机调节器部分采用贝加莱公司的X20控制器为核心，机械液压部分选用了BOSCH公司的比例伺服阀作为电液转换单元，并选择了南瑞公司自主设计的MDV1150型主配压阀，电源、控制模块、传感器、电液转换等部件全部采用了双冗余配置，且采用了第三方智能切换单元作为仲裁判断，软件部分则采用了南瑞集团公司专有的改进型并联PID算法、双微分算法等，拥有完全自主知识产权。
1技术特点
黄登水电站使用的SAFR-2000H型微机水轮机调速器由电气控制柜、机械控制柜、主配压阀、事故配压阀、分段关闭装置、油压装置及其控制柜等组成。
1.1电气控制柜
调速器微机控制部分选用了贝加莱公司的X20系列PCC模块作为核心硬件，具有更快的运算速度和更大的内存，采用CP1585作为CPU模块。该CPU模块功能强大，且有1个RS232接口、1个以太网口、1个POWERLINK实时工业以太网接口、2个USB接口和1个CF卡插槽。选用D19322作为开关量输入模块，接收开机、停机、并网、一次调频投退等外部开关量指令;选用D09322作为开关量输出模块，输出一般故障、严重故障、一次调频动作等故障报警信号和状态信号;选用AI4622作为模拟量输入模块，接收导叶开度、功率、水头等模拟量信号;选用AO4622作为模拟量输出模块，输出导叶控制信号及试验所需模拟量信号;选用DS1319作为测频模块，测量机组转速信号。
所有的PCC模块均为冗余配置，配置结构如图1所示，具有独立的供电电源和采样通道，两套PCC的CPU模块同时各自处理采集的信号，其中一套处于主用状态，另一套处于热备用状态。当主用的一套发生故障或者需要停用时，通过智能切换模件将热备用的另一套切换为主用，保证系统稳定运行、工况不变。智能切换模件采用欧姆龙公司的ZEN可编程智能控制模块，实时监测两套PCC模块的工作状态。
1.2机械控制柜
机械液压部分的控制核心是自主设计的综合控制模块，用于接收电气控制柜输出的控制电压信号，并综合主配反馈，输出到功放再通过比例伺服阀驱动主配压阀，进而动作接力器开关。该控制的快速性、稳定性、精确性通过三个闭环反馈实现：比例伺服阀位移反馈、主配压阀位移反馈、接力器位移反馈，控制系统原理见图2。此外，综合控制模块还对各反馈信号进行监测，如有信号异常，则上送故障信号至电气控制柜。
电手动控制也以闭环控制方式实现，当综合控制模块收到手动指令时，切除电气控制柜的控制信号，通过手动增减把手，将增减命令作用于综合控制模块，进行导叶给定的设置，导叶给定和导叶反馈通过PID运算后，将控制输出作用于比例伺服阀。
1.3液压随动系统
液压随动系统如图3所示，包括比例伺服阀V1和V2、切换阀V3、紧急停机电磁阀V4和V5，主配压阀V6，选用德国BOSCH公司的比例伺服阀作为电液转换元件，以主备用两套形成双比例伺服阀冗余控制系统。自动控制时，V1为主用阀，V2为热备用阀，当V1故障时，控制V3阀动作，则V2变为主用阀;手动控制时，可通过切换把手选择V1为主用阀，也可以选择V2为主用阀控制导叶开关;紧急停机时，同时动作V4、V5阀，使主配压阀向关方向动作，快速关闭导叶。主配压阀左侧为恒压腔，右侧为控制腔，通过改变右侧油腔内的压力，达到控制主配压阀阀芯的运动方向和速度的目标，进而控制导叶接力器的运动方向和速度。
2 现场应用
SAFR-2000H型调速器目前已在黄登水电站投入运行4套，依照GB/T 9652.2-2007《水轮机控制系统试验》，进行了调速器静态特性试验和水轮机控制系统的动态特性试验。主要试验结果如下（以4号机组的试验数据进行分析）：
2.1静态特性试验
调节参数设置为bp=4%、KP=10、KI=10、KD=0，测得的试验数据描绘的静态特性曲线见图4，采用一元线性回归法对数据进行处理，该机组调速器主用通道静特性试验结果如下：静特性转速死区ix为0.0032%，符合国标GB/T 9562.1-2007中不超过0.02%的要求。静态特性曲线的线性度误差ε为0.26%，符合DL/T 563-2016中不超过5%的要求。
2.2自动开机试验
自动开机录波如图5所示，从图中可以看出：机组转速从0到50Hz用时约106s，开机动作迅速，超调量小于0.5Hz，满足大型机组启动及迅速并网的要求。
2.3空载扰动试验
空载扰动试验进行多次，通过对现场录波进行分析和对比，选择出较优的PID调节参数：KP=4.0、KI=0.3、KD=1.0，±2Hz扰动录波見图6，动态稳定性优于国标要求和有关规定。
2.4 空载摆动试验
自动情况下测得三分钟频率波动的峰谷值为：±0.038Hz，国标中规定要求小于±0.075Hz，优于国标要求，录波见图7。
2.5 甩负荷试验
黄登水电站甩负荷试验共进行了4次，分别是甩25%、50%、75%、100%负荷，试验结果见表。 可以看出甩负荷试验的各项指标均优于国标要求，波动次数不超过2次，调节时间不大于40s，在甩负荷过程中调速器控制是比较理想的。
经过现场试验和观察机组运行情况，调速器调节迅速、动作可靠，静态特性指标、动态性能指标均优于国标、行标要求，调节死区小、并网速度快、甩负荷过程平滑，保障了机组安全稳定运行。
3 现场问题及改进
水轮机空载状态下的导叶开度与水头有密切关系，水头越高，则空载开度越小;水头越低，则空载开度越大。主机厂家可给出模型机的空载开度与水头的数据关系，但在现场试验过程中仍需对水头与空载开度的协联关系进行修正，以保证其准确性，黄登水电站协联关系。如果调速器内设定的水头与实际水头误差较大，则通过协联关系计算出的空载开度与实际空载开度有较大偏差，会直接影响机组的开机性能和甩负荷性能，导致开机时间过长或者频率超调过大。因此，水头设定值需定期进行校正。水头设定可分为人工水头模式和自动水头模式，人工水头是依靠电站运行人员根据测得的水头值，校正调速器水头设定值。该方式的缺点较突出，一是增加了运行人员的工作负担，二是水头设定值无法实时校正，此模式较适合应用于水头变幅较小的电站。自动水头模式克服了人工水头的缺点，通过测量上游流道进口和尾水管出口的压力，两者的压力信号经水力测量盘系统后计算出机组静水头，经过一定的修正，即可作为机组的自动水头。
受限于压力传感器的准确度和抗干扰能力，自动水头的测量值可能与实际值产生较大偏差，且调速系统与监控系统分别接收自动水头信号，计算出的水头值存在差异，不方便电站运行人员对水头值进行观测记录。针对上述问题进行了自动水头测量逻辑优化，主要包括：①调速系统采用监控系统计算出的水头值，该采样通过模拟量方式接收，保证了调速与监控的水头值一致性;②对水头变化进行监测，考虑到水头变化很小时，空载开度虽有变化但影响可忽略不计，如果仍然随水头的微小波动调整空载开度，可能导致导叶开度频繁调节，故判断水头变化小于0.5米时，保持水头值不变。水电站水头变化是渐变过程，当测到水头发生大幅突变，水头采样可能出现了失真，如果随水头的错误跳变而调整空载开度，可能导致导叶较大幅度波动，进而引起机组负荷波动，故判断水头变化大于2米时，保持水头值不变，并上报水头故障信号至监控系统，便于运行人员人工检查水头测量情况。当水头测值大于电站最高水头或小于最低水头时，可以判断自动水头测量已经失真，切换为人工水头模式，选择人工设定水头值参与空载开度计算。
4 结语
目前，黄登水电站4台机组已经全部投入运行，其中机组运行最长时间已超过180天，调速系统性能稳定，各项性能指标优越，可靠保证了机组顺利完成开机、停机、并网和增减负荷等调节过程，在切换过程中负荷无扰。调速系统具备现地和远方控制的调节方式，此次针对自动水头测量逻辑进行优化，进一步提高了电站机组自动化水平，降低了运行人員的劳动强度，为水电站无人值班，少人值守”提供了坚强支撑。
作者简介：陈晓勇（1982.11-），男，江苏南京人，本科，工程师，从事水电厂水轮机调速器设计、调试和营销工作。
关键词：SAFR-2000H;X20系列PCC模块;自动水头
0引言
黄登水电站位于怒江傈僳族自治州兰坪白族普米族自治县营盘镇境内，是澜沧江上游曲孜卡至苗尾河段水电梯级开发方案的第六级电站。电站装机总容量1900MW，安装4台475MW混流式水轮发电机组，多年平均发电量85.7亿千瓦时。
黄登水电站水轮机组调速系统采用南瑞集团有限公司生产的SAFR-2000H型微机调速系统。微机调节器部分采用贝加莱公司的X20控制器为核心，机械液压部分选用了BOSCH公司的比例伺服阀作为电液转换单元，并选择了南瑞公司自主设计的MDV1150型主配压阀，电源、控制模块、传感器、电液转换等部件全部采用了双冗余配置，且采用了第三方智能切换单元作为仲裁判断，软件部分则采用了南瑞集团公司专有的改进型并联PID算法、双微分算法等，拥有完全自主知识产权。
1技术特点
黄登水电站使用的SAFR-2000H型微机水轮机调速器由电气控制柜、机械控制柜、主配压阀、事故配压阀、分段关闭装置、油压装置及其控制柜等组成。
1.1电气控制柜
调速器微机控制部分选用了贝加莱公司的X20系列PCC模块作为核心硬件，具有更快的运算速度和更大的内存，采用CP1585作为CPU模块。该CPU模块功能强大，且有1个RS232接口、1个以太网口、1个POWERLINK实时工业以太网接口、2个USB接口和1个CF卡插槽。选用D19322作为开关量输入模块，接收开机、停机、并网、一次调频投退等外部开关量指令;选用D09322作为开关量输出模块，输出一般故障、严重故障、一次调频动作等故障报警信号和状态信号;选用AI4622作为模拟量输入模块，接收导叶开度、功率、水头等模拟量信号;选用AO4622作为模拟量输出模块，输出导叶控制信号及试验所需模拟量信号;选用DS1319作为测频模块，测量机组转速信号。
所有的PCC模块均为冗余配置，配置结构如图1所示，具有独立的供电电源和采样通道，两套PCC的CPU模块同时各自处理采集的信号，其中一套处于主用状态，另一套处于热备用状态。当主用的一套发生故障或者需要停用时，通过智能切换模件将热备用的另一套切换为主用，保证系统稳定运行、工况不变。智能切换模件采用欧姆龙公司的ZEN可编程智能控制模块，实时监测两套PCC模块的工作状态。
1.2机械控制柜
机械液压部分的控制核心是自主设计的综合控制模块，用于接收电气控制柜输出的控制电压信号，并综合主配反馈，输出到功放再通过比例伺服阀驱动主配压阀，进而动作接力器开关。该控制的快速性、稳定性、精确性通过三个闭环反馈实现：比例伺服阀位移反馈、主配压阀位移反馈、接力器位移反馈，控制系统原理见图2。此外，综合控制模块还对各反馈信号进行监测，如有信号异常，则上送故障信号至电气控制柜。
电手动控制也以闭环控制方式实现，当综合控制模块收到手动指令时，切除电气控制柜的控制信号，通过手动增减把手，将增减命令作用于综合控制模块，进行导叶给定的设置，导叶给定和导叶反馈通过PID运算后，将控制输出作用于比例伺服阀。
1.3液压随动系统
液压随动系统如图3所示，包括比例伺服阀V1和V2、切换阀V3、紧急停机电磁阀V4和V5，主配压阀V6，选用德国BOSCH公司的比例伺服阀作为电液转换元件，以主备用两套形成双比例伺服阀冗余控制系统。自动控制时，V1为主用阀，V2为热备用阀，当V1故障时，控制V3阀动作，则V2变为主用阀;手动控制时，可通过切换把手选择V1为主用阀，也可以选择V2为主用阀控制导叶开关;紧急停机时，同时动作V4、V5阀，使主配压阀向关方向动作，快速关闭导叶。主配压阀左侧为恒压腔，右侧为控制腔，通过改变右侧油腔内的压力，达到控制主配压阀阀芯的运动方向和速度的目标，进而控制导叶接力器的运动方向和速度。
2 现场应用
SAFR-2000H型调速器目前已在黄登水电站投入运行4套，依照GB/T 9652.2-2007《水轮机控制系统试验》，进行了调速器静态特性试验和水轮机控制系统的动态特性试验。主要试验结果如下（以4号机组的试验数据进行分析）：
2.1静态特性试验
调节参数设置为bp=4%、KP=10、KI=10、KD=0，测得的试验数据描绘的静态特性曲线见图4，采用一元线性回归法对数据进行处理，该机组调速器主用通道静特性试验结果如下：静特性转速死区ix为0.0032%，符合国标GB/T 9562.1-2007中不超过0.02%的要求。静态特性曲线的线性度误差ε为0.26%，符合DL/T 563-2016中不超过5%的要求。
2.2自动开机试验
自动开机录波如图5所示，从图中可以看出：机组转速从0到50Hz用时约106s，开机动作迅速，超调量小于0.5Hz，满足大型机组启动及迅速并网的要求。
2.3空载扰动试验
空载扰动试验进行多次，通过对现场录波进行分析和对比，选择出较优的PID调节参数：KP=4.0、KI=0.3、KD=1.0，±2Hz扰动录波見图6，动态稳定性优于国标要求和有关规定。
2.4 空载摆动试验
自动情况下测得三分钟频率波动的峰谷值为：±0.038Hz，国标中规定要求小于±0.075Hz，优于国标要求，录波见图7。
2.5 甩负荷试验
黄登水电站甩负荷试验共进行了4次，分别是甩25%、50%、75%、100%负荷，试验结果见表。 可以看出甩负荷试验的各项指标均优于国标要求，波动次数不超过2次，调节时间不大于40s，在甩负荷过程中调速器控制是比较理想的。
经过现场试验和观察机组运行情况，调速器调节迅速、动作可靠，静态特性指标、动态性能指标均优于国标、行标要求，调节死区小、并网速度快、甩负荷过程平滑，保障了机组安全稳定运行。
3 现场问题及改进
水轮机空载状态下的导叶开度与水头有密切关系，水头越高，则空载开度越小;水头越低，则空载开度越大。主机厂家可给出模型机的空载开度与水头的数据关系，但在现场试验过程中仍需对水头与空载开度的协联关系进行修正，以保证其准确性，黄登水电站协联关系。如果调速器内设定的水头与实际水头误差较大，则通过协联关系计算出的空载开度与实际空载开度有较大偏差，会直接影响机组的开机性能和甩负荷性能，导致开机时间过长或者频率超调过大。因此，水头设定值需定期进行校正。水头设定可分为人工水头模式和自动水头模式，人工水头是依靠电站运行人员根据测得的水头值，校正调速器水头设定值。该方式的缺点较突出，一是增加了运行人员的工作负担，二是水头设定值无法实时校正，此模式较适合应用于水头变幅较小的电站。自动水头模式克服了人工水头的缺点，通过测量上游流道进口和尾水管出口的压力，两者的压力信号经水力测量盘系统后计算出机组静水头，经过一定的修正，即可作为机组的自动水头。
受限于压力传感器的准确度和抗干扰能力，自动水头的测量值可能与实际值产生较大偏差，且调速系统与监控系统分别接收自动水头信号，计算出的水头值存在差异，不方便电站运行人员对水头值进行观测记录。针对上述问题进行了自动水头测量逻辑优化，主要包括：①调速系统采用监控系统计算出的水头值，该采样通过模拟量方式接收，保证了调速与监控的水头值一致性;②对水头变化进行监测，考虑到水头变化很小时，空载开度虽有变化但影响可忽略不计，如果仍然随水头的微小波动调整空载开度，可能导致导叶开度频繁调节，故判断水头变化小于0.5米时，保持水头值不变。水电站水头变化是渐变过程，当测到水头发生大幅突变，水头采样可能出现了失真，如果随水头的错误跳变而调整空载开度，可能导致导叶较大幅度波动，进而引起机组负荷波动，故判断水头变化大于2米时，保持水头值不变，并上报水头故障信号至监控系统，便于运行人员人工检查水头测量情况。当水头测值大于电站最高水头或小于最低水头时，可以判断自动水头测量已经失真，切换为人工水头模式，选择人工设定水头值参与空载开度计算。
4 结语
目前，黄登水电站4台机组已经全部投入运行，其中机组运行最长时间已超过180天，调速系统性能稳定，各项性能指标优越，可靠保证了机组顺利完成开机、停机、并网和增减负荷等调节过程，在切换过程中负荷无扰。调速系统具备现地和远方控制的调节方式，此次针对自动水头测量逻辑进行优化，进一步提高了电站机组自动化水平，降低了运行人員的劳动强度，为水电站无人值班，少人值守”提供了坚强支撑。
作者简介：陈晓勇（1982.11-），男，江苏南京人，本科，工程师，从事水电厂水轮机调速器设计、调试和营销工作。