（水利水电工程专业论文）基于pcc的抽水蓄能机组微机调速器研究.pdf

摘要 为满足人们对电能质量的要求，我国正在大力发展抽水蓄能电站。抽水蓄能 机组运行工况复杂，且转换频繁。国内，不少公司和科研单位从1 9 9 7 年以后已 陆续开始研究抽水蓄能机组微机调速器，然而，距离实际应用还有一定距离。本 文选取可编程计算机控制器( p c c ) 作为硬件平台，开发了抽水蓄能机组微机调 速器控制软件。主要研究内容如下： 1 在总结抽水蓄能电站调节系统特点的基础上，选取奥地利b & r 公司的 可编程计算机控制器p p 4 1 作为硬件设备。在建立调节系统数学模型和控制算法 后，完成硬件系统的设计和控制软件的编写，并将调速器与仿真仪进行闭环对接， 利用某抽水蓄能电站的参数进行试验，验证控制软件的有效性。 2 在抽水蓄能机组仿真仪开发和过渡过程特性研究的过程中，对水泵水轮 机全特性曲线的处理是一个非常重要的环节。现有的处理方法都存在一些缺陷。 本文在研究和分析现有的几种较为常用的全特性曲线处理方法的基础上，提出一 种新的处理方法，并验证了本文方法的优越性。 关铡! 词：抽水蓄能电站；可编程计算机控制器；闭环试验；抽水蓄能机组调速 器；全特性曲线 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n tt ot h eq u a l i t yo fe l e c t r i c i t y , t h ep u m p e ds t o r a g e p o w e rs t a t i o n sa r eh a v i n gb e e nb u i l ti nm a n yp l a c e so ft h ec o u n t r y t h e r ea r em a n y o p e r a t i n gm o d e si nt h er e v e r s i b l et u r b i n e t h et r a n s i t i o n sb e t w e e nt h em o d e sa r e f r e q u e n ta n dc o m p l e x i nc h i n a ，s o m ec o m p a n i e sa n di n s t i t u t e sh a v eb e g u nt h es t u d y o nm i c r o p r o c e s s o r b a s e dg o v e r n o rf o rp u m p e ds t o r a g eu n i t ss i n c e19 9 7 b u tf e wo f t h ep r o d u c t sa r eu s e di na p p l i c a t i o n t h es o f t w a r ep a c k a g eo fm i c r o p r o c e s s o r - b a s e d g o v e r n o rf o rp u m p e ds t o r a g eu n i t sb a s e do np c c ( p r o g r a n m a a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ) i sd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 o nt h eb a s i so ft h es t u d yo nt h eg o v e r n i n gc h a r a c t e r i s t i co fp u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o n ，p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e rp p 4 1d e v e l o p e db yb & r l t di sc h o s e na st h eh a r d w a r ed e v i c e a f t e rp r o p o s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n d c o n t r o la l g o r i t t u no ft h eg o v e r n o r , t h eh a r d w a r es y s t e ms t r u c t u r ea n dt h es o f t w a r e s y s t e mc o n f i g u r a t i o ni sd e s i g n e d ，a tt h es a m et i m et h ec l o s e dl o o ps i m u l a t i o nt e s t ( b a s e do np a r a m e t e r so fa na c t u a lp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ) o ft h eg o v e r n o r l i n k e dw j t lt h ep c cs i m u l a t o ri si m p l e m e n t e d a n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h eg o v e r n o r s o f t w a r ei sc o n f i r m e d 。 2 i ti s v e r yi m p o r t a n tt od e a lw i t ht h ec o m p l e t ec h a r a c t e r i s t i cc n r v e so f r e v e r s i b l ep u m pt u r b i n e si nt h es t u d yo ft h es i m u l a t o ro fr e v e r s i b l et u r b i n ea n d h y d r a u l i ct r a n s i e n t si np u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n s t h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g e s i nt h ee x i s t i n gm e t h o d s b ya n a l y z i n gaf e wt r a n s f o r m a t i o nm e t h o d s ，w h i c ha r eo f t e n u s e di nr e c e n ty e a r s ，an e wt r a n s f o r m a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e da n dp r o v e dt ob eo n e o f t h em o s te 舵c t i v e k e yw o r d s ：p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ；p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ； c l o s e dl o o pt e s t ；m i c r o p r o c e s s o rg o v e r n o rf o rp u m p e ds t o r a g eu n i t s ；c o m p l e t e c h a r a c t e r i s t i cc u r v e 学位论文独创性声明： 本人压呈交的堂位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 蕉逡蜀b 乩年弓月l 。日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件 或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊 登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 蕉逡蜀沙。6 年弓月 笫一章绪论 1 _ l 引言 第一章绪论 由于人们对环境污染和生产成本的关注、以及自然环境的约束，电站正朝着 大容量、远距离输电和核能化的方向发展。考虑到经济性，火电站和核电站等大 型机组尽可能承担基本负荷，径流式水电站也运行于基荷区。而水电站与抽水蓄 能电站则经常用于满足电力系统负荷变动要求，水电站除完成防洪、灌溉等其他 任务之外，还可以在电力系统中担任峰荷，但是许多地方水力资源分布不均衡， 远距离输送调峰电力在技术上和经济上都存在一定的问题。在这种情况下，抽水 蓄能电站得到迅速发展，它运行灵活，一方面承担峰荷，另一方面当电网功率过 剩时从电网吸收功率，将水抽到上库储存起来，在峰荷时再发电。由于它灵活地 调节电力系统峰谷差，并能迅速向系统提供事故备用容量，所以能够大大改善电 力系统的运行条件，降低系统发电成本。 抽水蓄能电站从1 8 8 2 年在欧洲问世以来，已有一百多年的历史，由于其运 行灵活，除具有调峰填谷作用外，还能担负事故备用的任务，所以在世界发达国 家得到了迅速发展。到1 9 9 5 年，美国的抽水蓄能电站装机占水电总装机容量的 2 4 6 ，法国的则占水电总装机容量的1 9 6 ，意大利的占意大利电网总装机的 1 3 f l 】。我国自2 0 世纪6 0 年代开始研究抽水蓄能电站，最早在河北省岗南水电 站引进1 台日本生产的抽水蓄能机组。至2 0 0 2 年底，我国己建及在建的抽水蓄 能电站共1 3 座，总装机容量为5 7 2 5 m w ，占全国总装机容量比重为1 8 【2 】。 根据不同电网的规模和结构，抽水蓄能机组的装机容量占电网总装机容量的最优 比例为1 0 1 5 。由此可见，我国仍需大力发展抽水蓄能电站，以保证电力 系统的安全可靠运行。 抽水蓄能机组绝大多数按可逆式设计，水轮机发电机运行是一个方向，电 动机水泵运行是另一个方向，这就决定了抽水蓄能电站的控制比常规电站复杂 得多；另外抽水蓄能电站在电力系统中承担调频、调峰、事故备用等任务，是电 力系统安全、稳定、可靠运行的关键，故对其可靠性要求较高。与常规水电机组 相比，抽水蓄能机组具有运行工况多，工况转换频繁，控制方式复杂，可靠性要 7 可蒋大学硕士学位论文 基于p c c 的抽水蔷能目l 组微机调谜器研究 求高等特点，这些决定了对抽水蓄能电站调速系统要求更高“。 本文在对抽水蓄能电站运行特点分析的基础上，选取合适的硬件平台可 编程计算机控制器p c c ，开发了抽水蓄能电站调速软件。本文研制的抽水蓄能调 速器，充分利用p c c 的高速处理能力和高可靠性的优点，可以实现对可逆机组的 有效、可靠控制。 为验证本文研制的抽水蓄能调速器的有效性，需开发抽水蓄能机组实时仿真 仪，在仿真仪开发过程中，要建立可逆机组数学模型，由于机组内水的流动比较 复杂，所以只能依靠模型试验的方 去求取可逆机组特性的定量表示。可逆机组动 态特性无法通过模型试验求得，目前一般使用可逆机组稳态特性来分析动态过 程。可逆机组稳态特性以全特性益线的形式表达，所以在仿真计算时需利用全特 性曲线求解可逆机组的各参数。在抽水蓄能电站水力机械过渡过程计算中，也 需要利用全特性曲线求解可逆机组的瞬变参数。直接利用仝特性曲线进行插值计 算，由于曲线本身的一些特点，会带来较大的误差，甚至可自会导致插值和迭代 计算无法进行。本文针对该问题，提出一种新的全特性曲线处理力法，采用本文 方法对全特性曲线处理后，可以获得较好的插值效果。 1 _ 2 抽水蓄能机组调速器研究现状和发展趋势 抽水蓄能机组调节系统由于其复杂性和重要性，技术发展落后于常规机组 ( 水轮机) 调速器的发展，围内外均如此。因此r 面首先介绍一下常规机组的调 速器发展历史、现状和趋势。 早期的水轮机调速器是采用测速元件直接控制水轮机执行机构的直接作用 式小型调速器，至2 0 世纪3 0 年代已发展为相当完善的机械液压型，它用液压放 大元件提供离心摆与导叶之间调节所需的功率放大，又用缓冲器和调筹机构来反 馈以实现所需的调节规律，其控制策略均采用p i 型，因而它的性能可满足当时 电站运行的要求。但随着生产的发展，对系统周波的要求更为严格，人机组、大 电网的出现，对电站运行和自动化程度提出了更新的要求。2 0 世纪q ( ) 年代，出 现了电气液压型调速器。随着电子技术的发展，电液调速器经历了电子管、晶体 管和集成电路三个时期，其控制策略大多为p i 或p i d 及其改进型”1 。 随着计算机技术的发展，人们开始研究用微机实现凋速方案，2 0 世纪8 0 年 随着计算机技术的发展，人们开始研究用微机实现调速方案，2 0 世纪8 0 年 2 第一宣绪论 代出现了微机型凋速器。国外以日本日立、东芝、瑞典a b b 等公司产品为代表， 9 0 年代初，国内河海大学、华中科技大学、南京自动化研究院、长江控制设备 研究所、天津电气传动研究所等单位都研制出了相应的产品。微机调速器调节规 律由p i d 型发展到连续变参数适应式p i d 、智能控制、自适应控制、最优p i d 控 制以及预测控制和基因控制等新型控制规律”3 ，其硬件发展经历了z 8 0 单板机、 单片机、s t d 总线式工业控制机、p l c 可编程控制器、工业p c 等过程，其中s t d 总线式工业控制机、p l c 可编程控制器为现在的主流产品。 近年来，可编程计算机控制器p c c ( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ) 在水轮机调速器研究领域得到了高度的重视，它将计算机的分时多任务操作系统 及高级编程语言引入到可编程逻辑控制器，从而使得可编程计算机控制器同时具 有p l c 的高可靠性和计算机的快速、多任务及编程通用化等特点，使得复杂的控 制任务能够顺利实现“。 对于抽水蓄能机组调速器，由于其复杂性和重要性，我国在1 9 9 7 年以前一 直依赖进口。1 9 6 8 年，我国第一台抽水蓄能机组控制设备从日本进口安装在河 北岗南电站，广州抽水蓄能电站、浙江天荒坪抽水蓄能电站等国内大型抽水蓄能 电站设备都是从国外进口。随着我国水电技术的发展，国内一些单位也开始对抽 水蓄能机组调速器进行研究、尝试。1 9 9 8 年，东方电机股份有限公司完成了基 于工业控制机( i p c ) 的抽水蓄能机组调速器的开发“，并在响洪甸抽水蓄能电 站投运，但运行效果并不是很理想。华中科技大学对基于可编程逻辑控制器( p l c ) 的抽水蓄能机组微机调速器进行了研究”1 ，他们都取得了定成果，但是国产抽 水蓄能调速器在电站中的应用还是很少。 1 3 可编程控制器的特点和发展趋势 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o ll e r ，缩写为p c ) 包括可编程逻辑控制 器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，缩写为p l c ) 和可编程计算机控制器 ( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ，缩写为p c c ) “。p c 作为一种优良的控 制设备己广泛应用于工业控制当中，它所具有的可靠、安全、灵活、方便、经济 的优点越来越被广大的用户所认可。p c 的主要特点是： 1 可靠性高、抗干扰能力强 【= j 海大学硕士学位论文 基于p c c 的抽水蔷能机组微机调速器研究 p c 最突出的特点就是高可靠性，p c 的平均无故障时间可达几十万小时。针 对工业生产环境恶劣，会受到各种电磁干扰，同时需要长时间运行的特点，p c 采取了一系列措施，主要是在所有输入输出( u o ) 接口电路中采用光电隔离， 从而达到屏蔽外界电磁干扰的效果。 2 编程简单易学 p c 编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图，这种直观形象的编程语言 容易被电气工作人员所接受。现代的p c 也提供高级的编程语言，这样，复杂程 序的编写将成为可能，从而使得p c 可担任更加复杂的控制任务。 3 设计、安装容易，调试周期短，维护简单 经过产品的逐步完善，p c 已实现了产品的系列化、标准化、通用化。设计者 可根据具体要求在众多p c 产品中选用高性价比的产品。在软件功能上p c 取代了 以往继电器控制系统中所需要的大量中间继电器、时间继电器、计数器等，从而 不仅方便了控制柜的设计，同时也减少了布线工作量。用户可以在试验室模拟程 序的运行，调试好后再将p c 控制系统放到生产现场联机调试，这样既方便又快 速，大大缩减了设计和调试周期。同时多数p c 采用模块式结构，因此一旦某模 块发生故障，用户可通过更换模块的办法，使系统迅速恢复运行。 4 模块品种丰富、通用性好、功能强大 除了单元式小型p c 外，多数p c 均采用模块式结构，并形成大、中、小系列 产品。根据具体的功能p c 将模块分成各类电源模块、c p u 模块、交流i o 模块、 直流u o 模块、数字量混台模块、模拟量混合模块、网络模块、温度模块、接口 模块、p i d 模块、高速计数模块、定位模块、空模块、鼓序列发生器模块等。现 代的p c 既可控制单台设备，又可控制一条生产线或全部生产工艺工程，具有工 业控制所要求的各种控制功能。同时p c 具有通讯联网功能，不仅可与上位机通 信构成分布式控制系统，还可与不同厂家的p c 联网。 5 体积小、能耗低 大部分p c 机的体积都很小，所需电能也较少。由于其体积小，重量轻，很 容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 p c 已有3 0 多年的历史，其广阔的运用空间被越来越多的人所认可。贝加莱 公司己于1 9 9 4 年首次提出了“可编程计算机控制器一一p c c ( p r o g r a m m a b l e 4 第一章绪论 c o m p u t e rc o n t r o ll e r ) ”的概念，s i e m e n s 公司提出了“过程控制系统p c s ( p r 。c e s sc o n t r o ls y s t e m ) 概念。今后，p c 主要将朝以下几个方面发展m 1 。 1 大型化、网络化 为适应网络时代的要求，p c 的一个重要发展趋势是网络化和强化通信功能。 p c 构成的网络将由多个p c ，多个i 0 模块相连，并可与工业计算机、以太网等 相连构成整个工厂的自动控制系统。在工业控制中将会广泛应用现场总线技术。 2 模块种类将丰富多彩 随着生产的发展，针对更加复杂的控制要求，开发种类齐全的智能模块将成 为一种趋势。智能模块是以微处理器为基础的功能部件，他们的c p u 与p c 的c p u 并行工作，占用主机的c p u 时间很少，有利于提高p c 的扫描速度和完成特殊的 控制要求。 3 高可靠性 为提高自动化系统的可靠性，在一些特定的环境和条件下，需要采用白诊断 技术、冗余技术、容错技术，以保证p c 的高可靠性。 4 良好的兼容性 作为一种广泛使用的控制设备，p c 产品不仅需要做到本公司产品的兼容，还 要进一步做到与不同公司p c 产品的相互兼容。 5 小型化、低成本 价格低，简单可靠的小型p c ，适用于回路或设备的单机控制，便于机电一体 化。同时小型p c 有灵活的组态特性，能与其它机型连用。 6 编程语言的高级化 除了拥有面向电气工作人员的梯形图，指令表，流程图等编程语言外，一些 p c 中增加了b a s i c ，c 等高级编程语言。这样，编写复杂的控制程序将成为可能。 1 4 研究的目的和意义 可逆机组的运行与常规机组相比，差别较大。它运行工况多，工况变换复杂， 电力系统要求其工况变换时间尽可能短，以满足系统负荷急速变化及事故应急的 需要。特别是对于水泵起动，其过程相当复杂，不同起动方式，其起动程序又大 不一样，所以研究抽水蓄能电站微机调速器具有很重要的意义。抽水蓄能电站特 河海大学硕士学位论立 基于p c c 的抽水蓄能机组微机调速器研究 殊工况主要有： 1 水泵起动过程； 2 水泵工况时失去电源； 3 由水泵工况转为水轮机工况； 4 由水泵工况转为调相机工况： 5 水泵运行保持协联关系过程。 可逆机组水泵工况的起动方式主要有四种：异步起动、同步起动、同轴小电 机起动和静止变频器起动。其中同步起动又称为“背靠背起动”，是由一台拖动 机拖动水泵运行至可并网状态，此时，要对拖动机进行合理控制，以实现水泵平 稳、快速地起动并网，本文对这种起动方法做了重点研究。 为保证抽水蓄能电站在电网中的调峰填谷和事故备用作用，对于以上抽水蓄 能机组各特殊运行工况，都要设计合理的控制方法。 在抽水蓄能电站实时仿真仪设计和水力机械过渡过程计算中，都需要利用 全特性曲线求解可逆机组的瞬变参数。然而，可逆机组全特性曲线在水轮机飞逸 和制动工况区出现了“s ”形现象，在水泵工况区出现了垂直、聚集现象。因此， 若对全特性曲线直接利用单位转速，2 l 。和单位流量鸟。进行插值计算，将会带来较 大的插值误差，并由于其多值性，甚至可能导致插值和迭代计算无法进行。 本文在前人工作的基础上，改进s u t e r f o r m 处理方法，改善其缺点，提出 一种新的全特性曲线处理方法。 i 5 本文的任务和结构 1 第一章的任务是介绍抽水蓄能调速器的发展前景，概述本文所用硬件平台的 特点及发展趋势，并对改进全特性曲线处理方法的意义做了简要描述。 2 第二章的任务是分析抽水蓄能机组微机调速器的结构组成和控制算法。简要 介绍抽水蓄能调速系统的组成，分析了现有的几种控制算法，并对本文算法 实用增量型p i d 算法和控制系统框图做了详细研究。 3 第三章的任务是调速器硬件系统设计。首先分析调速器需要的功能，比较可 能使用的几种硬件，根据适用性、方便性和推广性的要求，从中选择一个相 对较优的硬件平台奥地利b & r 公司带有面板功能的可编程计算机控制 6 第一章绪论 器p p 4 1 ，并设计了系统硬件框图。 4 第四章的任务是对操作系统特性的简要介绍，调速器软件实现以及本文设计 的调速器与抽水蓄能机组仿真仪的闭环对接试验。软件实现主要有各工况控 制流程的实现和闭环对接控制试验，通过该试验验证了调速器软件和仿真仪 软件的有效性。 5 第五章的任务是提出一种新的可逆机组全特性曲线处理方法。首先分析了现 有的几种较为常用的全特性曲线处理方法，然后提出本文方法，并通过公式 推算和曲线图形作对比，验证本文方法的优越性。 6 第六章总结和展望。全面总结本文的工作和成果，并对抽水蓄能机组微机调 速器的发展做出展望。 第二章调速替结构成控制算弦 第二章调速器结构及控制算法 2 i 抽水蓄能机组调节系统的结构组成 抽水蓄能机组调节系统由调速器和调节对象组成，调速器由调节器和电液 随动系统两部分组成，调节对象包括有压引水系统、可逆式机组、电动发电机 和电网。调节系统示意图如图( 2 1 ) 所示： i 一婴兰翌一一一一j 图2 - 1 抽水蓄能电站调节系统图 2 2 调速器p i d 控制算法 在水泵工况运行时，抽水蓄能调速器只是根据运行水头的变化调节导叶开 度，不进行p i d 调节，其中水头和导叶开度的关系以协联插值表的形式储存在 微机调速器中。故在本章主要分析水轮机工况运行时的调速器控制算法。 目前，国内外的微机调节器所采用的机种多种多样，但就其调节规律来讲 大多数是p i d 型，而真正的高级控制策略用在微机调速器中还只限于研究和试 验阶段。同时，由于微机调速器是数字式调节器，因此，本文只对数字p i d 微 机调节器的控制算法进行讨论。数字p i d 微机调节器按算法不同可分为位置型 和增量型两种阢2 2 1 。 1 位置型数字p i d 控制算法 数字式调节器是对离散信号进行运算，为了用计算机实现p i d 调节规律， 当采样周期t 很小时，可以通过离散化处理，现采用并联的连续p i d 算式直接 导出离散化形式的数学表达式。 对于连续p i d 算法有： 加) = k p 印) + k 胁) a t + 杨警 ( 2 _ 1 ) 河海大学硕士学位论文基于p c c 的抽水蓄能机组微机调速器删f 究 式中k p ，k i ，k a 比例、积分和微分增益 y ( r ) 连续p i d 调节器的输出； p ( f ) 连续p i d 调节器的输入偏差。 在采样周期t 较短( 一般为2 0 m s 左右) 时，微分可以被差分所替代，积分 可以被求和( 矩形法) 运算所替代，通过以上的变换可将式( 2 - 1 ) 的微分方程 转化为差分方程，从而得到离散化的数字p i d 表达式，即 y a k ) = k p s ( 尼) + k 7 1 p ( ) + 等 p ( 女) 一p ( 七一1 ) 五， 2 = 0 1 或写成 虬( 女) = k p e ( k ) + k 1 p ( ，) + k 。 e ( k ) - e ( k - 1 ) ( 2 2 ) 2 = 0 式中：k ，：k ，；k ，：k 丁；k 。：粤； 7 1 采样周期： e ( k ) ，e ( k 一1 ) 第k 次与第k 一1 次采样周期的输入偏差； 虬( 七) 第k 次采样周期数字p i d 调节器的输出量。 式( 2 - 2 ) 为位置型数字p i d 控制算式。由于调节器输出的是控制对象调节 机构的位置值，当计算机发生电源消失故障或受到干扰时，将产生不必要的错 误动作，导致调节系统严重的故障或波动，为此，必须采取电源消失保护措施 或适当的抗干扰措施。 2 增量型数字p i d 控制算法 为了解决位置型数字p 工d 控制算法存在的问题，人们提出了目前应用较为 广泛的增量型数字p i d 控制算法。 根据位置型数字p i d 控制算法可得第( k 一1 ) 次采样周期的输出表达式为： y a k 一1 ) = k e e ( k 一1 ) + k ，p ( f ) + k d e ( k - 1 ) - e ( k 一2 ) 】 ( 2 3 ) 用式( 2 - 2 ) 减去式( 2 - 3 ) ，化简后可得增量型数字p i d 控制算法 a 虬( t ) = 儿( ) 一y a k 一1 ) = k e e ( k ) 一e ( k 一1 ) 1 + k 1 e ( k ) + k o e ( k ) 一2 e ( k 1 ) + 8 ( 一2 ) ( 2 4 ) 由表达式可知，增量型数字p i d 调节器输出的是控制对象调节机构位置的 第一宣调速擗结构及控制算法 变化量。从控制的可靠性上讲，增量型数字p i d 调节器的可靠性比位置型数字 p i d 调节器高，实际运用更广泛。对于上式根据前三次的测量值，在k 。k ， k 。确定的条件下可以求出数字p i d 调节器输出的增量。 3 本文所采用的控制算法 在实际应用中，为提高p i d 调节器的抗干扰能力，应当用实际微分环节取 代理想微分环节，即用羔取代k s ，在实际微分通道上输入刚) 和输出儿o ) 有如下微分方程，即： 聃) + 乃掣= 弼警 转换成差分方程，可得： 小心巡警螋= 髟掣 经整理得： 同理 t d k d _ y 。( 女一1 ) = 兰j o ( 女一2 ) + 兰砖( 女一1 ) 一( 一2 ) 3 ( 2 6 ) l + 型1 十量 ? 。，。 将两次求差可得： a y d ( k ) = 肋( ) 一乃( 七一1 ) 瓦k d = ( 一1 ) 一儿( t 一2 ) + j 百- r e ( k ) 一2 e ( k 一1 ) + p ( 尼一2 ) ( 2 - 7 ) 1 + 翌1 + 丝 y7 如式( 2 4 ) 中的微分分量用式( 2 - 7 ) 取代，则有实用的增量型数字p i d 控制算法： 虬( 意) = k p ( 女) 一e ( k 1 ) 1 + 巧e ( k ) + d “p 等五丁 d 均 等再 d 儿 河海大学硕士学位论文基于i c c 的抽水蓄能机组微机涧速器矾究 k d ! p ( 尼) 一2 p ( 一1 ) + p ( 一2 ) + 1j 一生 ， 瓦 j ； y a k 一1 ) - y ( 一2 ) 】( 2 - 8 ) y a ky d七一( 一2 ) 】 1 。尘 7 对于抽水蓄能电站水轮机工况调节的任务而言，并网前按p 1 0 调节规律进 行控制只是控制任务的一部分，更多的是在并网之后按永态转差系数k 作有差 调节，本文所采用的微机调节器的框图如图( 2 - 2 ) 所示： 图2 2 水轮机工况p i d 调节器框图 并网前，机组频率与频率给定或电网频率比较，其偏差e 输入p i d 调节器， 形成与偏差相对应的调节规律。机组并网后，机组频率等于电网频率，调速器 按永态转差系数k 对机组做有差调节。由图( 2 2 ) 可见，p i d 调节器的输出 与功率给定的差值作为的输入信号，而该输出与p i d 输入信号进行比较后仅 送到积分通道，因此只需将式( 2 8 ) 中积分项的偏差用q ( 七) 代替，就可得到 用于实际的微机调节器控制算法。根据分析推导，可得： q ( 七) = e ( k ) 一如 y o ( k 1 ) 一p 。( 七) 】 ( 2 - 9 ) 因此，在考虑k 时的实用的增量型数字p i d 控制算法为： 心( 尼) = 群 p ( t ) 一g ( 女一1 ) + k ， e ( 七) 一b p y ( k 一1 ) 一最( 尼) 】 + 第二章调速器结构及控制算法 乃 j a 儿( a 一1 ) - y 。( 一2 ) 1 - 生 r 式中e ( k ) 频率偏差； p ，( t ) = p ( ) 一b p y ( k 一1 ) 一攻( 尼) 积分项的综合输入偏差。 3 调速器控制系统的原理框图 ( 2 1 0 ) 1 位置型数字p i d 微机调速器 图( 2 - 3 ) 是带电液随动系统的位置型数字p i d 微机调速器控制系统的原理 框图，其机组和电网频率的测量是利用p p 4 1 内部的时间测量模块一- - t p u 实现 的。单机频率给定也以数字量的形式存于机内，也可由键盘进行修改。在并网 前，机组频率跟踪电网频率或频率给定。 图2 3 位置型数字p i d 微机调速器控制系统原理框图 p i d 控制算法由软件来实现，其运算结果儿为对应于导叶开度的数字量，儿 经d a 转变为模拟量，送至电液随动系统的综合放大器，将导叶开到对应的开 度。 为实现有差调节，取位置型p i d 运算的结果作为调差单元的反馈信号，该 反馈信号与功率给定信号相减，在经6 。后与频差信号综合，该综合信号送入p 1 d 等西r 河淘大学颁士学位论文 基于p c c 的抽水蓄能机纽微机侧速器仰宄 的积分通道。调差单元的反馈信号也可取自机组输出的有功功率，机组有功功 率经功率变送器后再通过a d 转换成数字量。这两种反馈信号可以互相切换。 2 增量型数字p i d 微机调速器 图( 2 - 4 ) 为带电液随动系统的增量型数字p i d 微机调速器控制系统的原 理框图，图中步进式( 数字式) 电液随动系统由步进电机与电液随动系统组成。 步进电机是按增量进行工作的，所以步进电机可以直接用增量型数字p i d 控制 算法的计算结果驱动，从而带动机液随动系统，使导叶接力器开到与步进电机 位置所对应的开度。 调差的反馈信号除了可取自步进电机的位移输出，该位移经位移变送器后 再通过a d 转换成数字量外，还可取自机组输出的有功功率。两种反馈信号可 以相互切换。 由于步进电机本身具有寄存作用，当电源消失时，步进电机保持原来位置， 从而使步进式电液随动系统保持原来位置，接力器位移不会发生变化。同时， 该系统也容易加入手动控制，且在手自动切换时无冲击。 图2 4 增量型数字p i d 微机调速器控制系统原理框图 3 本文使用的调速器 本文开发的仿增量型数字p i d 微机调速器，原理框图如图( 2 - 5 ) 所示，它 取数字式电液随动系统的输入为位置式p i d 第后次采样周期的输出与第( t 1 ) 次位置式p i d 的输出之差。 由于这种增量型算法是用第( 一1 ) 次采样的p i d 输出y o ( k 一1 ) 取代第i 次采 样测得的导叶接力器反馈k ( ) ，因此称为仿增量型。当电液转换器要求模拟量 输入时，增量a y o ( k ) 经d a 转换后输入到数字式电液随动系统，而当电液转换 13 第二章调迷器结构及控制算法 器为数字量输入时，增量a y o ( k ) 直接输入到数字式电液随动系统，同时随着调 节系统趋于平衡，蚬( t ) 趋向于零。 厂 l 图2 5 仿增量型数字p i d 微机调速器控制系统原理框图 1 4 笫三章调速器硬件设计 3 1 硬件选择 第三章调速器硬件设计 抽水蓄能调速器在硬件上可以有以下几种选择：单片机、工业控制计算机、 可编程逻辑控制器p l c 和可编程计算机控制器p c c 。其中基于单片机的微机调 速器一般均采用单片机实现，硬件多为自行设计制造，元件检测、筛选、老化 处理、焊接及生产工艺等受到限制，造成调速器可靠性较低。基于工控机的微 机调速器，虽有一系列优点，但装置访问时间较长，体积大，且成本高，仅适 合大型机组。基于可编程逻辑控制器的微机调速器，虽然其本身的可靠性很高， 但它的测频装置一般由单片机或数字电路来实现，故降低了它的可靠性，并且 频率相应较低，接力器不动时间较一般微机调速器稍大。可编程计算机控制器 p c c 属于可编程控制器( p c ) 的一种，它与可编程逻辑控制器的基本组成和工作 原理都是相同的，但是，它又具有许多一般p l c 所不具有的特点，主要包括： 1 目前p l c 均采用单任务操作系统，而p c c 已经采用了多任务操作系 统，可以区分不同任务的优先级，整个控制循环时间可以从0 5 m s 到几千m s ，较好地优化整个系统的性能，极大地提高了c p u 的利用 率。 2 传统的p l c 只支持一个主c p u ，然后带多个处理器进行工作，而p c c 可以支持多个主c p u 同时工作，而且还可以使用特殊的时间处理单 元- t p u 功能。 3 传统p l c 的编程语言以梯形图和类似于指令表的语言为主，很少支 持高级语言编程，更少有自己的高级语言，而p c c 不但支持梯形图、 c 语言等各种高低级编程语言，而且还具有专门为工业控制开发的高 级语言，它比通用的高级语言如c 语言更适合工业控制的特点，更 易于编程。 从上面可以看出，p c c 在很多方面突破了传统p l c 的做法，在可编程控制 器中引入新的控制思想和编程思想，更易于满足抽水蓄能电站的复杂控制要求。 并且p c c 的硬件都是模块化结构，各种模块又有多种型号可供选择，一用户可以 町海大学顿士学位论文皋于p c c 的抽水茸能机组微机侧速器岍冗 根据需要选择合适的模块组合，以达到理想的控制效果。 p c c 与计算机控制系统的组成基本是相同的，它具有中央处理器( c p u ) 、 存储器、输入输出( i o ) 接口、电源等。奥地利b & r 公司生产的可编程计算 机控制器p c c 有多种系列，主要有b & r 2 0 0 0 ，b & r 2 0 0 3 ，b & r 2 0 0 5 ，b & r 2 0 1 0 。其 中，b & r 2 0 0 3 ，b & r 2 0 0 5 ，b & r 2 0 1 0 系统应用范围更加广泛，这三种系列在系统 的整体结构、模块结构和c p u 性能方面有所区别，2 0 0 3 属于小型p c c ，2 0 0 5 是 中型p c c ，2 0 1 0 为大型p c c “。在水力机组控制中，使用小型的2 0 0 3 系列就可 满足要求。考虑到功能性和经济性，本文选取b & r 2 0 0 3 系列中的p p 4 1 作为文中 开发的抽水蓄能调速器硬件平台。 3 2 硬件介绍 1 p p 4 1 简介 p p 4 1 具有5 7 英寸o v 6 k 的黑白液晶显示屏，面板上有8 个软件功能键和 3 2 个函数功能键，系统兼容2 0 0 3 c p u ，内存有7 0 0 r bs r a m ，1 4 m bf l a s h p r o m ， 具有1 个p c m c i a 插槽，1 个r s 2 3 2 接口，1 个c a n 接口，并且是电气隔离的， p p 4 1 同时具有网络通信功能，6 个可以插入旋入式模块的插槽，配备有l o 个 数字量输入通道和8 个数字量输出通道。p p 4 1 的全景图如图( 3 - 1 ) 所示。 图3 - 1p p 4 1 全景图 1 6 第三章稠速器硬件设计 2 显示模块 p p 4 1 人机界面系统对显示技术有一个很大范围的选择，用户的各种数据、 配置方案、仿真、监控、报警、操作、中断都能以图像或文字形式在显示画面 上生成。p p 4 1 面板还可以显示不同大小的文字、线形和动态条形图。 ( 1 ) 按键块模块 p p 4 1 按键块模块允许用户直接输入数据和控制命令，操作温度能达到5 0 0 c 。 按键块模块共有4 0 个按键可定义，其中有1 6 个按键带有l e d 。 ( 2 ) v i s u a lc o m p o n e n t 使用b & ra u t o m a t i o ns t u d i o 编程软件中的v is u mc o m p o n e n t ，人机界面 部分可以和控制程序部分一同编写、测试，可以减少项目所花费的时间。所有 任务被存储在一个项目中，v i s u a lc o m p o n e n t 以完全图形化的方式来生成可视 化界面，定义硬件，画图，插入位图，配置输入和输出。 ( 3 ) 界面图像编辑 在a u t o m a t i o ns t u d i o 中，可以使用图像编辑器建立或编辑一个p a n e l 对 象，图像编辑器与所选硬件的特性是对应的。图像编辑器能显示3 2 0 * 2 4 0 个像 素点。 3 3 频率测量 1 测频环节系统组成 p c c 测频硬件系统原理图如图( 3 - 2 ) 所示，被测机组频率信号和电网频率 信号分别经放大整形和二分频后，变为方波信号，该方波信号经d 1 1 3 5 隔离并 滤波后送入p p 4 1 的t p u 输入通道。分频后方波信号的半周期正好分别等于机组 频率和电网频率的周期。 c h 0 d 1 1 3 5 t p u c p u q t l i 图3 - 2 测频硬件原理图 河海人学硕上学位论文 基于p c c 的抽水蓄能机组微机词速器研究 2 t p u 功能模块“” t p u ( t i m ep r o c e s s o ru n i t ) 即时间处理单元，是基于m o t o r o l a 的3 2 位 微控系列m 6 8 3 0 0 的一种集成模块，它能够在不加载c p u 的情况下处理复杂的定 时任务。t p u 功能模块包含t p u 操作系统、t p u 配置和完成特定功能的t p u 程序 模块。应用程序通过t p u 功能模块与t p u 通信，传递参数和数据，该功能模块 由b & r 公司专门研制的t p u 编码链接器产生，并在c p u 热启动( w a r ms t a r t ) 时 自动传入t p u 的r a m 中，并从此接管t p u ，让它完成用户特定的功能。t p u 的时 钟频率是由预设的标度值决定的( t p u 的时钟频率= c p u 的时钟频率预设标 度值) ，p p 4 1 内部的时钟频率为2 6 1 6 6 7 4 = 6 2 9 1 6 6 7m h z ，故本文设计的抽水 蓄能机组调速器频率测量部分内部时钟频率为6 2 9 1 6 6 7m h z ，功能块选取 l t x c p i x0 。将d 1 1 3 6 配置在p p 4 1 的插槽s l o t l 上。 3 频率测量 频率测量时，为了避免输入信号电压幅值变化影响测频精度，采用测一个 信号周期而不是半波，因此将频率信号进行7 - 分频。l t x c p i x 0 在所测信号周 期结束时，输出该周期内计数器的计数差值d i f c n t ，及有效测量序号r d y c n t ， r d y c n t 的值在每个有效测量后加l 。设t p u 计数器的频率为f ，则所测频率f 为： f = f d i f c n t 4 循环时间设置 t p u 函数功能块必须每隔3 2 7 6 8 t i c k ( 时间基准) 调用一次才能正常使用。 p p 4 1 使用的时问基准为1 5 8 9 4 n s ，那么3 2 7 6 8 1 5 8 9 4n s = 5 2m s ，也就是说 在程序中设置该任务时它的循环时间不能超过5 2 r n s ，否则出错。在本程序中 设置为5 m s 。 3 4 输入输出模块 p p 4 1 本身作为抽水蓄能机组微机调节器的硬件主体，只能够满足内部控制 程序的需要，要想与外部可逆机组进行对接运行，还必须依靠输入输出模块做 为中介。下面对本文中p p 4 1 所使用的输入输出模块进行介绍： 1 数字量输入模块d 1 1 3 5 1 6 1 第三章调速器碗件设计 d 1 1 3 5 模