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调速器相关知识一 水电站及其系统1.1 电厂的分类电力工业是国民经济的一项基础工业，其发展速度必须超前于国民经济发展的速度。否则其他各项工业必将受到制约。目前，我国缺电严重，2004年上半年全国性缺电，东南及沿海尤为严重。因此，电力工业的发展有严峻的任务和巨大的潜力。发电厂是直接生产电能的部门，由于所用“燃料”不同，发电厂的种类有：火力发电厂、水力发电厂、核电厂、风力发电厂以及地热发电厂、太阳能发电厂、磁流体发电厂等，世界各国以前三类发电厂居多。1) 火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气或其他燃烧的化学能生产电能的工厂。其能量转换过程是：燃料的化学能热能机械能电能。火力发电厂又分为凝汽式电厂和热电厂。一般凝汽式电厂的效率大约在30%40%，大部分的能量被浪费掉。而热电厂生产电能的同时，剩余的热能用于北方居民的取暖，现代化大型的火电厂总体效率在60%70%。用于发电的效率也只是30%40%。而且由于热负荷条件的限制以及矿产燃料的过度开采，热电厂不可能大量兴建。2) 水力发电厂是利用江河水流在高处与低处之间存在的位能差进行发电的。它的基本过程是：从河流较高处或水库引水，利用水的压力或流速冲动水轮机转动，将水能转变成机械能，然后水轮机带动发电机旋转，将机械能转化为电能。与火力发电厂相比，水电厂具有以下优点：利用循环不息的水能发电，可节省大量燃料，而且没有环境污染。生产过程较简单，所需的运行维护人员较少，容易实现电能生产自动化。生产效率高，发电成本低，大中型水电厂的发电效率约为80%90%，成本约为火电厂的1/31/4。水电机组从静止状态启动到满负荷运行，正常时只需45分钟，事故时可以缩短到1分钟左右。而火电厂则需数小时，故水电厂能适应负荷的急剧变化，宜于承担系统的峰荷及作为备用。在水电机组快速开机、停机以及灵活调节负荷的过程中，水轮机调速器作为执行及控制设备有着至关重要的作用。另外，水力发电厂仍存在下面一些缺点：投资较大，工期较长。受气象，水文等自然条件的影响，有丰水期与枯水期的区别，因而发电不均衡。由于水库的兴建将淹没一部门土地，给农业生产带来一些不利的影响。此外，还可能在一定程度上破坏自然界的生态平衡。3) 核电厂也属于火力发电厂的一种形式，它们的区别在于燃料不同，核电厂的主要优点是可以节省大量的煤、石油等燃料，造价虽高，但发电成本比火力发电厂要低30%50%。4) 风力发电厂利用风能发电，利用地区的气候优势开发新能源。风能洁净无污染，占地面积小。但是风力发电投资较大，地域选择性强，不能大范围推广。1.2 水电厂分类坝式水电站在河流峡谷处，拦河筑坝，在坝址处集中落差形成水头，这种水能开发方式称为坝式开发。采用坝式开发的水电站称为坝式水电站。按照大坝和水电站厂房位相对置的不同又可分为河床式、闸墩式、坝后式、坝内式、溢流式等。坝式开发的优点是形成蓄水库，可以用来调节流量，水电站引用流量大，水能利用程度比较充分。此外，坝式开发因有蓄水库，故综合利用效益高，可以同时解决防洪和其他兴利部门的水利问题。目前，世界上装机规模超过200万kw的巨型水电站大都是坝式开发。引水式水电站在河流坡降较陡的河道上游，通过人工建造的引水道（明渠、隧洞、管道等）引水到河段下游来集中落差，再经高压管道引水至厂房，这种开发方式称为引水式开发。引水式又分为有压和无压引水式电站。与坝式开发相比，引水式开发集中落差形成的水头相对较高，目前最大水头已达2030m（意大利劳累斯引水式水电站）；由于引水流量一般较小，又无蓄水库调节径流，故水量利用率及综合利用价值较低，装机规模相对比较小（最大达几十万kw）。混合式电站在一个河段上，同时才采用坝式和有压引水管道共同集中落差形成水头的开发方式称为混合式开发。相应的电站称为混合式电站。抽水蓄能抽水蓄能电站是装设具有抽水和发电两种功能的机组，利用电力低谷负荷期间的剩余电能向上水库抽水储蓄电能，然后在系统高峰负荷期间从上水库放水发电的水电站。潮汐水能开发潮汐水电站是利用大海涨潮和退潮的时所形成的水头进行发电的。1.3 水轮机的类型由于河川水能的具体开发条件不同，出现了各种不同类型的水轮机。根据能量转换特征不同，近代水轮机可分为两大类：反击式水轮机主要利用水流的压力能转换为机械能的水轮机称反击式水轮机，它的特点是水流在压力流状态下经过转轮，水流充满整个流道。根据水流流经转轮的方式不同又可分为以下几类。1） 轴流式水轮机水流沿轴向进入转轮，轴向流出转轮的水轮机称为轴流式水轮机，如图（a）所示。根据转轮轮叶结构不同，轴流式水轮机又可分为定浆式（ZD）和转浆式（ZZ）两种。定浆式水轮机的轮叶装置角固定不变；转浆式水轮机的轮叶装置角可随水轮机工作状况的改变自动调整。转浆式水轮机高效率区较宽，能适应出力的变化，但结构复杂。轴流式水轮机多用于低水头大流量的水电站，适用水头388m，多用于50m以下水头。2） 混流式水轮机水流沿径向进入转轮而轴向流出转轮的水轮机称为混流式水轮机，又称轴向轴流式水轮机，如图（b）所示。混流式水轮机适用水头范围30700m，是应用最多的机型之一。我国目前混流式机组的水头最高达302m。3） 贯流式水轮机水流由管道进口导尾水管出口均为轴向流动，转轮与轴流式机组相同，称为贯流式机组，如图（d）所示。根据轮叶结构不同，有贯流定浆式和贯流转浆式两种。贯流式机组过流能力较好，适用于水头范围为130m的低水头与微水头开发，多用于河床式与潮汐式水电站中。4） 斜流式水轮机水流斜向流经转轮，叶片轴线与水轮机轴线有一夹角，称为斜流式水轮机，如图（c）所示。斜流式水轮机转轮叶片装置角可调整，高效率区较宽，其性能界于轴流式与混流式之间，适用水头范围在20150m，可作为水泵水轮机（可逆式机组）用于抽水蓄能电站。冲击式水轮机通过喷嘴将水流能量全部转换成高速射流的动能，冲击安装在转轮外围轮盘上的部分勺斗使转轮转动，将水能转换成机械能的水轮机称为冲击式水轮机。转轮在大气中工作，水流流经叶片（勺斗）时均为自由水面。按射流是否在转轮平面内分，可有以下三种不同形式。1） 切击式（水斗式）水轮机射流在转轮旋转平面之内，如图（a）所示。转轮旋转时，后续勺斗背面会对射流产生一定阻隔作用。2） 斜击式水轮机射流与转轮旋转平面成一斜角，射流由勺斗一侧进入，另一侧流出，增加了水轮机的过流量，如图（b）所示。由于射流避开了水斗背面的阻隔，提高了水能利用效率，但相应产生了轴向水推力。3） 双击式水轮机射流具有一个很宽的长方形截面，与主轴垂直。射流先从转轮外周流向中心，穿过中心空腔后再从内向外流出，二次对叶片发生作用，故称双击式，如图（c）所示。1.4 水电站关键设备介绍主机：包括水轮机、发电机。水能作用在水轮机的导叶和桨叶上，带动转轮转动，从而带动发电机旋转产生电能。主机辅助系统：有一些必要的系统是水轮机组运行所必需的，以保证它安全可靠地运行，包括水、油、气系统。水系统一般指冷却水系统，它保证水轮机组的各个推力瓦以及水导瓦的温度不超过规定的安全运行范围；油系统来保证轴瓦之间的润滑；气系统一般用于刹车装置，使机组尽可能在额定转速下运转，避免在关机过程中长时间的低速运转。直流屏和UPS：电站的后备电源。励磁装置：调节励磁电流改变磁场，调整机端电压、配合调速器改变发电机的输出功率。水机保护和线路保护：水机保护主要监视水轮机组运行中各辅助系统的状况以及各辅助设备的工作状态，当某环节出现故障时根据实际情况来进行相应的动作；线路保护监视电网的状况以及监测电网的各种参数，判断是否正常工作状态，发生状况时及时把水轮机发电机的输出端和电网断开。调速器：调节水流量以调节空载机组的转速和负载时机组的负荷。辅助设备包括油压装置和自动补气装置（常规油压）。监控系统：整体统筹各个设备的运行，监视各设备的运行情况和参数，根据各种需要对各个设备发送控制关命令。二 调速器概况2.1 调速器在水电站的作用和地位电能是一种特殊的商品，电能是一种能量形式的转换，它要求生产与消费同时完成，从这个特点出发，在运行时就要求经常保护电源和负荷之间的平衡。另外保证电能的良好质量也是电能生产过程中的重要任务。通常衡量电能质量的主要指标是电压和频率，其次是波形。频率的偏差将严重影响电力用户的正常工作。对电动机来说，频率降低将使电动机的转速下降，从而使生产率降低，并影响电动机的寿命；反之，频率增高将使电动机的转速上升，增加功率消耗，使经济性降低。特别是某些对转速要求较严格的工业部门（如纺织、造纸等），频率的偏差将大大影响产品质量，甚至产生废品。另外频率偏差将对发电厂本身造成更为严重的影响。例如，在火电厂对锅炉的给水泵和风机之类的离心式机械，当频率降低时其出力将急剧下降，从而迫使锅炉的出力大大见小，甚至引起紧急停炉，这样势必进一步减少系统电源的出力，导致系统频率进一步下降。另外，在频率降低的情况下运行时，汽轮机叶片将因震动加大而产生裂纹，以至缩短汽轮机的寿命。因此，如果系统频率急剧下降的趋势不能及时制止，势必造成恶性循环以致整个电力系统发生崩溃。按我国电力部门的规定，电网的额定频率为50Hz，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总容量的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变化，导致了系统频率的波动，因此不断得调节水轮机发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定的规定范围内，就是水轮机调节的基本任务。总之，水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路以及计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调速器还可以去其他装置一起完成自动发电控制、成组控制、按水位调节等任务。另外在电网发生故障时，配合断路器跳闸快速稳定完成甩负荷过程，保护水轮机组使其尽快恢复额定转速。总之，水轮机调速器的基本任务归纳如下：机组的正常操作保证机组的安全运行合理分配并联机组的负荷2.2 水轮机调速器的类型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。双调调速器用于各类反击式转浆机组类型。被控制对象为导叶和浆叶，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，一般来说，转浆类机组存在导叶与浆叶的协联控制。此外，冲击式机组被控制对象比较多，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。2） 水轮机调速器从整体上讲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）、步进式（BWT）、比例数字式（PSWT）调速器，一般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。而步进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，协同引导阀、主配压阀控制接力器的开关。比例伺服阀通过比例控制器和主配压阀完成电液转换。3） 根据使用的油压大小分为常规油压和高油压调速器。常规油压有：2.5MPa，4.0MPa，6.3MPa高油压一般为16MPa其中压力油罐的容量根据接力器油腔的大小而定。4） 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，小型调速器都采用数字式，三联公司有以下型号产品：SLT300，SLT600，SLT1000。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，步进式以及比例式或者各种形式的结合。有以下几种型号：X1800，X3000，X5000，X7000。大型调速器有以下型号：X80，X100，X150。5） 根据控制部分的可编程控制器plc模块来区分，就目前我公司的使用情况来讲，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，一般用于中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。2.3 水轮机调速器的发展历史机械液压调速器最早的水轮机调速器都是机械液压调速器，它是随着水电建设发展在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，有较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，机械液压调速器固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压调速器，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。 电气液压调速器测速稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电气液压放大部分驱动水轮机导叶控制接力器的调速器，称为电气液压调速器。20世纪50年代以后，电气液压调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，出现了水轮机微机调速器并被广泛采用。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。华中科技大学（原华中工学院）在国内率先研制成功了适应式变参数微机调速器，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业人员设计和生产、批量过少而导致可靠性不高的问题，华中科技大学又与有关单位合作，1993年率先提出并完成了可编程控制器调速器的开发和生产，至2000年底，据不完全统计已有近600台可编程控制器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节器主导产品。从2000年下半年开始，华中科技大学已开始研制新一代的水轮机调速器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同步，水轮机调速器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/伺服电机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。2.4 新型调速器的标准和特性以下所述标准和性能指标以我公司的产品为参考。2.4.1 水轮机调速系统的标准1电气与电气工程师协会标准IEEE/IEC60362-1998；2水轮机电液调节系统及装置技术规程DL/563-1995；3水轮机调速器与油压装置试验验收规程GB/T 9652.21997；4水轮机调速器与油压装置技术条件GB/T 9652.11997；5大中型水轮机组自动化元件及系统基本技术条件GB/T 11805-89；6IEC308水轮机调速系统试验国际规程；7NEMA美国电气制造商协会标准。2.4.2 调速器总体原则符合国家有关文件、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：* 满足有关文件的要求和有关国家标准。* 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。* 各种运行工况稳定运行、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。* 完善的试验、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。2.4.3 性能指标* 导叶接力器全关闭时间调整范围为： 3100S* 导叶接力器全开启时间调整范围为： 3100S* 桨叶接力器全关闭时间调整范围为： 10120S* 桨叶接力器全开启时间调整范围为： 10120S* 频率调整范围： 4555 Hz* 永态转差bp调整范围： 010%* 比例增益Kp调整范围： 0.520* 积分增益KI调整范围： 0.0510 1/s* 微分增益KD调整范围： 0.010 s* 人工失灵区调节范围： 01 .5%nr* 测至主接力器的转速死区不超过： 0.02 %* 水轮机甩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% * 自动空载运行3分钟，机组转速相对摆动值不超过 0.15% 。* 甩100%额定负荷后转速波动超过3%的波动次数不超过 2次，由调速器引起的机组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转速所经历的时间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。2.4.4 调速系统的可靠性自动工况可利用率： 99.99%自动手动可利用率： 100%首次无故障间隔时间（自现场验收起） 不小于35000小时大修间隔时间： 10年 退役前的使用期限： 20年三 调速器的控制原理3.1 水轮机调节的基本原理水轮机调节系统是由水轮机控制设备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中的被控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差，并将其按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合，称为水轮机控制系统。水轮机调速器则是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称。其工作过程为：测量元件把机组转速n（频率f）、功率P，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浆叶机构，同时经反馈元件送回反馈信号至信号综合点。以上为电气控制部分的基本原理。它的执行部分由机械液压装置来实现。它包括压力产生装置（压力罐）和压力动作装置（接力器）。压力罐的首先充入高压气体，常规油压调速器一般充入空气，高油压调速器使用氮气。然后利用螺杆泵将压力油抽入压力罐体。由于气体被进一步压缩，从而产生一定的压强，作用在油面上产生压力油。电液转换装置受电气控制信号驱动，转换为机械位移，借助压力油的做功进行液压放大，产生较大的力改变接力器的开度，从而改变导叶开度以及浆叶角度，调节导水机构的流量、流态，达到对水轮机调节系统种各被控制机构的控制。水轮机调速器是水电站发电机组的重要辅助设备，它与电站那二次回路或计算机监控系统相配合，完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：Jd/dt=Mt-Mg式中：J机组转动部分的惯性矩（kg）；n/30机组转动角速度（rad/s）；n机组转动速度（r/min）；Mt水轮机转矩（Nm）；Mg发电机负荷阻力矩（负载转矩）（Nm）。上式表明，保持机组转速（频率）为恒值的条件是d/dt0，即要求MtMg，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。水轮机转矩MtQHt /式中：Q通过水轮机的流量（m3/s）;H水轮机净水头（m）；t水轮机效率；水的密度（kg/m3）因此只有调节流量Q和效率t，才能调节水轮机转矩Mt，达到MtMg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，只有当水轮机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t），使MtMg，才能使机组在一个允许的规定转速（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，不但地调节水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。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态的，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，通常用水流惯性常数Tw来表述：Tw(Qr/gHr)L/A=Lv/gH式中：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的流速（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小相位系统(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同的方向。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：TaJr/Mr=GD2Nr2/3580Pr式中：Jr额定转速时机组的惯性矩（kg） Mr机组额定转矩（Nm）GD2机组飞轮力矩（kN）nr机组额定转速（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由0上升至额定转速nr所需要的时间。水轮机调节系统是由水轮机控制设备（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等反映机组运行工况的参数测量出来作为水轮机调速器的反馈信号，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。3.2 调速器系统的结构3.2.1 电气控制系统水轮机调速系统的电气控制部分采用高性能法国施耐德MODICON TSX系列或者日本三菱FX2N、A系列可编程控制器PLC，可根据用户要求配备成单机系统或双机系统，电气输出具有步进电机、比例伺服阀、数字阀、伺服阀四种可兼容的输出型式以及电气导叶的电气开度限制。电气调节器采用可编程控制器PLC，可根据用户要求配置单机或冗余双机电气控制系统，如果是双机结构，那么两套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 ，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。电气控制部分采集导叶位置、水头、功率等模拟量信号，机频、网频信号，来自监控系统的开关量指令信号以及断路器位置信号来进行调速器工作状况的判断和对导叶进行闭环的控制。两套完全独立的冗余系统的运行方式为：全容错在线热备，自动无扰切换单机后备式运行，人为切换 采用一种归零式的系统结构，在稳定运行或故障情况下自动复中零输出。以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字信号、模拟信号以及开关输入输出信号的通讯和数据交换。水轮机调速系统的测频环节残压测频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，主要体现在如下几个方面：第一，干扰源复杂，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频率，若调速器处理不当将会造成机组过速，调节不稳定等。第三，若PT的保险炸裂、接触不良或断线等，此时调速器接受到的残压信号完全是一个干扰信号，这个干扰信号通过硬件电路根本无法消除，因而此时调速器难以准确、及时地判断出断线等故障，仍然以错误信号加以调节，引起接力器大幅度抽动，机组转速将会大幅度变化，严重时，引起低油压事故等，严重威胁机组安全、经济运行、造成极其严重后果。第四，电力系统污染。由于大量的水电站近区都建有用电大户(如电炉)，当用电大户负荷变化较大时，引起一次电压波形畸变，当机组并网后，由机端PT引入的频率信号自然在跟着发生畸变。由于用电大户负荷变化时间较长，在负荷变化的时间内由PT引入的频率信号根本不能反映真实的机组频率，所以残压测频方式也不可能测得真实的机组频率。从机组实际运行中可以观察到：调速器一般运行的都正常，而在某段时间内，机组抽动频繁，有时导叶开度大幅度波动，此时用示波器观察PT引入的测频信号，可明显地观察到在频率信号的交流波形上叠加了一个频率高于机频的交流波，该波的幅值一般随用电大户的负荷增加而增大。由于该波是连续的，而且幅值较大，所以无论是从硬件上还是从软件上都不可能过滤掉这个叠加的波而测得真实机频。齿盘测频采用齿盘测频(即采用接近开关和齿盘)检测机组频率，其信号的电压幅值稳定，且为独立的系统，不易受现场干扰，是可靠的测频信号源。目前，数字式齿盘测频方式在测频精度要求不高的场合中已经得到了大量应用。但在国内水轮机微机调速器领域中还很少采用，其原因是调速器对频率测量的精度要求高，而齿盘的加工精度、机组摆动、齿距的不均匀度都会影响测频精度，从而无法满足水轮机调速器的要求。但我们通过选择恰当的测量方式和处理，可以准确的测量出机组频率，其测量精度和实时性均可以充分保证调速器对测频精度和实时性要求，使得齿盘测频装置产生的频率信号能运用于调速器。盘测频是我公司研制的为水轮发电机组调速器提供高可靠、高精度频率信号的专用装置。其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安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题。齿盘测频由齿盘、接近开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。由信号整形电路、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调速器。3.2.2 电液转换环节目前我公司的产品，主要存在以下三种基本的电液转换结构：数字式、步进式、比例伺服阀式。根据不同需要，这三种结构可以自由组合构成冗余系统。数字式 采用脉冲控制控制电磁数字球阀，输出高电平和低电平控制线圈动作和复位，从而控制油路（包括开方向和关方向）的通和断。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种新的液压元件，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。因此用它作为前置级控制的调速器机械液压系统由三联公司在98年率先推出，并获得国家专利，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140，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。步进式由调速器电气系统输出高、低电平开关信号到驱动器的正转/反转端，使步进电机正、反方向的旋转控制接力器的开或关。输出脉宽调制信号占空比PWM到驱动器的停止/运行端，控制步进电机的旋转角度来调节接力器的速度。驱动器的速度控制端加一恒定的电压2V-3.5V控制步进电机的最高转速。电-位移转换器是水电站调速器中联接电气部分和机械液压部分的关键元件。将电机的转矩和转角转换成为具有一定操作力的位移输出，并具有断电自动复中回零的功能。它的作用是将调节器电气部分输出的综合电气信号转换成具有一定操作力和位移量的机械位移信号，从而驱动末级液压放大系统，完成对水轮发电机组进行调节的任务。该装置包括筒体，与筒体连接的电机，电机轴通过连结装置与滚珠丝杆副穿入筒体中，滚珠丝杆通过丝杆螺母与联结套连接。联结套穿过两彼此分开的具有一段行程的弹簧套，复中弹簧设在弹簧套中，筒体设有两弹簧套的限位装置。电一位移转换过程由纯机械传动完成，滚珠丝杆运动灵活、可靠、摩擦阻力小，并且能可逆运行。传动部分无液压件，无油耗。采用弹簧力直接作用在高精度大导程滚珠丝杆上，当电源消失后,能迅速使联接套回到中位,使与之相连的主配引导阀自动准确回复到中间位置,保持接力器在原开度位置不变。复中机构仅为一根弹簧, 结构简单,动作可靠,调节维护方便。比例伺服阀式由调速器电气D/A输出-10V +10V的模拟电压信号控制比例阀的阀芯位移，达到调节比例阀输出流量的目的。比例伺服阀为四位四通阀，包括开、关、中间封油及断电复中安全位。放大器的供电电源为+21 +40V,最大电流为2.7A，当放大器的供电电源消失后，比例伺服阀处于断电复中安全位。3.2.3 液压放大机构对于数字式小型调速器，采用换向阀结构作为液压放大级，有16mm、25mm通径两个型号，根据最大通油量的不同来对不同容量的接力器进行控制；对于大型的数字式调速器，采用插阀装阀结构作为液压放大级，一般为32mm通径。对于步进式和比例伺服阀式调速器，采用引导阀和主配压阀作为液压放大级，构成二级放大机构。电液转换器与引导阀直接连接，引导阀同时产生位移并通过液压放大器使主配压阀活塞也产生相应的位移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动。根据所需操作功的不同，主配压阀的直径有80mm、100mm、150mm、200mm、250mm几种型号。主配压阀为锻件整体加工件料均优质合金钢40CrM，粗加工后进行高温时效处理（消除心部应力，提高切削性能），半精加工后进行渗碳、淬火处理（提高表面硬度和耐磨性），最后进行精加工和表面防锈处理或手动研磨。这样加工出的零件既具有好的心部韧性，又有高的表面硬度和耐磨性，表面洛氏硬度处理可达HRC:60-64度。主配压阀加工精度高，无泄漏，外形美观，耐磨损、抗油污。数字阀液压系统原理图：如图，开、关数字球阀作为系统的控制油路，以其动作和复位来操作液控换向阀的动作方向，从而控制接力器的开、关。3.2.4 机械执行机构机械执行机构为主接力器，它直接操作导叶或桨叶动作，改变导叶的开度（及桨叶的角度）以改变水流对机组的出力。它属于液压放大系统的末级装置。3.2.5 必要的辅助设备压油装置：由压力油罐、回油箱组成。提供液压原动力，通过液压放大级放大来达到操作导叶所需要的极大操作力。目前我们所采用的压油装置有以下等级：常规油压包括2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa；高油压有16MPa。补气装置：油压主要靠压缩空气或者气囊式氮气来产生。常规油压的油气比一般为1：2，可手动或自动补气来保持这一油气比。滤油器：双联滤油器有两组滤网，运行时可用旋塞进行快速切换而不中断供油。每组滤网有粗滤网及细滤网各一个，经粗滤的油供引导阀、辅助接力器。调速器配置油过滤装置-双联滤油器，过滤精度20?m，该过滤装置能在正常运行中进行清洗。滤油器滤网为并联两组，互为备用，能自动切换，切换时不影响液压系统正常工作。采用不锈钢折叠式滤网，强度高、过流面积大，便于在运行中取出清扫，清扫时不造成油路系统污染。分段关闭装置（可选）：根据用户要求可以配置机械液压传动的导叶分段关闭装置，分段关闭装置采用三联公司的专利产品：DX-1型 (专利号：ZL 00 2 32366.4)3.3 调速器的运行及流程控制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机械手动)，三种控制模式的优先级依次为：现地手动（机械手动、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。当电气部分发生故障时，可自动切换至机械手动状态。 各种工况之间相互跟踪，因此无论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、水位调节运行模式可手动或自动转换，无任何扰动。调速器设有可调的电气型导叶开度限制功能，导叶电气开度限制能按水头自动改变空载开度给定值及限制负载机组出力。导叶限制可在远地、远方进行调整及数值显示。3.3.1 调速器运行流程提供合适的系统软件和应用软件去完成规定的工作。软件按模块化设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，并使用户能通过PC机对软件程序进行检查调整，重新配置和开发程序软件采用模块化设计，采用通用的梯形图逻辑编程方法，使用方便，维护容易。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过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，对每个输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，只需根据实际情况改变数据寄存器区的内容，就可以进行日常的维护、检修和调试。3.3.2 自动运行工况1）停机备用调速器自动运行运行时，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 :无开机令 、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1020%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,确保机组关闭。当接力器的开度大于5%(主令开关接点), 紧急停机电磁阀动作。 2）自动开机过程机组处于停机等待工况，由中控室发开机令，调速器将接力器开启到1.5倍空载位置，等待机组转速上升，如果这时机频断线，自动将开度关至最低空载开度位置。当机组转速上升到90%以上，调速器自动将开度回到空载位置(该空载位置随水头改变而改变)，投入PID运算，进入空载循环，自动跟踪电网频率。当网频故障或者孤立小电网运行，自动处于不跟踪状态，这时跟踪机内频率给定。调速器可实现现地开机或由电站计算机监控系统远方控制机组开机。* 现地自动开机；* 计算机监控系统远方自动开机；* 现地电手动开机；* 现地纯手动开机；3) 空载运行工况用线性差值法根据水头输入信号自动修改空载开度给定值和负载出力限制，水头信号可自动输入或人为手动设置。调速器能控制机组在设定的转速和空载下稳定运行。在自动控制方式下，调速器能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。在空载运行方式下，导叶开度限制应稍大于空载开度。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：45HZ55HZ)。可自动或人为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。空载工况下的参数：(1) PID调节参数：bt,Td,Tn bp=6(可人为修改)E=0(2) 运行参数： 最大及最小空载开度最高及最低水头导叶开及关放大系数（一般为530倍）主配位置放大系数 （ 一般为215倍）4）负载运行工况负载调频、调功、定开度运行工况在负载运行工况下调速器控制机组出力的大小，电气导叶开度限制位导叶的最大位置并接受电站计算机监控系统的控制信号，有负载开度、功率、频率三种调节模式。现地（机旁手动）或远方（手动或自动）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，具有脉宽调节(调速器开环控制)、数字量、模拟量定值调节有功功率和机组开度的功能。 当功率调节模式下功率反馈故障自动切换到开度调节模式下运行。当在开度调节或功率调节模式下，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。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断大小电网的依据，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。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(整定值与用户协商，缺省值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，机组转速稳定在额定转速运行。负载工况下的参数：* 运行模式：开度调节模式功率调节模式频率调节模式* PID调节参数：开度模式bt,Td,Tn功率模式bt,Td,Tn频率模式bt,Td,Tnbp，E* 运行参数：最大电气开限最小电气开限导叶开及关放大系数主配位置放大系数调相运行当机组并网后,中控室发调相令,调速器按两段关闭将接力器关回,先快速将接力器关到15%,然后慢速关到零,处于调相循环状态,如调相令解除,则自动将电开限按水头值打开到某开度,开度给定回到空载位置。5) 运行工况切换冗余电气系统双机之间的切换、控制或操作方式的切换（包括机械手动操作）、事故等切换无扰动。自动、电手动、机手动之间任意切换，无扰动。两套电源无缝切换 。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运行工况。运行方式切换(1) 现地、远方之间任意的切换；(2) 自动、电手动、机手动之间意切换 (3) 频率、功率、开度调节模式之间的切换；(4) 频率跟踪功能的投入、切除；(5) 人工频率死区的投入、切除；(6) 自动水头、人工水头之间任意的切换；(7) 残压PT、齿盘任意切除；(8) 交流、直流电源的投入、切除；6) 自动停机主接力器在机组停机时有1015mm的压紧行程，机组在正常停机状态下由调速器输出相应信号，使主接力器的关腔保持压力油以保证机组的导叶全关。调速系统在接收停机令后（停机令必须保持到机组转速小于70以下）在下列情况下使机组停机：(1) 正常停机* 一般停机：在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后，接受停机令停。* 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。(2）紧急停机机组紧急停机时，外部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）关闭导叶。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。(3）事故配压阀停机当调速器失灵时，事故配压阀动作，确保机组可靠停机。 (4) 机械过速保护装置设计有机械过速保护装置的调速系统，由机组转速上升值控制机组可靠停机。(5) 闭锁在找到事故原因并加以消除以前，事故停机和紧急停机回路一直保持闭锁状态，只有通过手动操作复归程序才能复归。3.3.3 电手动运行工况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）高于机械手动。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。3.3.4 机械手动运行工况机械纯手动操作流程：机械纯手动控制模式的增减导叶开度的精度（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，可人为手动操作，启、停机组，增减负荷；并接受紧急停机信号。3.4 调节规律补偿PID：具有控制结构自适应和参数自适应的调节功能，自动按工况改变运行参数、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。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和机组安全稳定地运行。在空载工况下，网频正常且为跟踪状态时的频差为： F =