微计算机调速器

一、我国调速器制造工业的发展与成长

建国以来，我国调速器制造工业经历了引进一仿制一自行研制生产的过程;从调速器类型的发展过程来看，则经历了20世纪五六十年代的机械液压型，六七十年代的模拟式电气液压型，80年代初以来的基于微处理器或微计算机的数字式电气液压型。半个世纪以来，我国调速器工业从无到有，从小到大，自力更生地逐步建立和发展了自己的研究基地和民族工业。

我国调速器领域技术进步主要有下面的标志。

(一)技术法规的制订和建立

技术法规和文件是确保产品质量、推动技术进步的重要保证。20世纪70年代初，国际电工会议(IEC)推出了一个推荐标准《水轮机调速系统试验国际规范》，（IEC一308)至今，这个文件仍然是国际上普遍使用的最具权威性的规范。此后，美国国家标准协会与美国机械工程师协会、原苏联、德国、日本等先后推出了各自的标准。随着科学技术的发展，IEC又于1986年及1995年先后推出了修订草案，于1998年3月正式发布了《水轮机控制系统规范导则》。

我国技术规范的制定基本上是与国际同步的。我国第一部关于水轮机调速器的标准是由原第一机械工业部于1965颁布的JB 627-65，又于1979年修订为《水轮机调速器与油压装置技术条件》} JB 627-79。经过广大科技人员不断的实践和总结，1988年我国颁布了该领域的第一部国家标准，即《水轮机调速器与油压装置技术条件》(GB9652-88。经过近十年的实践与总结，于1997年修订为GB/T 9652.1-199;同时，发表了另一项国家标准《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》。与此相应，原电力工业部于1995年发布了电力行业标准《水轮机电液调节系统及装置技术规程》(DL/T 563-95。这是我国水轮机调速器领域科技进步的重要标志。

我国这些技术规范的产生和完善有下列特点:}a)以国际标准为蓝本，尽量与国际接轨;(b>紧密结合我国实践，密切跟踪国内外科技的发展，以利于我国水轮机调速器领域的设计、制造、运行水平不断提高。因而，这些技术规范既具有国际可比性，又具有中国特色。例如，在第一部国家标准GB 9652-88中，对电调与机调，大、中、小型调速器界定了不同的指标;在新的国家标准中，充分考虑了近年来微机调速器的发展增加了有关条款。我国的这些技术规范使在水轮机调速器的设计、制造、安装、验收、运行中，有法可依，有据可查，对提高我国水轮机调速器的产品质量和运行水平发挥了重大作用。

(二)微机调速器的蓬勃发展

随着微电子技术的发展，我国学者在20世纪80年代初即开始从事微机控制技术应用于水轮机调节的研究。1984年11月，华中理工大学和天津水电控制设备厂合作研制的我国第一台微机调速器在湖南欧阳海水电站投入运行。由于微机调速器具有精度高，软件灵活性大，便于采用先进的控制策略，藉硬、软件的容错、避错等措施可提高可靠性等优点，它一诞生就表现出强大的生命力。此后，电力部自动化研究院、天津电气传动研究所、武汉水电控制设备公司、哈尔滨电机厂、东方电机厂、长江水利委员会电控所、武汉水利电力大学、华北电力学院、河海大学等许多高等院校、科研院所、企业均先后开展了微机调速器的研制。应该说，20世纪80年代以来是我国调速器行业最佳发展阶段。其主要特点如下:

1.我国的微机调速器是由我国的学者和工程技术人员独立自主地自行研究、设计和制造的，其性能指标均达到了当时的国际先进水平。

2.产、学、研紧密结合，研究密切联系生产，科研成果能迅速转化为生产力。目前，在电站运行的我国自行研制的各类微机调速器己达数百台。从硬件来看，己由初期的单板机，发展到后来的单片机、可编程控制器(PLC)、工业控制机(IPC)等并存;从控制策略来看，对常规PID控制规律作了改进，提出和应用了一些新的控制策略;从开发环境来看，由最初的机器码—汇编语言—高级语言(如C语言)，发展到面向任务的基于图形组态的开发平台;从应用领域来看，既有用于混流式机组和转桨式机组的，也有正在开发研制用于贯流式机组、冲击式机组及抽水蓄能机组的。

当前，我国的微机调速器领域正向更先进、更可靠、性能/价格比更优的方向发展。

(三)新型液压系统的研制

我国在液压系统的研制方面也获得了长足的进步。

1.关键液压元器件的研制

20世纪80年代以来，水电部对我国水电设备质量作过三次调查。调查及分析结果表明，在电子液压型调速器中，电液转换器是最薄弱环节，其故障率是各类电气及液压元器件中最高的。据调查，电液转换器的主要故障是控制套发卡及油孔堵塞，从而使调速器失控。在对原有电液转换器结构分析的基础上，我国科技工作者自行设计和研制了新型电液转换器。有两种具有代表性的产品经能源部水轮机调速器经验交流会推荐，在国内推广使用。

一是环喷式电液伺服阀。该阀是基于液压防卡、万向、自旋等原理设计的一种新产品。其主要特点为:

—控制套不断地快速旋转，阀塞也随之缓慢地旋转，因此消除了静摩擦和粘滞影响，提高了灵敏度;

—阀塞断面设计成锯齿状，由于几个分段呈几段小锥体，当阀塞与阀套不同心时，锥体表面径向压力不匀，推动阀套自动调中，即变液压卡紧力为自动调中力;由于阀套和中心杆系万向、滚动球铰结构，调中方便;

—阀套上环或下环堵塞时，均有一定的自洁能力，提高了抗油污及防卡能力。

该阀己有400余台产品在国内大中型水电厂投入运行，可靠性高，性能优良。该阀由湖南水科所研制，1988年获国家发明奖三等奖，1990年获国家发明专利。

二是双锥式及双球式电液伺服阀。由双锥式先导阀构成的双锥式电液伺服阀的主要特点为:具有良好的对称补偿作用，在工作油压和负载波动时，零点漂移小具有自动清污能力，耗油量较小。在继承该阀优点、克服该阀某些缺点的基础上，设计者又推出了可靠性高、抗油污能力强的双球式电液伺服阀。该阀由长江水利委员会电控所研制。

2.电液随动系统的发展

在带有缓冲器的机械液压型调速器中，机液部分有双重作用:一是功率放大，二是直接参与控制规律的形成。自产生电液调速器以来，机械液压部分逐步发展为单一的功率放大作用。20世纪80年代以来，我国在液压系统的研制方面也取得了快速的发展，以下是具有代表性的几个方面。

(1）块式直连型机械液压系统。该系统采用高度集成的液压集成块结构，实现了调速器机械柜内取消常规纵横交错的明管和复杂的杠杆系统。其独有的自动复中装置和定位器可使电液伺服阀轻易地上、下对称地直接带动引导阀，其最大操作力仅为常规的

1/10;而且在伺服阀断油时，引导阀即自动复中，机组负荷保持不变，提高了可靠性。该系统己在单机容量300MW以上的大型水电机组应用，该系统由湖南省水科所研制，获1996年国家发明奖四等奖。

(2)步进式电液随动系统。由西安理工大学、葛洲坝电厂等研制。以步进电机取代电液伺服阀的电液随动系统，克服了电液伺服阀易堵、发卡的缺陷。这种系统己在葛洲坝电厂等大型机组中获得了成功的应用。

(3)在开发高油压系统，采用标准液压元件构成液压系统等方面取得了新的进展。

二、国内外水平比照及分析

目前，具有国际先进水平的调速器公司(如WOODWARD， ABBALSTOM POWERHYDRO ，VA ECH ，VOITH，KVAENER等)推出的产品均为微机调速器。因而，国内外水平比照及分析主要基于微机调速器来进行。将国内外研制微机调速器的状况作一全面对比，作如下估价是客观的:从科研的角度看，我国与发达国家基本是同步的，基本处于同一水平上;但就产品的制造工艺和质量而言，与发达国家尚存在不小的差距。这可从以下几个方面来分析。

(一)起步时间

我国于1981年开始研制微机调速器，少数发达国家先于我国，但不少国家(如法国，美国等)则比我国晚。

(二)控制策略

国际上各公司的产品采用的都是以并联PID为基础的控制策略。有些公司在非线J险补偿、非最小相位补偿、电网特性等方面采取了专门措施，各具特色。国际学术界在控制策略的研究上也甚为活跃。与国际相比，我国毫不逊色。我国学者及工程技术人员对适应式控制、最优控制、预测控制、智能控制(含模糊控制、神经网络控制等)在水电机组的应用进行了广泛而深入的研究，对机组最优开停机规律、工况转换(尤其是抽水蓄能机组)、相位控制等方面进行了研究与实践，大大改善了机组的运行性能和品质。经对1989年至1998年10年半间刊登在国际权威刊物IEEE Trans.on Energy Conversion的统计，在水轮机调节方面，华中理工大学发表的论文占1 /3。尤其值得指出的是:由于三峡电站水头变化范围大(由运行初期的61m至最大水头113 m)，机组在电力系统中承担调峰、调频的任务，三峡公司在1999年发布的国际招标文件中规定了三峡机组的调速器必须具有对于水头和负荷变化的自适应能力。国际上著名的三家调速器公司ABB ALSTMPOWER HYDRO,VOITH和VA TECH(注:参加投标的仅此三家公司)于2000年4月提交的投标文件中，为满足上述招标文件要求的方案，均采用了作者于20世纪80年代初提出与发表的适应式变参数PID控制模式。可见，在水电机组控制策略方面，我国的研究在国际上是处于先进水平的。

(三)系统结构及硬件

关于系统结构，国外调速器中有单系统(如以往的ABB, NEYRPIC, SU LZER等的产品)、双机容错系统(如日立等的产品。此外，前述诸公司在三峡机组招标中表示，他们也能提供双机系统)、三机容错系统(如WOODWARD的产品)等几种。我国这三种系统结构也均有，且以双机容错系统为主流。一般而言，容错系统可靠性较高。三种系统结构各有特点，采用何种结构，需经技术经济论证确定。

至于所采用的微机或CPU，由于微电子技术的迅速发展，更新速度很快，位数不断加长(由8位、16位、32位到64位);时钟频率不断提高;内存不断扩大;通信方式更加多样。国外，有的公司采用IPC，有的公司采用PLC。但大多都是根据电站控制设备的特殊要求，独立设计本公司的系列产品，而不是简单地采用市场上的通用设备。我国有采用IPC的，有采用PLC的，也有自行设计专用控制机的。可以预见，随着微电子技术的迅速发展，将不断涌现可靠性更高、性能/价格比更合理的新机种。

(四)功能与性能

由于微机具有丰富的运算、逻辑、通信能力及多种I/0接口，微机调速器的功能正在不断扩大。除了传统意义上的基本调节和控制功能外，有的国外公司同时设置了接力器和电功率两种反馈;有的加设了水位控制、涌浪控制、非最小相位补偿等功能，以满足不同水轮机机型的需要;有的还加设了一定的测试和仿真功能。我国自行研制的微机调速器在增强功能方面也取得了许多成果，有的同时设置了频率、功率、开度三种模式;有的增设了相位控制;有的有内嵌式静动态特性测试和仿真功能。随着多媒体技术的发展，人机界面(M an一M achine Interface，简称MMI)愈来愈丰富、完善与友好。

从性能上分析，我国微机调速器主要性能指标均达到了国际先进水平(如转速死区is < 0.02%接力器不动时间T} < 0.2s等)，这是我国调速器行业在20世纪80年代取得的重大技术突破。

(五)可靠性

1.关于系统可靠性(含硬软件)

我国在可靠控制系统设计、高可靠性技术、可靠性分析等方面进行了深入的研究。在硬件方面，采取了冗余、严格隔离、防干扰等措施;在软件方面，运用了故障诊断、容错、避错、纠错等技术，降低了故障率，提高了故障处理能力，缩短了修复时间，从而大大提高了系统的平均故障间隔时间(MTBF)和可利用率。国外产品也在不同程度上采取了类似措施。

2.与元器件质量、制造工艺有关的可靠性

在制造工艺、质量检查与保证体系(含法规及手段)方面，与先进国家相比，尚存在一定的差距。