浅析可编程序控制器在水轮发电机组调速系统中的应用

林时来 胡永和

摘 要：对于水力发电站而言，水轮发电机是十分重要的设备，而调速系统能够对其进行实时的控制，保证水轮发电机的安全和稳定运行。本文以可编程序控制器为例，对其在水轮发电机组调速系统中的应用情况进行了分析，然后提出了改进的策略，希望能够为相关的工作提供一定的参考。

关键词：PLC；水轮发电机；调速

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.168

0 引言

除了对水轮发电机进行实时的控制，调速系统还需要完成开机、停机以及调整负荷等任务，相关研究人员也在不断提高调速系统的稳定性和可靠性。目前而言，可编程序控制器（PLC）的性能优良，可靠性很好，并且在众多领域内得到了广泛的应用。

1 水轮发电机组调速系统简介

一般而言，水轮发电机组调速系统的静态特性以及动态特性比较容易实现，通过计算机技术以及信息处理技术，能够很好地保障水轮发电机的平稳运行，而可编程序控制器在水轮发电机组调速系统中的作用主要是提高系统的可靠性，并且解决一些复杂问题。可编程序控制器具有诊断功能，可以通过各个模块搜集机组、电网的频率，从而判断机组的工作是否正常。当机组工作不正常时，就需要按照PID控制规律，对机组的转速进行控制。不仅如此，调速系统可以与上位机进行通信，接受命令完成相应的操作，并且向上位机反馈自身运行的信息。上位机可以实时掌握调速系统的状态和情况，这就便于工作人员对设备进行控制和管理。假设调速系统出现故障或者是相关设备出现问题，故障信号可以直接发送到上位机，也可以发送到电站的二次回路，并且能够进行声光报警。

可编程序控制器的特点是可靠性高，但是应用到水轮发电机组调速系统中，还需要考虑硬件的成本，所以需要采用主-从结构，并且主要通过主机进行工作，如果出现故障，再通过操作面板进行调整。为了保证整个调速系统的可靠性和稳定性，需要对模拟量的输入进行滤波处理。

2 提高可编程序控制器应用水平的策略

（1）提高处理速度。可编程序控制器与工业生产息息相关，而且PLC的设计也遵循工业控制系统的要求，所以能够快速实现编程，并且对于应用的环境没有特殊要求。但是需要注意的是，PLC的发展基础和依据是顺序控制，随着VLSI的发展和成熟，PLC的应用范围变得更加广泛。水轮发电机组调速系统对于精度的要求十分严格，这就需要调速系统具备极快的处理速度，这对于大型PLC而言，可以很好地完成这项工作，可是大型PLC价格比较昂贵，成本较高，所以需要从小型PLC价格入手，提高处理速度和能力[1]。

1）控制算法。就PLC而言，在进行相关运算时，逻辑处理能力十分突出，但是功能比较单一，并且会占用大量的CPU，造成系统反应缓慢。水轮发电机组调速系统在运行过程中，会涉及大量不同类型的算法，特别是PID算法，这类算法对应不同的调节模式，所以导致CPU负担过重。针对这种情况，需要改进控制算法，尤其是在一些变量没有显著变化或者是变化没有产生较大影响时，就不需要重复进行控制运算，这樣能够减少计算的时间和次数，从而减轻CPU的负担，满足调速系统的要求。

2）等级划分。众所周知，调速系统需要收集的状态量很多，并且不断接收命令，同时做出反馈，这些信息和命令需要一定的时间，而且不能疏忽大意，所以不能通过算法提高处理速度，而是需要对信息进行分级，对所有需要处理的信息按照程度轻重进行划分，然后优先采集那些相对重要的信息。可以通过智能接口单元，采集完成后进行预处理，然后再传输到PLC中，这样就能够优先完成处理工作，减少PLC的工作量。

（2）丰富调节模式。目前，水轮发电机组应用的调速系统以及市场中常见的调速系统，都集中在转速的调节上，但是调速系统不仅需要调节转速，还要完成开机、停机等一系列的操作，所以静态和动态指标不能准确衡量调速系统。加上我国电网的规模不断扩大，发电机组的调速系统不仅要做好电网调频工作，还要不断调整自身负荷，这就需要改变开度设定值，这是因为开度和功率有一定联系。可是一些大型的发电站，改变开度对于功率的影响效果不明显，只能通过功率直接设定负荷。科学研究表明，如果一个调速系统仅仅能够调节转速，尽管动态指标十分稳定，但是仍然无法满足市场和实际需求，这是由增减负荷的速度决定的，只有在增减负荷时保持较快的速度，才能真正满足现场的需求。可以通过增加前馈环节，提高后期的响应速度，从而在一定程度上改变功率，但是与开度的改变还存在直接的关系。国外的一些先进的调速系统在PLC的基础上，增加了一些额外的调节功能，起到了一定的效果。为此，笔者尝试设计一种多功能的调节模式，不仅涵盖转速调节，还包括开度调节和功率调节，这样才能更好地适应社会的发展[2]。

（3）有关注意事项。需要注意的是，为了保证PLC正常工作，调速系统应该具备自动选择的功能，也就是在选择调节模式时，不支持手动选择。但是也不是任何情况下都不允许手动选择，如果水轮发电机组并入电网，并且正常运行，这时候如果要切换调节模式，就可以进行手动选择。电站的工作人员需要根据实际情况，合理选择调节模式。以开度的调节为例，如果机组需要降低开度，就需要手动选择开度调节模式，而且在手动切换过程中，需要保证机组的平稳运行，整个调速系统也要保证良好的状态，严禁任何不当操作对系统产生干扰和破坏。当然，PLC可以根据检测到的异常情况，直接进行自动切换，这是因为控制单元内有容错软件，可以纠正失误的操作，如果人为进行切换，需要进行确认，如果不进行确认，视为无效操作。调节模式之间的互相切换，会导致开度和功率发生相应的变化，所以操作需要简单、准确和便捷。

3 结论

综上所述，经过分析，我们发现可编程序控制器在水轮发电机组调速系统中的应用完全符合实际情况，虽然存在一定的不足之处，但是经过改进和优化，可以很好地满足我国水力发电站的正常运行。

参考文献：

[1]孙伟华，周玉萍，邢立强.水轮发电机调速器中多项式方程法的应用分析[J].水电厂自动化，2015，36（02）：49-50.

[2]聂勇文.基于协同控制理论的水轮发电机组调速系统控制研究[D].华中科技大学，2016.