我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速技術(shù)創(chuàng)新回顧與學(xué)科前景展望

潘熙和，王麗娟

(長(zhǎng)江科學(xué)院長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所，武漢 430010)

我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)開(kāi)始于20世紀(jì)50年代，目前處于迅速發(fā)展階段。正值長(zhǎng)江科學(xué)院建院60周年之際，回顧學(xué)科的技術(shù)創(chuàng)新歷程，展望不斷發(fā)展的未來(lái)，希望能對(duì)學(xué)科建設(shè)起到承上啟下、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的作用。

近10多年來(lái)，我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)廣泛運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和現(xiàn)代液壓技術(shù)的新成果，大量吸收工控行業(yè)先進(jìn)成熟的技術(shù)成果和經(jīng)驗(yàn)。各專業(yè)制造公司和科研單位極大地發(fā)揮工程技術(shù)人員的創(chuàng)造性，不斷推出調(diào)速器新品種，使我國(guó)水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，產(chǎn)品整體技術(shù)水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，完全滿足我國(guó)水電能源發(fā)展和水電站自動(dòng)化控制的要求。

目前，除因?yàn)榉羌夹g(shù)因素的調(diào)速控制設(shè)備從國(guó)外采購(gòu)?fù)?，混流式、軸流轉(zhuǎn)漿式、貫流式、沖擊式水輪機(jī)組所需配套的調(diào)速器都由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。如2010年投運(yùn)的三峽右岸電廠12臺(tái)機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)采購(gòu)，標(biāo)志著我國(guó)巨型水電機(jī)組及其輔助設(shè)備國(guó)產(chǎn)化取得重要進(jìn)展［1］。

1 我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)發(fā)展歷程回顧

解放初期，我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速器大部分產(chǎn)品從蘇聯(lián)購(gòu)買，少量制造亦是照搬蘇聯(lián)圖紙生產(chǎn)。在20世紀(jì)50年代末，我國(guó)第一臺(tái)電子管電液調(diào)速器誕生，由當(dāng)時(shí)的水利水電科學(xué)研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和哈爾濱電機(jī)廠等單位聯(lián)合研制，并安裝在廣東從化流溪河水電站運(yùn)行;但20世紀(jì)50至60年代，我國(guó)的水輪機(jī)調(diào)速器大部分系機(jī)械液壓型調(diào)速器;至20世紀(jì)60年代中期，我國(guó)第一臺(tái)晶體管電液調(diào)速器誕生，由當(dāng)時(shí)的水利水電科學(xué)研究院、天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所和長(zhǎng)江水利委員會(huì)(原長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室)等單位聯(lián)合研制，并在湖北陸水試驗(yàn)電站運(yùn)行;20世紀(jì)70年代至80年代初，新建的大中型水電站較多地采用了電子管、晶體管或小規(guī)模集成電路電液調(diào)速器，此階段可算是機(jī)械液壓調(diào)速器與電氣液壓調(diào)速器并重。

20世紀(jì)80年代，隨著改革開(kāi)放和電子技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位、高等院校聯(lián)合制造部門，開(kāi)始研制以微處理器為核心的微機(jī)調(diào)速器。如微機(jī)調(diào)節(jié)器以Z-80單板機(jī)、MIC-2000工控機(jī)以及自行研制的以8086CPU等等為硬件核心。采用適應(yīng)式變參數(shù)PID調(diào)節(jié)模式、雙微機(jī)調(diào)節(jié)器的雙通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微機(jī)調(diào)速器，其自動(dòng)控制水平產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。以微處理器為核心的微機(jī)調(diào)速器成功地應(yīng)用于葛洲壩、三門峽、巖灘、寶珠寺等水電廠。從此，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)入微機(jī)調(diào)速階段，并與計(jì)算機(jī)工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展同步。

因我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)水平的制約，與外國(guó)產(chǎn)品相比，整機(jī)硬件可靠性較低，性能一致性與長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性難以保證。20世紀(jì)90年代以來(lái)，各單位相繼開(kāi)展了將工業(yè)可編程微機(jī)控制器(PLC)應(yīng)用到調(diào)速器中的研究工作，開(kāi)發(fā)出不同品牌的PLC微機(jī)調(diào)節(jié)器。由華中科技大學(xué)與相關(guān)單位合作開(kāi)發(fā)的PLC微機(jī)調(diào)節(jié)器，首臺(tái)于1993年5月在歐陽(yáng)海水電廠成功投運(yùn)。目前，PLC可編程調(diào)速器已成為我國(guó)微機(jī)調(diào)速器的主導(dǎo)產(chǎn)品［2］。

21世紀(jì)的微機(jī)調(diào)速器，隨著可編程計(jì)算機(jī)控制器概念的提及，宜昌能達(dá)公司、武漢長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所、西安理工大學(xué)等單位相繼開(kāi)發(fā)了貝加萊B＆R2003，B＆R2005和X20等系列的 PCC微機(jī)調(diào)速器，其測(cè)頻的精度、實(shí)時(shí)性、可靠性以及整機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性都得到了改善，不失為較為理想的水輪機(jī)調(diào)節(jié)器［3］。

隨著電子技術(shù)的更新發(fā)展，推動(dòng)了水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)的發(fā)展。目前，機(jī)械液壓型調(diào)速器已被微機(jī)電液型調(diào)速器完全取代，很多依靠機(jī)械液壓來(lái)進(jìn)行位置測(cè)量或反饋的環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)變?yōu)橛呻娮釉骷噪娏啃问酵瓿?。因?guó)內(nèi)調(diào)速器油環(huán)境不夠好而影響其可靠性，人們?cè)陔娨恨D(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的研究中花了大功夫，電液伺服閥、比例閥、數(shù)字閥、控制電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī))等作為電機(jī)轉(zhuǎn)換器的調(diào)速器在不同時(shí)期也為中國(guó)調(diào)速器的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。在水輪機(jī)調(diào)速器中廣泛采用電子技術(shù)、液壓技術(shù)和自控技術(shù)的最新技術(shù)成果，使現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)速器的面貌煥然一新，其可靠性和主要技術(shù)指標(biāo)大為提高，控制功能不斷擴(kuò)展和完善。這不僅適應(yīng)了水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控的需要，而且為機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

2 我國(guó)水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)和水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)創(chuàng)新成果

我國(guó)水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)和水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)創(chuàng)新成果如下:

(1)大中型水輪機(jī)組的調(diào)速器基本上采用了微機(jī)調(diào)節(jié)器加電液隨動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)模式，提高了調(diào)速器整機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)技術(shù)性能指標(biāo)。

(2)采用國(guó)際知名品牌的工業(yè)控制機(jī)(IPC)、可編程序控制器(PLC)或可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)作調(diào)速器電氣柜硬件核心，使微機(jī)調(diào)速器電氣柜核心硬件的質(zhì)量和可靠性達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平［4］。

(3)微機(jī)調(diào)速器充分發(fā)揮了微型計(jì)算機(jī)所具有的強(qiáng)大運(yùn)算能力、記憶能力、邏輯判斷能力和通訊功能。目前，調(diào)節(jié)器與上位機(jī)通訊、頻率跟蹤、電氣開(kāi)度限制、人工失靈區(qū)設(shè)置、故障診斷及處理為必備功能;大多數(shù)微機(jī)調(diào)速器還設(shè)有手自動(dòng)無(wú)條件與無(wú)擾動(dòng)切換、離線診斷與維護(hù)和計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)功能;除此以外，還可以實(shí)現(xiàn)事故數(shù)據(jù)記錄功能，防錯(cuò)、容錯(cuò)控制功能，死區(qū)和零點(diǎn)漂移的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)认冗M(jìn)功能［5］。

(4)采用觸摸式高分辨率的彩色顯示屏作人機(jī)交互界面，界面友善、內(nèi)容豐實(shí)，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速器的狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)修改和試驗(yàn)曲線顯示等［6］。

(5)電液轉(zhuǎn)換元件采用數(shù)控機(jī)床中成熟的步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)作調(diào)速器的電機(jī)轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的用控制電機(jī)控制的水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器新品種。這類伺服電機(jī)控制調(diào)速器由于采用了無(wú)油結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)換器，解決了電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的抗油污問(wèn)題，特別適合油質(zhì)清潔度難以保證的水電站使用。

(6)近年來(lái)，用伺服電機(jī)作為電機(jī)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)不斷完善，實(shí)現(xiàn)了失電后自動(dòng)復(fù)中的功能。這種具有自動(dòng)復(fù)中功能的電機(jī)轉(zhuǎn)換器在電液隨動(dòng)系統(tǒng)中直接與主配壓閥的引導(dǎo)閥連接，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，提高了隨動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)優(yōu)越，機(jī)械液壓部分機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)潔程度不亞于采用比例閥和液壓集成式結(jié)構(gòu)的調(diào)速器［7］。同時(shí)，這類電機(jī)轉(zhuǎn)換元件由于不存在液壓污染的卡阻故障，因而在調(diào)速器中取消防止電液轉(zhuǎn)換器失靈而設(shè)置的機(jī)械開(kāi)度限制機(jī)構(gòu)及其桿件系統(tǒng)是可行的。

(7)調(diào)速器工作油壓普遍提高，大型水輪機(jī)調(diào)速器已由2.5 MPa逐步提高到4.0 MPa和6.3 MPa;大部份中小型水輪機(jī)調(diào)速器已實(shí)現(xiàn)高壓化，即調(diào)速器工作油壓提高到14.0 ～16.0 MPa［8］。

(8)近些年來(lái)，調(diào)速器機(jī)械液壓控制元件大量采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)液壓件，例如:采用電液比例閥作調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換部件，采用邏輯插裝閥作油泵組合閥、分段關(guān)閉裝置、事故配壓閥等，采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化程度大大提高，結(jié)束了水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)長(zhǎng)期游離于現(xiàn)代液壓技術(shù)之外而制約液壓新技術(shù)在調(diào)速器中應(yīng)用的不正常局面。

(9)我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水輪機(jī)調(diào)速器試驗(yàn)用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)研制成功并得到普遍應(yīng)用，該仿真系統(tǒng)可以在調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)的試驗(yàn)室階段和現(xiàn)場(chǎng)蝸殼充水前對(duì)調(diào)速器進(jìn)行全面檢查試驗(yàn)。

(10)業(yè)界已制定和更新了十余種有關(guān)水輪機(jī)調(diào)速器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并積極參加國(guó)際電工委員關(guān)于水輪機(jī)調(diào)速器標(biāo)準(zhǔn)的制訂和討論工作，提出有價(jià)值的建議和意見(jiàn)，引起國(guó)際同行的關(guān)注，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上較好地實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際接軌。

3 我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速器主要制造廠家的設(shè)備特性情況介紹

武漢長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所研制的微機(jī)調(diào)速器，計(jì)算機(jī)部分采用PLC或PCC，電液轉(zhuǎn)換部分采用比例伺服閥(或數(shù)字閥)和控制電機(jī)(交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)3種)2大類，它們分別以流量和位移輸出的方式直接控制主配壓閥，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)皆為電液隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(無(wú)機(jī)械反饋)［9］。

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院生產(chǎn)的微機(jī)調(diào)速器以PLC/IPC為硬件平臺(tái)，采用液壓數(shù)字邏輯插裝技術(shù)或比例插裝技術(shù)，以快速開(kāi)關(guān)閥和插裝閥等元件/組件分別代替電液轉(zhuǎn)換器和主配壓閥，系統(tǒng)無(wú)需D/A轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)與控制無(wú)需由閥的“中間位置”來(lái)保證，具有靜態(tài)耗油量小、元件互換性好、集成化程度高等優(yōu)點(diǎn)，且能實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)全面的容錯(cuò)控制。

天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所生產(chǎn)的微機(jī)電液調(diào)速器采用以PLC為核心的調(diào)節(jié)器，步進(jìn)電機(jī)-凸輪傳動(dòng)裝置取代電液轉(zhuǎn)換器。這種不用油的電機(jī)轉(zhuǎn)換元件解決了過(guò)去電液轉(zhuǎn)換器抗油污能力差、易卡阻之弊病。

武漢三聯(lián)水電控制設(shè)備公司生產(chǎn)的微機(jī)調(diào)速器，大部分采用PLC步進(jìn)缸構(gòu)成電液隨動(dòng)系統(tǒng)，少部分采用脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)閥加主配結(jié)構(gòu)的形式。

武漢事達(dá)電氣有限公司生產(chǎn)的微機(jī)調(diào)速器，均以PLC為核心，用步進(jìn)電機(jī)螺紋伺服缸取代電液轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成新型電液隨動(dòng)系統(tǒng)。

能達(dá)通用電氣公司生產(chǎn)的微機(jī)調(diào)速器，以PLC為核心，步進(jìn)電機(jī)螺桿機(jī)構(gòu)取代中間接力器，并配以機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)。

電力自動(dòng)化研究院的微機(jī)調(diào)速器，采用自制硬件構(gòu)成的雙微機(jī)冗余系統(tǒng)，應(yīng)用比例伺服閥和脈寬調(diào)制式電磁閥構(gòu)成液壓容錯(cuò)控制。

東方電機(jī)股份有限責(zé)任公司生產(chǎn)的微機(jī)調(diào)速器，采用雙工控機(jī)冗余系統(tǒng)，電液隨動(dòng)系統(tǒng)中配用比例伺服閥，并設(shè)有液壓跟蹤手動(dòng)控制閥供手動(dòng)運(yùn)行。

此外，我國(guó)中小型微機(jī)調(diào)速器的液壓系統(tǒng)除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品外，以武漢長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所為代表的企業(yè)還采用16 MPa的皮囊式蓄能器構(gòu)成的高油壓液壓系統(tǒng)，減少了液壓放大環(huán)節(jié)，減小了尺寸且簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)還解決了調(diào)速器液壓系統(tǒng)中存在的油氣混合帶來(lái)的元件銹死、腐蝕、振動(dòng)和氣蝕等問(wèn)題［10］，為電站省去了調(diào)速器專用的高壓供氣系統(tǒng)及相應(yīng)設(shè)備，體現(xiàn)了十分明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

4 值得關(guān)注的問(wèn)題

水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，微機(jī)調(diào)速器產(chǎn)品不斷推陳出新，出現(xiàn)了“百花齊放，百家爭(zhēng)鳴”的大好局面。針對(duì)當(dāng)前微機(jī)調(diào)速器的發(fā)展方向和不同用戶對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器提出的要求，我們認(rèn)為亟待需要關(guān)注如下問(wèn)題。

4.1 水輪機(jī)調(diào)速器各類執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)性及有效性

我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)主要有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)等，長(zhǎng)期以來(lái)指導(dǎo)和監(jiān)查調(diào)速器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)、運(yùn)行等過(guò)程。隨著水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)的進(jìn)步和大量引入工業(yè)計(jì)算機(jī)、液壓行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，調(diào)速器產(chǎn)品不斷更新。因此，業(yè)界非常有必要定期修訂完善現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或根據(jù)實(shí)際需要制定新的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)在調(diào)速器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)、運(yùn)行等過(guò)程中，嚴(yán)格貫徹執(zhí)行，從而對(duì)該行業(yè)產(chǎn)品做到持續(xù)、有效的科學(xué)管理。在貫徹執(zhí)行各類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還應(yīng)對(duì)測(cè)試技術(shù)和儀器設(shè)備予以足夠的重視，必要時(shí)投資配置相關(guān)測(cè)試設(shè)備，并積極開(kāi)展測(cè)試技術(shù)方面的研制工作，有效地控制測(cè)量的準(zhǔn)確度，保證產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。如，目前各制造廠家的電磁兼容試驗(yàn)均不具備相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備。

4.2 電液轉(zhuǎn)換元件的選擇和應(yīng)用

電液轉(zhuǎn)換元件是調(diào)速器中不可缺少的重要元件，其可靠性問(wèn)題尤為突出，在水輪機(jī)調(diào)速器中得到相當(dāng)高的重視。行業(yè)傳統(tǒng)的自制電液轉(zhuǎn)換器由于小批量生產(chǎn)的局限性和抗油污能力問(wèn)題，已逐步轉(zhuǎn)成液壓行業(yè)通用的比例控制元件，如比例閥、比例伺服閥、數(shù)字閥等等。20世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)大多數(shù)調(diào)速器專業(yè)廠商開(kāi)發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的用伺服電機(jī)控制的微機(jī)調(diào)速器，即電液轉(zhuǎn)換元件采用無(wú)油結(jié)構(gòu)的控制電機(jī):電機(jī)轉(zhuǎn)換器。因此，電液轉(zhuǎn)換元件形成了電液轉(zhuǎn)換器和電機(jī)轉(zhuǎn)換器2大類，其中電液轉(zhuǎn)換器包括電液比例閥、比例伺服閥、數(shù)字閥等等;電機(jī)轉(zhuǎn)換器包括直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等等，可謂品種繁多。

電液比例閥和比例伺服閥是液壓工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)件，在液壓控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，用作水輪機(jī)調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換部件是十分適合的。在采用比例閥控制的調(diào)速器中，控制信息的傳遞和變換都是流量，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙的傳遞，極大地降低了死區(qū)，提高了反應(yīng)的靈敏度，調(diào)速器整機(jī)靜動(dòng)特性優(yōu)良，這類調(diào)速器主要應(yīng)用于大中型機(jī)組。用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)控制的調(diào)速器確實(shí)能適應(yīng)油質(zhì)清潔度較差的環(huán)境，而且可靠性高，使用和維護(hù)方便，動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)都能滿足國(guó)家調(diào)速器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，深受廣大用戶歡迎［11］。

電液轉(zhuǎn)換器和電機(jī)轉(zhuǎn)換器2類電液轉(zhuǎn)換元件在調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)中的作用一致的，但其結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)性能構(gòu)成參數(shù)是有很大差異的。

4.3 電源和控制器的選擇

電源在調(diào)速器設(shè)備中處于非常重要的地位，其功率要求和電源電壓要求是有講究的。除廠用交、直流必須同時(shí)引入外，首先對(duì)廠用交流電必須進(jìn)行隔離，變壓器必須保證有足夠的負(fù)載能力。為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，且對(duì)電源電壓要求不要太高，開(kāi)關(guān)電源不宜用數(shù)字電源(5 V)等級(jí)，只用24 V一個(gè)電壓等級(jí)的電源。因?yàn)? V的電源主要是為數(shù)字電路提供工作電源，電源工作范圍比較狹窄，如TTL芯片工作電源范圍是4.75～5.25 V;而24 V電壓等級(jí)的開(kāi)關(guān)電源由于工作范圍較寬，正負(fù)1～2 V工作起來(lái)也沒(méi)有問(wèn)題。因此，調(diào)速器接口設(shè)計(jì)電路(包括自制核心模板)等不考慮數(shù)字電路，只用24 V一個(gè)電壓等級(jí)的開(kāi)關(guān)電源。

可供選擇的控制器有可靠性高的PLC和PCC等。目前有的PLC廠家非常關(guān)注水電市場(chǎng)，很了解PLC水輪機(jī)調(diào)速器的技術(shù)瓶頸是測(cè)頻的可靠性、精度和實(shí)時(shí)性，采用1 MHz(微秒基準(zhǔn))以上的內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)做基準(zhǔn)，硬件上只需將24 V電平的測(cè)頻方波引入即可，測(cè)頻回路非常簡(jiǎn)單，且有很好的性能價(jià)格比，所以PLC是調(diào)速器非常理想的控制器。

4.4 冗余控制的選擇

眾所周知，水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)與控制品質(zhì)的優(yōu)劣關(guān)系到水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，調(diào)速器的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，大型或巨型機(jī)組調(diào)速器的可靠性甚至將直接影響到電網(wǎng)安全。為進(jìn)一步提高調(diào)速器的可靠性，做到零故障，要求調(diào)速器對(duì)其故障率高的環(huán)節(jié)進(jìn)行冗余控制，具有容錯(cuò)功能。

從微機(jī)調(diào)速器的構(gòu)成環(huán)節(jié)來(lái)看，主要有測(cè)頻環(huán)節(jié)、微機(jī)調(diào)節(jié)器、電液轉(zhuǎn)換部件(含電驅(qū)動(dòng))、液壓放大、位移傳感器、電源系統(tǒng)等。目前，微機(jī)調(diào)速器除液壓放大環(huán)節(jié)(大功率液壓放大器主配壓閥等)和人機(jī)界面觸摸屏不考慮冗余，其余環(huán)節(jié)均可實(shí)現(xiàn)冗余控制［12］。

從冗余的方案來(lái)看，有采用2套各環(huán)節(jié)完全相同的系統(tǒng)并列和交叉全面冗余，有采用局部某環(huán)節(jié)的主備冗余，也有采用局部非相同性能的主備冗余。從技術(shù)層面上講，并列和交叉的熱備冗余是非常理想、非常全面的冗余方式。對(duì)于這種方式只要整個(gè)調(diào)速器冗余系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)相同的2個(gè)故障點(diǎn)，熱備冗余工作便可繼續(xù)，應(yīng)該說(shuō)調(diào)速器的可靠性非常高，在巨型機(jī)組的調(diào)速器中建議使用。

值得注意的是，無(wú)論是哪種冗余方案，必須具備可靠的自檢、監(jiān)視和裁決系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障點(diǎn)，則應(yīng)自動(dòng)切換到備用通道，保證冗余系統(tǒng)各環(huán)節(jié)完好無(wú)缺，以便熱備系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。

4.5 油質(zhì)管理問(wèn)題

我國(guó)的調(diào)速器工作油環(huán)境不夠好，我們國(guó)家的調(diào)速器研發(fā)者盡管在提高電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的可靠性上下了大功夫，但沒(méi)有取得大的進(jìn)展。為了使調(diào)速器技術(shù)及產(chǎn)品與國(guó)際接軌，并從根本上提高水輪機(jī)調(diào)速器的技術(shù)水平，提高產(chǎn)品的可靠性，建議改善用油的清潔度，加強(qiáng)油質(zhì)管理。

4.6 加強(qiáng)與主機(jī)廠協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)調(diào)速器新品種

目前調(diào)速器專業(yè)生產(chǎn)廠商開(kāi)發(fā)的高油壓調(diào)速器，將接力器外置，可以降低調(diào)速器和主機(jī)造價(jià)，提高調(diào)速系統(tǒng)品質(zhì)。建議組織主機(jī)廠與調(diào)速器專業(yè)廠聯(lián)合設(shè)計(jì)，并制定相互連接的標(biāo)準(zhǔn)。沖擊水輪機(jī)調(diào)速器與主機(jī)聯(lián)系也比較多，利用目前水輪機(jī)調(diào)節(jié)專業(yè)已取得的成果，與主機(jī)廠聯(lián)合，可以設(shè)計(jì)出更新更好的沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器。

5 發(fā)展前景展望

通過(guò)廣大科研人員和工程技術(shù)人員的努力，我國(guó)水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，獲得了一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的科研成果，創(chuàng)造了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微機(jī)調(diào)速器新產(chǎn)品，為水電建設(shè)提供了品種豐富、品質(zhì)優(yōu)良的水輪機(jī)控制設(shè)備，很好地滿足了迅速發(fā)展的水電建設(shè)事業(yè)的需求，有力地支持了電力工業(yè)生產(chǎn)［13］。

近10多年來(lái)，水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

5.1 調(diào)速器高壓化問(wèn)題

水輪機(jī)調(diào)速器是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。近10余年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和先進(jìn)液壓控制技術(shù)的應(yīng)用，雖然大中型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器的工作油壓已由最初的2.5，4.0 MPa逐步提高到了6.3 MPa，但油壓等級(jí)仍屬于中低壓范疇［14］。

中小型水輪機(jī)組調(diào)速器的工作油壓已經(jīng)普遍提高到了16.0 MPa。由于工作油壓的提高，調(diào)速器油壓裝置和機(jī)械液壓執(zhí)行元件及接力器的結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)減小，設(shè)備體積大大減小，調(diào)速器更多更好地結(jié)合液壓工業(yè)技術(shù)、引入標(biāo)準(zhǔn)液壓元件、減少自制加工件的不穩(wěn)定因素，從而降低制造成本和提供工作可靠性。

目前，高油壓技術(shù)在我國(guó)水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器的應(yīng)用中已取得一定的成果，體現(xiàn)了十分明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為盡快在大型機(jī)組上實(shí)現(xiàn)高壓化奠定了良好的基礎(chǔ)。當(dāng)然，高壓化在大型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器上的應(yīng)用，一方面調(diào)速器制造廠家仍有大量工作需深入，另一方面還有待得到水輪機(jī)制造廠的支持。

5.2 調(diào)速器的測(cè)試與試驗(yàn)功能

對(duì)大型調(diào)速器而言，調(diào)速器內(nèi)部最好具有調(diào)速器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與試驗(yàn)功能:如靜特性測(cè)試、空載擺動(dòng)值測(cè)試、模擬開(kāi)停機(jī)等。在沒(méi)有仿真設(shè)備和機(jī)組不充水的情況下，調(diào)速器本體可完成自己的模擬功能試驗(yàn)和靜態(tài)特性測(cè)試。

5.3 開(kāi)發(fā)適合農(nóng)村小水電的綜合自動(dòng)化設(shè)備

2011年中央一號(hào)文件是新中國(guó)成立62年來(lái)中共中央首次全面部署水利工作。面對(duì)如此好的機(jī)遇，水利水電人任重道遠(yuǎn)，大力開(kāi)發(fā)農(nóng)村小水電是重中之重。目前我國(guó)小型水電廠自動(dòng)化水平仍然處于比較落后的狀態(tài)，國(guó)家從2002年開(kāi)始，對(duì)單機(jī)容量大于1 000 kW的小型水電站要求采用計(jì)算機(jī)控制;對(duì)20世紀(jì)90年代以前建設(shè)的小電廠，按總體目標(biāo)要求，做出更新改造規(guī)劃。我國(guó)小型水電廠自動(dòng)化發(fā)展的總體目標(biāo)是:2015年農(nóng)村水電行業(yè)全面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，其中總裝機(jī)5 MW及以上的水電站，調(diào)速器、勵(lì)磁和廠內(nèi)油、水、氣、閘門等設(shè)備應(yīng)采用微機(jī)控制。

由此可見(jiàn)擺在我們面前的任務(wù)很多很重，希望有志于農(nóng)村水電自動(dòng)化的專業(yè)廠商制定切實(shí)可行的科研設(shè)計(jì)和實(shí)施方案，開(kāi)發(fā)出有農(nóng)村小水電特色的綜合自動(dòng)化設(shè)備，為我國(guó)農(nóng)村小水電自動(dòng)化建設(shè)事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

［1］吳應(yīng)文.三峽電站水輪機(jī)調(diào)速器的關(guān)鍵技術(shù)及國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題初探［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2003，(3):53－55.(WU Ying-wen.Preliminary Research on Key Technologies and Problems of Using Domestic Turbine Governors for Three Gorges Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，(3):53－55.(in Chinese))

［2］潘熙和，周國(guó)斌.水輪機(jī)可編程調(diào)速器若干問(wèn)題研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2001，(1):55－57.(PAN Xihe，ZHOU Guo-bin.Research on Some Problems of Programmable Turbine Governor［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2001，(1):55－57.(in Chinese))

［3］潘熙和，李昌梅，嚴(yán)國(guó)強(qiáng)，等.水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器測(cè)頻方式與測(cè)頻方法的探討與實(shí)踐［J］.水力發(fā)電，2009，(8):52－55.(PAN Xi-he，LI Chang-mei，YAN Guoqiang，et al.Discussion and Practice on Manner and Method of Frequency Measure for Turbine Microcomputer Governor［J］.Water Power，2009，(8):52－55.(in Chinese))

［4］潘熙和，嚴(yán)國(guó)強(qiáng)，孫立新.可編程計(jì)算機(jī)水輪機(jī)調(diào)速器研制及技術(shù)特點(diǎn)分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2003，(1):50－53.(PAN Xi-he，YAN Guo-qiang，SUN Lixin.Development of Programmable Computer Turbine Governor and Analysis to Its Technical Characteristic［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，(1):50－53.(in Chinese))

［5］趙彬彬，魏守平，常 黎.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的全數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2004，(3):24－27.(ZHAO Bin-bin，WEI Shou-ping，CHANG Li.A Fieldbus-Based Digital Electro-Hydraulic Governor［J］.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2004，(3):24－27.(in Chinese))

［6］黃業(yè)華，蔡維由，潘熙和.用PPC機(jī)作為人機(jī)界面的水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器［J］.華東電力，2003，(8):75－77.(HUANG Ye-hua，CAI Wei-you，PAN Xi-he.Turbine Microcomputer Governor with PPC as Man-Machine Interface［J］.East China Electric Power，2003，(8):75－77.(in Chinese))

［7］王麗娟，周國(guó)斌，潘熙和，等.潮汐能發(fā)電站水輪機(jī)調(diào)速設(shè)備若干問(wèn)題的探討［J］.水力發(fā)電，2009，(1):34－37.(WANG Li-juan，ZHOU Guo-bin，PAN Xi-he，et al.Discussions on Several Problems of Speed Governor System for Turbine of Tidal Power Plant［J］.Water Power，2009，(1):34－37.(in Chinese))

［8］賈寶良，潘熙和，吳應(yīng)文，等.長(zhǎng)控調(diào)速器技術(shù)發(fā)展與展望［J］.中國(guó)農(nóng)村水電及電氣化，2006，(3):51－54.(JIA Bao-liang，PAN Xi-he，WU Ying-wen，et al.Development and Prospect of Governor Made by Wuhan Changjiang Control Equipment Research Institute［J］.Rural Hydropower and Electrification in China，2006，(3):51－54.(in Chinese))

［9］潘熙和，張建明，季筱湘，等.我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)發(fā)展與市場(chǎng)狀況分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009，(9):88－90.(PAN Xi-he，ZHANG Jian-ming，JI Xiaoxiang，et al.Analysis on Technical Development and Market of Domestic Turbine Governor［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，(9):88－90.(in Chinese))

［10］郭建業(yè)，羅禹權(quán)，郭 恩.巨型水輪機(jī)調(diào)速器比例集成式電液隨動(dòng)裝置［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2000，(2):48－50.(GUO Jian-ye，LUO Yu-quan，GUO En.Proportional Integrated Electro-Hydraulic Servo-Positioner Suitable for Giant Turbine Governor［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2000，(2):48－50.(in Chinese))

［11］王麗娟，吳應(yīng)文，劉立祥，等.具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電機(jī)控制類水輪機(jī)調(diào)速器［J］.中國(guó)水能及電氣化，2006，(6):62－65.(WANG Li-juan，WU Ying-wen，LIU Li-xiang，et al.The Electric Speed Governor of Hydraulic Turbine Provided with Intellectual Property Owned by Our Country［J］.China Waterpower＆ Electrification，2006，(6):62－65.(in Chinese))

［12］潘熙和，黃業(yè)華，畢東紅，等.水輪機(jī)調(diào)速器冗余方案探討與丹江口電站實(shí)踐［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，(21):104－107.(PAN Xi-he，HUANG Ye-hua，BI Dong-hong，et al.Discussion on Redundant Scheme for Turbine Governor and Practice on Danjiangkou Power Station［J］.Automation of Electric Power Systems，2009，(21):104－107.(in Chinese))

［13］潘熙和，賈寶良，吳應(yīng)文.我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速技術(shù)最新進(jìn)展與展望［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2007，(5):79－83.(PAN Xi-he，JIA Bao-liang，WU Ying-wen.Progress and Prospect of Domestic Turbine Control Technology［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute ，2007，(5):79－83.(in Chinese))

［14］吳應(yīng)文.水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器若干問(wèn)題的探討［J］.水利機(jī)械技術(shù)，200l，(3):56－59.(WU Ying-wen.Discussion on Issues of Turbine Microcomputer Governor［J］.Water Conservancy Mechanical Technology，200l，(3):56－59.(in Chinese))