１． 調相壓水歷史沉淀綜述 電力系統的負載主要是感性負載（異步電動機和變壓器），它們從電網中吸收感性無功功率，使電網的功率因數降低，線路壓降和損耗增大，發(fā)電設備的利用率和效率降低。為了提高電力系統的功率因素cosψ和保持電壓水平，常常裝置調相機（同期補償器）作為無功功率電源，提供感性無功，調相機通常都是在過勵狀態(tài)下（電流超前電壓90°）運行，忽略定子繞組電阻時功角θ=0[01]。水輪發(fā)電機作調相機運行時從電力系統中吸取一部分有功功率以補償其銅耗﹑鐵耗和風摩損耗，通常采用壓水調相，一般調相容量為（0.6～0.75） （KVA）， 為發(fā)電機額定容量。 利用水輪發(fā)電機組作同期調相機有許多優(yōu)點，比裝置專門的調相機經濟，不需一次投資；運行切換靈活簡便，一般調相運行轉發(fā)電運行只需要十多秒，故承擔電力系統的事故備用很靈活。缺點是消耗電能比其它靜電容器大，故應設法（如壓水調相并自動化）減小調相耗能。 可以承擔調相任務的水電機組有三類情況：①枯水期間不能發(fā)電且距離負荷中心不遠的某些徑流式水電站機組；②電力系統負荷低谷期間不用發(fā)電的調峰水電機組；③電力系統正常運行期間不用發(fā)電的事故備用水電機組。當水輪發(fā)電機組作調相機運行時可能的方式分析與對比見表1： 表1：水輪機組調相可能方式之對比 利用壓縮空氣強制排水的方法在工程技術中早有應用，如打撈沉船的浮箱、潛水艇升降器、水下施工沉箱。調相壓水的目的是減小阻力、減少電能消耗、同時減輕機組振動。壓縮空氣通常是從專用的調相貯氣罐中引來，強制壓低轉輪室中的水位，壓縮空氣的最小壓力需等于要求壓低的水位與下游水位之差，一般將水位壓到尾水管進口邊以下（0.5～1.0）D1，設置上限水位時應躲開轉輪室“風扇效應”[03]浪涌擺幅0.5D1，設置下限水位時應考慮“封水效應”[03]防止一次性逸氣；壓水效果最優(yōu)的起始給氣流量（m3/s） 式中 ——轉輪出口直徑（m）； ——機組額定轉速（rpm）； ——吸出高值（m） ２．調相給氣壓水系統自動控制要求 如前所述：水輪發(fā)電機組作調相運行時，導水葉是全關的，為了減少阻力和電能損耗，必須將水輪機轉輪室水位壓低，使轉輪在空氣中旋轉。對機組調相壓水系統自動化的要求是[04][05][06]：①當機組轉為調相運行時，打開主給氣閥（考慮與治理抬機[07][08][09]用電動調節(jié)補氣閥合一）將壓縮空氣送入轉輪室將水位壓下，下降至“封水效應”[03]容許的下限水位時，關閉主給氣閥；②由于流道逸氣、攜氣，轉輪室水位逐漸上升至“風扇效應”[03]容許的上限水位時，又自動開啟主給氣閥，將水位再次壓低至下限水位；③為避免主給氣閥操作過于頻繁，在主給氣閥處并聯一只由電磁配壓閥控制的較小的輔助液壓給氣閥（進氣流量略小于逸氣流量+攜氣流量），它在調相過程中一直開啟。 ３．治理甩負荷抬機新思路重申與控制要求簡述 文獻[07][08][09]已就此問題較詳述，本文僅作兩點強調：①傳統治理抬機措施存在原理性缺陷，即強迫式真空破壞閥由調速環(huán)下斜塊速壓而動作，閥之出氣位置處頂蓋下轉輪室四周壓力較高區(qū)，轉輪室內進氣量很?。蛔晕秸婵掌茐拈y動作時已形成大真空度，加之水擊波[10]在t＝（2×25～2×50）/1000＝0.05～0.1秒后返回，入氣位置雖佳但進氣量仍極少；兩段關閉導水葉法調保兼治抬只能略微減輕不能完全消除轉輪室-尾水管段水擊[10]，對解決小Kz值（機組轉動部分相對重量）[07]的機組抬機幾乎無效[11]。②注意到轉輪室-尾水管段“短粗彎管”也發(fā)生水擊是水輪機組甩負荷抬機的根源，我們應在甩負荷發(fā)生瞬間立即不延時自動向轉輪室中心壓力較低區(qū)域充入與由于快速關導葉造成過水流量減小值近似相等的壓縮空氣流量（換算到轉輪室壓力狀態(tài)下），以時刻維持轉輪室壓強和甩負荷前穩(wěn)定流狀態(tài)一致，希冀狀態(tài)空間[12]（又稱相空間）不變。 ４．調相給氣壓水系統與治理抬機[07][08][09]相結合時自動化元器件配置、I/O統計、PLC及擴展模塊選擇、內存地址分配 為滿足上述自動控制要求，①轉輪室水位由電極式水位信號器DSX反映，信號提供給PLC；②主給氣閥為電動調節(jié)進氣閥，該閥位于壓縮空氣供氣總管與水輪機頂蓋近中心區(qū)域入氣口之間的供氣支管上，管徑d=max｛30[貯氣罐容積m3/（0.5～2）]1/2mm，33[水輪機最大過流量m3/s]1/2mm ｝，由PLC控制；③輔給氣閥為液壓閥YF，由帶ZT電磁鐵的配壓閥DP控制，DP又受控于PLC；④為防治甩負荷抬機需監(jiān)測監(jiān)控轉輪室壓強，在水輪機頂蓋過流面直徑為（D1＋Dz）／2的分布圓周上（D1為轉輪標稱直徑；Dz為主軸直徑）沿＋X、＋Y、―X、―Y方向分別布置1號、2號、3號、4號四只壓力傳感器，信號提供給PLC。 這里設計的PLC控制系統，由導葉主令開關提供導葉開度全關信號，需1個開關量輸入點；由導葉主令開關提供導葉開度在空載以上，需1個開關量輸入點；由斷路器輔助觸頭提供DL狀態(tài)，需1個開關量輸入點；調相時由電極式水位信號器DSX提供上、下限兩個水位信號，需2個開關量輸入點；四只壓力傳感器提供轉輪室甩負荷時不同方位的壓力信號，需4個模擬量輸入點；進入調相狀態(tài)后須給電極式水位信號器投入電源，需1個開關量輸出點；主給氣閥為電動調節(jié)進氣閥，需1個開關量輸出點控制其工作電源投入與切除、需1個開關量輸出點控制立即開閉、還需1個模擬量輸出點用于PID調節(jié)進氣量；輔給氣閥之ZT電磁鐵不帶電工作，開啟與關閉需PLC開關量輸出點各1個（計2）?？傆嬮_關量輸入點5個；開關量輸出點5個；模擬量輸入點4個；模擬量輸出點1個。 在微機-PLC-PLC控制系統中設一臺SIMATIC S7-222型[13]PLC（8輸入／6輸出）并帶一個EM235型[13]（4路模擬量輸入／1路模擬量輸出）模擬量擴展模塊控制水輪機組相壓水系統并與治理抬機相結合成分層分布式計算機監(jiān)控系統[14]中的一個神經元[15]，PLC型號可和網絡中其它PLC一致，如選S7-224型。表2給出輸入輸出地址及內存變量分配。 表2：PLC輸入、輸出信號內存變量地址分配表 ５．　程序設計[16][17] ５．１　總體思路 控制程序采用分塊結構。設子程序SBR0控制機組調相壓水系統；子程序SBR1控制機組甩負荷時立即不延時向轉輪室補入恰當量氣體[08]。主程序OB1分別調用SBR0、SBR1子程序塊，對兩個不同時事件分別控制。 ５．２　主程序中的具體控制流程 采用子程序調用和甩負荷治抬PID算法中斷程序，構建分塊結構，在水輪發(fā)電機組運行過程中，本小系統主程序只要不間斷查詢兩個子程序的起動條件，并根據起動條件決定是否調用調相壓水子程序或治理甩負荷抬機子程序。 ５．３　控制算法 應用算法控制甩負荷后向轉輪室的進氣量，從而控制轉輪室狀態(tài)空間量水位或者壓強，調相壓水時用的是乒乓策略，甩負荷治抬機時則是PID算法，PID的輸出值用來控制主給氣閥（電動調節(jié)閥）的開通大小。 ５．４　控制程序 •OB1•（主程序） LD SM0.0 A I0.0 //導水葉處于全關位置 A I0.2 //發(fā)電機出口斷路器處于合閘狀態(tài) S M0.0，1 //機組調相運行狀態(tài)標志置位 S Q0.0，3 //給主給氣閥、電極式水位信號器加工作電源；開啟主給氣閥。 = Q0.3 //開啟輔給氣閥 CALL SBR_0 LD SM0.0 A I0.1 //導水葉開度位置在空載以上 AN I0.2 //斷路器已跳閘 S M0.1，1 //機組甩負荷已發(fā)生標志置位 S Q0.0，2 //立即不延時給主給氣閥加工作電源并開啟主給氣閥 = V5000.0 //發(fā)送上位機啟動機組事故停機指令 CALL SBR_1 LD V5000.1 O V5000.2 R M0.0，1 //機組調相運行狀態(tài)標志復位 R Q0.1，2 //關閉主給氣閥、DSX切除電源 = Q0.4 //關閉輔給氣閥 LD Q0.1 TON T37，50 //延時5S LD T37 R Q0.0，1 //切除主給氣閥電源。 LD SM0.0 A V5000.2 R Q0.1，1 //關閉主給氣閥。 LD Q0.1 TON T37，50 //延時5S LD T37 R Q0.0，1 //切除主給氣閥電源 R M0.1，1 //機組甩負荷發(fā)生標志在停機完成后復位 END •SBR0•（調相時供氣壓水子程序） LDN I0.4 //轉輪室水位低于下限值 R Q0.1，1 //關閉主給氣閥 LD I0.3 //轉輪室水位高于上限值 S Q0.1，1 //開啟主給氣閥 LD V5000.1 //機組進入發(fā)電運行狀態(tài) O V5000.2 //機組停機復歸 CRET //供氣壓水子程序有條件返回 •SBR1•（甩負荷時輸氣治抬機子程序） LD M0.1 LPS S Q0.0，1 //電動進氣調節(jié)閥加上工作電源 LRD A SM0.1 //首次掃描置1 S Q0.1，1 //主給氣閥立即開至全開 LPP XORD AC0，AC0 //清空累加器AC0 XORD AC1，AC1 //清空累加器AC1 XORD AC2，AC2 //清空累加器AC2 XORD AC3，AC3 //清空累加器AC3 MOVW AIW6，AC3 //把4號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC3 ／I 4，AC3 //取4號壓力傳感器信號量的1/4 MOVW AIW4，AC2 //把3號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC2 ／I 4，AC2 //取3號壓力傳感器信號量的1/4 MOVW AIW2，AC1 //把2號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC1 ／I 4，AC1 //取2號壓力傳感器信號量的1/4 MOVW AIW0，AC0 //把1號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC0 ／I 4，AC0 //取1號壓力傳感器信號量的1/4 ＋I AC1，AC0 ＋I AC2，AC0 ＋I AC3，AC0 ITD AC0，AC0 //把16位整數轉換成32位整數 DTR AC0，AC0 //把32位整數轉換成實數 ／R 32000.0，AC0 //標準化AC0中的值作為PID運算設定值SPn（0.0～1.0之間） LD SM0.1 A M0.1 CALL SBR_2 //調用初始化（回路表賦值）子程序 LD V5000.2 //機組停機復歸 R Q0.1，1 //主給氣閥立即全關 •SBR_2•（初始化/回路表賦值子程序） LD SM0.0 MOVR AC0，VD104 //裝入回路表設定值SPn（0.0～1.0之間）/甩前壓強大小值 MOVR Kc，VD112 //裝入回路增益Kc（常數） MOVR 0.004，VD116 //裝入采樣時間0.004s MOVR Ti，VD120 //裝入積分時間Ti分鐘 MOVR Td，VD124 //裝入微分時間Td分鐘 MOVR 4，SMB34 //設定定時中斷0的時間間隔為4ms ATCH INT_0，10 //設置定時中斷以定時執(zhí)行PID指令 ENI //允許中斷 LD V5000.2 //機組停機復歸 CRET •INT_0•（中斷程序） LD SM0.0 XORD AC0，AC0 XORD AC1，AC1 XORD AC2，AC2 XORD AC3，AC3 MOVW AIW6，AC3 ／I 4，AC3 MOVW AIW4，AC2 ／I 4，AC2 MOVW AIW2，AC1 ／I 4，AC1 MOVW AIW0，AC0 ／I 4，AC0 ＋I AC1，AC0 ＋I AC2，AC0 ＋I AC3，AC0 //此時AC0中的數值為轉輪室頂蓋下壓強之平均值 ITD AC0，AC0 //把16位整數轉換成32位整數 DTR AC0，AC0 //把32位整數轉換成實數 ／R 32000.0，AC0 //標準化AC0中的值作為PID運算過程變量PVn（0.0～1.0之間） MOVR AC0，VD100 //將AC0中的值存入回路表VD100 LD M0.1 PID VB100，0 //執(zhí)行PID指令 LD SM0.0 XORD AC0，AC0 //清空累加器AC0 MOVR VD108，AC0 // 把PID運算輸出送到AC0（輸出Mn，在0.0～1.0之間） ＊Ｒ 32000.0，AC0 //將AC0中的值刻度化 ROUND AC0，AC0 //四舍五入將實數轉換成32位整數 DTI AC0，AC0 //將32位整數轉換成16位整數 MOVW AC0，AQW0 //將16位整數值寫到模擬量輸出寄存器，去控制調節(jié)閥進氣開度 LD V5000.2 //機組停機復歸 CRETI //中斷返回 ５．５　程序編制說明 采用主程序、子程序、中斷程序的程序結構形式，起到優(yōu)化程序結構，減小掃描周期時間的效果。主程序OB1的功能是完成本合成神經元小系統控制，一級子程序SBR0、SBR1的功能是分別完成調相壓水控制和甩負荷防治抬機控制；SBR2是一級子程序SBR1下嵌套的二級子程序，其功能是初始化給PID回路表賦值；INT0則是一級子程序SBR1下對甩負荷后向轉輪室的進氣量進行PID控制。 輔給氣閥由不帶電工作的ZT電磁鐵驅動，故安排Q0.3、Q0.4分別控制開啟、關閉；主給氣閥是需工作電源的電動調節(jié)閥，為防止閥關閉進程中未到全關位置失電，采取關閥啟動后延時5S再切除電源；為防止不調相期間向轉輪室“亂”給氣，程序中在調相結束時切除電極式水位信號器DSX電源；主給氣閥在甩負荷治抬機時初始化即開啟至全開，以后各掃描周期由PID輸出控制其開度；使用AC0、AC1、AC2、AC3時先清零，讀入采樣數值后取其1/4再累加得到平均值，是為了防止數值溢出；SBR1中使用LPS、LRD、LPP是為了減小掃描時間[20]。 ６．　調相壓水與治理抬機合成神經元數理分析 我們把神經元U看作一個信息處理單元，神經元U可剖解為輸入、處理、輸出三塊區(qū)域[15] 。其輸入如同樹突接受來自其它神經元的信號；其輸出好比由軸突送往其它神經元的信號。信號可以是連續(xù)或離散量，可以是確定性量、隨機或模糊量。在神經網絡拓撲結構中，我們把與輸入列（輸入端）聯接的元叫作第一層，顯然調相壓水與治理抬機合成神經元在分層分布式計算機監(jiān)控系統[14]中屬于第一層。 ①當調相壓水時，轉輪室水位b是輸入，而主輔給氣閥開度r1、r2是輸出，它們間的關系如圖1： r1＝1（when b≥b2∪b2→b1）＆ 0（when b＝b1∪b1→b2）； r2≡1/a 。 ②當甩負荷治理抬機時，進程中轉輪室實時壓強即過程變量PV是輸入，甩負荷發(fā)生瞬間之轉輪室壓強作給定值SP，偏差e=SP-PV，PID控制器管理輸出數值，以便使e為零，PID運算輸出r（t）是時間的函數，其當前活化值不僅與當前整合輸入有關，而且與以前時刻活化態(tài)有關。 r（t）=Kpe+Ki∫t0edt+Kdde/dt+ rinitial 式中Kp 、Ki 、Kd分別為回路比例、積分、微分系數；rinitial為回路輸出初始值。 其離散化PID運算模式為： rn=Kpen+Ki∑el+rinitial+Kd（en－en-1） 式中rn為采樣時刻n的PID運算輸出值；en 、en-1 、el分別為采樣時刻n、n-1、l的PID回路偏差。 比例項是當前采樣的函數，積分項是從第一采樣至當前采樣的函數，微分項是當前采樣及前一采樣的函數，CPU處理時儲存前一次偏差及前一次積分項，上式簡化為： rn=Kpen+（Kien+rX）+ Kd（en－en-1） 式中rX為積分項前值。 即輸出為比例項、積分項、微分項之和，Kp =Kc 、Ki=Kc Ts/Ti 、Ki=Kd Td/Ts。 ７．　總結與展望 上述過程展示了合理繼承傳統又推陳出新的方法，也就是說，我們從傳統和次新技術中去提取、歸納了高新技術下的活化規(guī)則，只有這樣才能使我們的控制系統性能更優(yōu)地完成任務，應該堅信：“科學研究方法是人類解決自然界各種實際問題的有力手段”，“善于運用科學方法是至關重要的”[21]。誠望這一神經元得到水力發(fā)電生產實踐的檢驗。 我國確定的西部大開發(fā)戰(zhàn)略，其中很重要的組成部分就是西部水力發(fā)電大開發(fā)，進而“西電東送”。在不久的將來，會有三峽、溪落渡、白鶴灘等一大批巨型水電站熠耀生輝，鑒于分層分布式網絡較易組織和研究[15]，每一個現代水電站都將建設基于可編程控制器的分層分布式計算機監(jiān)測控制系統，如三峽-葛洲壩整個監(jiān)控系統分梯級調度層（連國調、CN、PN）、電廠控制層（有3個OS、2個IMS、1個GS、1個模擬屏控制站、2個對廠通信網關、2個與開關站控制網絡相連的橋B）和機組控制層（開放式的全冗余分布處理系統，每臺機組控制單元由6個部分組成，Field Bus連接幾大主要設備）[14]。在這種分層分布式計算機監(jiān)測控制系統中，設計如[18]、[19]、[20]及本文等的神經元是必不可少的基礎，歡迎更多的人來探索。 參考文獻 [01]華中工學院許實章．電機學．下冊（M）．機械工業(yè)出版社．1981.4 [02]武漢水利電力學院，華北水利水電學院，華東水利學院合編．水力機組輔助設備與自動化（M）．水利電力出版社．1981.3 [03]機電設計手冊編寫組．水電站機電設計手冊．電氣二次（M）．水利電力出版社．1984.12 [04]王定一主編．水電站自動化（M）．電力工業(yè)出版社．1982 [05]劉忠源，徐睦書合編．水電站自動化（M）．水利電力出版社．1985 [06]樓永仁，黃聲先，李植鑫合編．水電站自動化（M）．水利水電出版社．1995 [07]朱文杰．水輪機防抬措施探討.水利水電技術（J）．1994.9 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of China Society for Hydropower Engineering, Professor of Changsha university of science and technology, URL：http://cslgdx.blogchina.com ,E-mail：zwj@csust.edu.cn . 　 作者單位：長沙理工大學 　 地址：長沙市芙蓉中路三段356號理工大黃土嶺村41信箱或赤嶺路9號電氣與通訊學院[http://cslgdx.bokee.com]　410015或410077　 Email：zhangsha026003@sina.com