S7-PLC控制調(diào)相壓水系統(tǒng)并與治理甩負(fù)荷抬機(jī)合成為一個(gè)神經(jīng)元

１． 調(diào)相壓水歷史沉淀綜述 電力系統(tǒng)的負(fù)載主要是感性負(fù)載（異步電動(dòng)機(jī)和變壓器），它們從電網(wǎng)中吸收感性無(wú)功功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，線(xiàn)路壓降和損耗增大，發(fā)電設(shè)備的利用率和效率降低。為了提高電力系統(tǒng)的功率因素cosψ和保持電壓水平，常常裝置調(diào)相機(jī)（同期補(bǔ)償器）作為無(wú)功功率電源，提供感性無(wú)功，調(diào)相機(jī)通常都是在過(guò)勵(lì)狀態(tài)下（電流超前電壓90°）運(yùn)行，忽略定子繞組電阻時(shí)功角θ=0[01]。水輪發(fā)電機(jī)作調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)從電力系統(tǒng)中吸取一部分有功功率以補(bǔ)償其銅耗﹑鐵耗和風(fēng)摩損耗，通常采用壓水調(diào)相，一般調(diào)相容量為(0.6～0.75) (KVA)， 為發(fā)電機(jī)額定容量。 利用水輪發(fā)電機(jī)組作同期調(diào)相機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，比裝置專(zhuān)門(mén)的調(diào)相機(jī)經(jīng)濟(jì)，不需一次投資；運(yùn)行切換靈活簡(jiǎn)便，一般調(diào)相運(yùn)行轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行只需要十多秒，故承擔(dān)電力系統(tǒng)的事故備用很靈活。缺點(diǎn)是消耗電能比其它靜電容器大，故應(yīng)設(shè)法（如壓水調(diào)相并自動(dòng)化）減小調(diào)相耗能。 可以承擔(dān)調(diào)相任務(wù)的水電機(jī)組有三類(lèi)情況：①枯水期間不能發(fā)電且距離負(fù)荷中心不遠(yuǎn)的某些徑流式水電站機(jī)組；②電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷期間不用發(fā)電的調(diào)峰水電機(jī)組；③電力系統(tǒng)正常運(yùn)行期間不用發(fā)電的事故備用水電機(jī)組。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組作調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)可能的方式分析與對(duì)比見(jiàn)表1： 表1：水輪機(jī)組調(diào)相可能方式之對(duì)比 利用壓縮空氣強(qiáng)制排水的方法在工程技術(shù)中早有應(yīng)用，如打撈沉船的浮箱、潛水艇升降器、水下施工沉箱。調(diào)相壓水的目的是減小阻力、減少電能消耗、同時(shí)減輕機(jī)組振動(dòng)。壓縮空氣通常是從專(zhuān)用的調(diào)相貯氣罐中引來(lái)，強(qiáng)制壓低轉(zhuǎn)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(jìn)口邊以下（0.5～1.0）D1，設(shè)置上限水位時(shí)應(yīng)躲開(kāi)轉(zhuǎn)輪室“風(fēng)扇效應(yīng)”[03]浪涌擺幅0.5D1，設(shè)置下限水位時(shí)應(yīng)考慮“封水效應(yīng)”[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(zhuǎn)輪出口直徑（m）； ——機(jī)組額定轉(zhuǎn)速（rpm)； ——吸出高值（m） ２．調(diào)相給氣壓水系統(tǒng)自動(dòng)控制要求 如前所述：水輪發(fā)電機(jī)組作調(diào)相運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)水葉是全關(guān)的，為了減少阻力和電能損耗，必須將水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室水位壓低，使轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)。對(duì)機(jī)組調(diào)相壓水系統(tǒng)自動(dòng)化的要求是[04][05][06]：①當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)為調(diào)相運(yùn)行時(shí)，打開(kāi)主給氣閥（考慮與治理抬機(jī)[07][08][09]用電動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)氣閥合一）將壓縮空氣送入轉(zhuǎn)輪室將水位壓下，下降至“封水效應(yīng)”[03]容許的下限水位時(shí)，關(guān)閉主給氣閥；②由于流道逸氣、攜氣，轉(zhuǎn)輪室水位逐漸上升至“風(fēng)扇效應(yīng)”[03]容許的上限水位時(shí)，又自動(dòng)開(kāi)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(guò)于頻繁，在主給氣閥處并聯(lián)一只由電磁配壓閥控制的較小的輔助液壓給氣閥（進(jìn)氣流量略小于逸氣流量+攜氣流量），它在調(diào)相過(guò)程中一直開(kāi)啟。 ３．治理甩負(fù)荷抬機(jī)新思路重申與控制要求簡(jiǎn)述 文獻(xiàn)[07][08][09]已就此問(wèn)題較詳述，本文僅作兩點(diǎn)強(qiáng)調(diào)：①傳統(tǒng)治理抬機(jī)措施存在原理性缺陷，即強(qiáng)迫式真空破壞閥由調(diào)速環(huán)下斜塊速壓而動(dòng)作，閥之出氣位置處頂蓋下轉(zhuǎn)輪室四周壓力較高區(qū)，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)進(jìn)氣量很?。蛔晕秸婵掌茐拈y動(dòng)作時(shí)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(jìn)氣量仍極少；兩段關(guān)閉導(dǎo)水葉法調(diào)保兼治抬只能略微減輕不能完全消除轉(zhuǎn)輪室-尾水管段水擊[10]，對(duì)解決小Kz值（機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分相對(duì)重量）[07]的機(jī)組抬機(jī)幾乎無(wú)效[11]。②注意到轉(zhuǎn)輪室-尾水管段“短粗彎管”也發(fā)生水擊是水輪機(jī)組甩負(fù)荷抬機(jī)的根源，我們應(yīng)在甩負(fù)荷發(fā)生瞬間立即不延時(shí)自動(dòng)向轉(zhuǎn)輪室中心壓力較低區(qū)域充入與由于快速關(guān)導(dǎo)葉造成過(guò)水流量減小值近似相等的壓縮空氣流量（換算到轉(zhuǎn)輪室壓力狀態(tài)下），以時(shí)刻維持轉(zhuǎn)輪室壓強(qiáng)和甩負(fù)荷前穩(wěn)定流狀態(tài)一致，希冀狀態(tài)空間[12]（又稱(chēng)相空間）不變。 ４．調(diào)相給氣壓水系統(tǒng)與治理抬機(jī)[07][08][09]相結(jié)合時(shí)自動(dòng)化元器件配置、I/O統(tǒng)計(jì)、PLC及擴(kuò)展模塊選擇、內(nèi)存地址分配 為滿(mǎn)足上述自動(dòng)控制要求，①轉(zhuǎn)輪室水位由電極式水位信號(hào)器DSX反映，信號(hào)提供給PLC；②主給氣閥為電動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，該閥位于壓縮空氣供氣總管與水輪機(jī)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(jī)最大過(guò)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(fù)荷抬機(jī)需監(jiān)測(cè)監(jiān)控轉(zhuǎn)輪室壓強(qiáng)，在水輪機(jī)頂蓋過(guò)流面直徑為(D1＋Dz)／2的分布圓周上（D1為轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱(chēng)直徑；Dz為主軸直徑）沿＋X、＋Y、―X、―Y方向分別布置1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)四只壓力傳感器，信號(hào)提供給PLC。 這里設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)，由導(dǎo)葉主令開(kāi)關(guān)提供導(dǎo)葉開(kāi)度全關(guān)信號(hào)，需1個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)；由導(dǎo)葉主令開(kāi)關(guān)提供導(dǎo)葉開(kāi)度在空載以上，需1個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)；由斷路器輔助觸頭提供DL狀態(tài)，需1個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)；調(diào)相時(shí)由電極式水位信號(hào)器DSX提供上、下限兩個(gè)水位信號(hào)，需2個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)；四只壓力傳感器提供轉(zhuǎn)輪室甩負(fù)荷時(shí)不同方位的壓力信號(hào)，需4個(gè)模擬量輸入點(diǎn)；進(jìn)入調(diào)相狀態(tài)后須給電極式水位信號(hào)器投入電源，需1個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)；主給氣閥為電動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，需1個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)控制其工作電源投入與切除、需1個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)控制立即開(kāi)閉、還需1個(gè)模擬量輸出點(diǎn)用于PID調(diào)節(jié)進(jìn)氣量；輔給氣閥之ZT電磁鐵不帶電工作，開(kāi)啟與關(guān)閉需PLC開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)各1個(gè)（計(jì)2）。總計(jì)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)5個(gè)；開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)5個(gè)；模擬量輸入點(diǎn)4個(gè)；模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)。 在微機(jī)-PLC-PLC控制系統(tǒng)中設(shè)一臺(tái)SIMATIC S7-222型[13]PLC（8輸入／6輸出）并帶一個(gè)EM235型[13]（4路模擬量輸入／1路模擬量輸出）模擬量擴(kuò)展模塊控制水輪機(jī)組相壓水系統(tǒng)并與治理抬機(jī)相結(jié)合成分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[14]中的一個(gè)神經(jīng)元[15]，PLC型號(hào)可和網(wǎng)絡(luò)中其它PLC一致，如選S7-224型。表2給出輸入輸出地址及內(nèi)存變量分配。 表2：PLC輸入、輸出信號(hào)內(nèi)存變量地址分配表 ５．　程序設(shè)計(jì)[16][17] ５．１　總體思路 控制程序采用分塊結(jié)構(gòu)。設(shè)子程序SBR0控制機(jī)組調(diào)相壓水系統(tǒng)；子程序SBR1控制機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)立即不延時(shí)向轉(zhuǎn)輪室補(bǔ)入恰當(dāng)量氣體[08]。主程序OB1分別調(diào)用SBR0、SBR1子程序塊，對(duì)兩個(gè)不同時(shí)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(diào)用和甩負(fù)荷治抬PID算法中斷程序，構(gòu)建分塊結(jié)構(gòu)，在水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，本小系統(tǒng)主程序只要不間斷查詢(xún)兩個(gè)子程序的起動(dòng)條件，并根據(jù)起動(dòng)條件決定是否調(diào)用調(diào)相壓水子程序或治理甩負(fù)荷抬機(jī)子程序。 ５．３　控制算法 應(yīng)用算法控制甩負(fù)荷后向轉(zhuǎn)輪室的進(jìn)氣量，從而控制轉(zhuǎn)輪室狀態(tài)空間量水位或者壓強(qiáng)，調(diào)相壓水時(shí)用的是乒乓策略，甩負(fù)荷治抬機(jī)時(shí)則是PID算法，PID的輸出值用來(lái)控制主給氣閥（電動(dòng)調(diào)節(jié)閥）的開(kāi)通大小。 ５．４　控制程序 •OB1•（主程序） LD SM0.0 A I0.0 //導(dǎo)水葉處于全關(guān)位置 A I0.2 //發(fā)電機(jī)出口斷路器處于合閘狀態(tài) S M0.0，1 //機(jī)組調(diào)相運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志置位 S Q0.0，3 //給主給氣閥、電極式水位信號(hào)器加工作電源；開(kāi)啟主給氣閥。 = Q0.3 //開(kāi)啟輔給氣閥 CALL SBR_0 LD SM0.0 A I0.1 //導(dǎo)水葉開(kāi)度位置在空載以上 AN I0.2 //斷路器已跳閘 S M0.1，1 //機(jī)組甩負(fù)荷已發(fā)生標(biāo)志置位 S Q0.0，2 //立即不延時(shí)給主給氣閥加工作電源并開(kāi)啟主給氣閥 = V5000.0 //發(fā)送上位機(jī)啟動(dòng)機(jī)組事故停機(jī)指令 CALL SBR_1 LD V5000.1 O V5000.2 R M0.0，1 //機(jī)組調(diào)相運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志復(fù)位 R Q0.1，2 //關(guān)閉主給氣閥、DSX切除電源 = Q0.4 //關(guān)閉輔給氣閥 LD Q0.1 TON T37，50 //延時(shí)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(guān)閉主給氣閥。 LD Q0.1 TON T37，50 //延時(shí)5S LD T37 R Q0.0，1 //切除主給氣閥電源 R M0.1，1 //機(jī)組甩負(fù)荷發(fā)生標(biāo)志在停機(jī)完成后復(fù)位 END •SBR0•（調(diào)相時(shí)供氣壓水子程序） LDN I0.4 //轉(zhuǎn)輪室水位低于下限值 R Q0.1，1 //關(guān)閉主給氣閥 LD I0.3 //轉(zhuǎn)輪室水位高于上限值 S Q0.1，1 //開(kāi)啟主給氣閥 LD V5000.1 //機(jī)組進(jìn)入發(fā)電運(yùn)行狀態(tài) O V5000.2 //機(jī)組停機(jī)復(fù)歸 CRET //供氣壓水子程序有條件返回 •SBR1•（甩負(fù)荷時(shí)輸氣治抬機(jī)子程序） LD M0.1 LPS S Q0.0，1 //電動(dòng)進(jìn)氣調(diào)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(kāi)至全開(kāi) 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