我国水轮机调速技术创新回顾与学科前景展望

潘熙和，王丽娟

(长江科学院长江控制设备研究所，武汉 430010)

我国水轮机调速器行业开始于20世纪50年代，目前处于迅速发展阶段。正值长江科学院建院60周年之际，回顾学科的技术创新历程，展望不断发展的未来，希望能对学科建设起到承上启下、推动技术进步的作用。

近10多年来，我国水轮机调速器行业广泛运用计算机技术、现代控制理论和现代液压技术的新成果，大量吸收工控行业先进成熟的技术成果和经验。各专业制造公司和科研单位极大地发挥工程技术人员的创造性，不断推出调速器新品种，使我国水轮机调节技术取得了巨大的进步，产品整体技术水平达到了国际先进水平，完全满足我国水电能源发展和水电站自动化控制的要求。

目前，除因为非技术因素的调速控制设备从国外采购外，混流式、轴流转浆式、贯流式、冲击式水轮机组所需配套的调速器都由国内生产。如2010年投运的三峡右岸电厂12台机组的调速系统设备全部实现国内采购，标志着我国巨型水电机组及其辅助设备国产化取得重要进展［1］。

1 我国水轮机调速器技术发展历程回顾

解放初期，我国水轮机调速器大部分产品从苏联购买，少量制造亦是照搬苏联图纸生产。在20世纪50年代末，我国第一台电子管电液调速器诞生，由当时的水利水电科学研究院、哈尔滨工业大学和哈尔滨电机厂等单位联合研制，并安装在广东从化流溪河水电站运行;但20世纪50至60年代，我国的水轮机调速器大部分系机械液压型调速器;至20世纪60年代中期，我国第一台晶体管电液调速器诞生，由当时的水利水电科学研究院、天津电气传动设计研究所和长江水利委员会(原长江流域规划办公室)等单位联合研制，并在湖北陆水试验电站运行;20世纪70年代至80年代初，新建的大中型水电站较多地采用了电子管、晶体管或小规模集成电路电液调速器，此阶段可算是机械液压调速器与电气液压调速器并重。

20世纪80年代，随着改革开放和电子技术的进步，国内相关科研单位、高等院校联合制造部门，开始研制以微处理器为核心的微机调速器。如微机调节器以Z-80单板机、MIC-2000工控机以及自行研制的以8086CPU等等为硬件核心。采用适应式变参数PID调节模式、双微机调节器的双通道系统结构的微机调速器，其自动控制水平产生质的飞跃。以微处理器为核心的微机调速器成功地应用于葛洲坝、三门峡、岩滩、宝珠寺等水电厂。从此，水轮机调节系统进入微机调速阶段，并与计算机工业的技术进步和发展同步。

因我国基础工业水平的制约，与外国产品相比，整机硬件可靠性较低，性能一致性与长期运行的稳定性难以保证。20世纪90年代以来，各单位相继开展了将工业可编程微机控制器(PLC)应用到调速器中的研究工作，开发出不同品牌的PLC微机调节器。由华中科技大学与相关单位合作开发的PLC微机调节器，首台于1993年5月在欧阳海水电厂成功投运。目前，PLC可编程调速器已成为我国微机调速器的主导产品［2］。

21世纪的微机调速器，随着可编程计算机控制器概念的提及，宜昌能达公司、武汉长江控制设备研究所、西安理工大学等单位相继开发了贝加莱B＆R2003，B＆R2005和X20等系列的 PCC微机调速器，其测频的精度、实时性、可靠性以及整机的性能指标和可靠性都得到了改善，不失为较为理想的水轮机调节器［3］。

随着电子技术的更新发展，推动了水轮机调速器行业的发展。目前，机械液压型调速器已被微机电液型调速器完全取代，很多依靠机械液压来进行位置测量或反馈的环节，转变为由电子元器件以电量形式完成。因国内调速器油环境不够好而影响其可靠性，人们在电液转换环节的研究中花了大功夫，电液伺服阀、比例阀、数字阀、控制电机(步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机)等作为电机转换器的调速器在不同时期也为中国调速器的发展做出了贡献。在水轮机调速器中广泛采用电子技术、液压技术和自控技术的最新技术成果，使现代水轮机调速器的面貌焕然一新，其可靠性和主要技术指标大为提高，控制功能不断扩展和完善。这不仅适应了水电厂计算机监控的需要，而且为机组安全和经济运行奠定了基础。

2 我国水轮机调节技术和水轮机调速器技术创新成果

我国水轮机调节技术和水轮机调速器技术创新成果如下:

(1)大中型水轮机组的调速器基本上采用了微机调节器加电液随动系统的经典结构模式，提高了调速器整机的静态和动态技术性能指标。

(2)采用国际知名品牌的工业控制机(IPC)、可编程序控制器(PLC)或可编程计算机控制器(PCC)作调速器电气柜硬件核心，使微机调速器电气柜核心硬件的质量和可靠性达到了国际先进水平［4］。

(3)微机调速器充分发挥了微型计算机所具有的强大运算能力、记忆能力、逻辑判断能力和通讯功能。目前，调节器与上位机通讯、频率跟踪、电气开度限制、人工失灵区设置、故障诊断及处理为必备功能;大多数微机调速器还设有手自动无条件与无扰动切换、离线诊断与维护和计算机辅助试验功能;除此以外，还可以实现事故数据记录功能，防错、容错控制功能，死区和零点漂移的动态补偿等先进功能［5］。

(4)采用触摸式高分辨率的彩色显示屏作人机交互界面，界面友善、内容丰实，便于实现对调速器的状态监视、参数修改和试验曲线显示等［6］。

(5)电液转换元件采用数控机床中成熟的步进电机、交流伺服电机和直流伺服电机作调速器的电机转换器，构成了具有我国自主知识产权的用控制电机控制的水轮机微机调速器新品种。这类伺服电机控制调速器由于采用了无油结构的电机转换器，解决了电液转换环节的抗油污问题，特别适合油质清洁度难以保证的水电站使用。

(6)近年来，用伺服电机作为电机转换器的技术不断完善，实现了失电后自动复中的功能。这种具有自动复中功能的电机转换器在电液随动系统中直接与主配压阀的引导阀连接，使系统结构简化，提高了随动系统的可靠性。其动态和静态性能指标优越，机械液压部分机构的简洁程度不亚于采用比例阀和液压集成式结构的调速器［7］。同时，这类电机转换元件由于不存在液压污染的卡阻故障，因而在调速器中取消防止电液转换器失灵而设置的机械开度限制机构及其杆件系统是可行的。

(7)调速器工作油压普遍提高，大型水轮机调速器已由2.5 MPa逐步提高到4.0 MPa和6.3 MPa;大部份中小型水轮机调速器已实现高压化，即调速器工作油压提高到14.0 ～16.0 MPa［8］。

(8)近些年来，调速器机械液压控制元件大量采用工业标准液压件，例如:采用电液比例阀作调速器电液转换部件，采用逻辑插装阀作油泵组合阀、分段关闭装置、事故配压阀等，采用模块式结构设计，标准化程度大大提高，结束了水轮机调节技术长期游离于现代液压技术之外而制约液压新技术在调速器中应用的不正常局面。

(9)我国具有自主知识产权的水轮机调速器试验用实时仿真系统研制成功并得到普遍应用，该仿真系统可以在调速系统生产的试验室阶段和现场蜗壳充水前对调速器进行全面检查试验。

(10)业界已制定和更新了十余种有关水轮机调速器的国家标准、行业标准，并积极参加国际电工委员关于水轮机调速器标准的制订和讨论工作，提出有价值的建议和意见，引起国际同行的关注，在技术标准上较好地实现了与国际接轨。

3 我国水轮机调速器主要制造厂家的设备特性情况介绍

武汉长江控制设备研究所研制的微机调速器，计算机部分采用PLC或PCC，电液转换部分采用比例伺服阀(或数字阀)和控制电机(交流伺服电机、直流伺服电机、步进电机3种)2大类，它们分别以流量和位移输出的方式直接控制主配压阀，其系统结构皆为电液随动系统结构(无机械反馈)［9］。

中国水利水电科学研究院生产的微机调速器以PLC/IPC为硬件平台，采用液压数字逻辑插装技术或比例插装技术，以快速开关阀和插装阀等元件/组件分别代替电液转换器和主配压阀，系统无需D/A转换，调节与控制无需由阀的“中间位置”来保证，具有静态耗油量小、元件互换性好、集成化程度高等优点，且能实现液压系统全面的容错控制。

天津电气传动设计研究所生产的微机电液调速器采用以PLC为核心的调节器，步进电机-凸轮传动装置取代电液转换器。这种不用油的电机转换元件解决了过去电液转换器抗油污能力差、易卡阻之弊病。

武汉三联水电控制设备公司生产的微机调速器，大部分采用PLC步进缸构成电液随动系统，少部分采用脉宽调制开关阀加主配结构的形式。

武汉事达电气有限公司生产的微机调速器，均以PLC为核心，用步进电机螺纹伺服缸取代电液转换器，构成新型电液随动系统。

能达通用电气公司生产的微机调速器，以PLC为核心，步进电机螺杆机构取代中间接力器，并配以机械液压随动系统。

电力自动化研究院的微机调速器，采用自制硬件构成的双微机冗余系统，应用比例伺服阀和脉宽调制式电磁阀构成液压容错控制。

东方电机股份有限责任公司生产的微机调速器，采用双工控机冗余系统，电液随动系统中配用比例伺服阀，并设有液压跟踪手动控制阀供手动运行。

此外，我国中小型微机调速器的液压系统除了传统结构产品外，以武汉长江控制设备研究所为代表的企业还采用16 MPa的皮囊式蓄能器构成的高油压液压系统，减少了液压放大环节，减小了尺寸且简化了结构，同时还解决了调速器液压系统中存在的油气混合带来的元件锈死、腐蚀、振动和气蚀等问题［10］，为电站省去了调速器专用的高压供气系统及相应设备，体现了十分明显的技术经济优势。

4 值得关注的问题

水轮机调节技术取得了长足的进步，微机调速器产品不断推陈出新，出现了“百花齐放，百家争鸣”的大好局面。针对当前微机调速器的发展方向和不同用户对水轮机调速器提出的要求，我们认为亟待需要关注如下问题。

4.1 水轮机调速器各类执行标准的持续性及有效性

我国水轮机调速器行业的执行标准主要有国家标准、行业标准、企业标准及IEC国际标准等，长期以来指导和监查调速器的设计、生产和试验、运行等过程。随着水轮机调节技术的进步和大量引入工业计算机、液压行业的先进技术，调速器产品不断更新。因此，业界非常有必要定期修订完善现有标准或根据实际需要制定新的标准，同时，应进一步强调在调速器的设计、生产和试验、运行等过程中，严格贯彻执行，从而对该行业产品做到持续、有效的科学管理。在贯彻执行各类标准时，还应对测试技术和仪器设备予以足够的重视，必要时投资配置相关测试设备，并积极开展测试技术方面的研制工作，有效地控制测量的准确度，保证产品质量的可靠性。如，目前各制造厂家的电磁兼容试验均不具备相应的试验设备。

4.2 电液转换元件的选择和应用

电液转换元件是调速器中不可缺少的重要元件，其可靠性问题尤为突出，在水轮机调速器中得到相当高的重视。行业传统的自制电液转换器由于小批量生产的局限性和抗油污能力问题，已逐步转成液压行业通用的比例控制元件，如比例阀、比例伺服阀、数字阀等等。20世纪末，国内大多数调速器专业厂商开发出了具有自主知识产权的用伺服电机控制的微机调速器，即电液转换元件采用无油结构的控制电机:电机转换器。因此，电液转换元件形成了电液转换器和电机转换器2大类，其中电液转换器包括电液比例阀、比例伺服阀、数字阀等等;电机转换器包括直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机等等，可谓品种繁多。

电液比例阀和比例伺服阀是液压工业中的标准件，在液压控制系统中得到广泛应用，用作水轮机调速器电液随动系统的电液转换部件是十分适合的。在采用比例阀控制的调速器中，控制信息的传递和变换都是流量，可以实现无间隙的传递，极大地降低了死区，提高了反应的灵敏度，调速器整机静动特性优良，这类调速器主要应用于大中型机组。用步进电机和伺服电机控制的调速器确实能适应油质清洁度较差的环境，而且可靠性高，使用和维护方便，动静态指标都能满足国家调速器技术标准的要求，深受广大用户欢迎［11］。

电液转换器和电机转换器2类电液转换元件在调速器电液随动系统中的作用一致的，但其结构形式和技术性能构成参数是有很大差异的。

4.3 电源和控制器的选择

电源在调速器设备中处于非常重要的地位，其功率要求和电源电压要求是有讲究的。除厂用交、直流必须同时引入外，首先对厂用交流电必须进行隔离，变压器必须保证有足够的负载能力。为了设计简单化，且对电源电压要求不要太高，开关电源不宜用数字电源(5 V)等级，只用24 V一个电压等级的电源。因为5 V的电源主要是为数字电路提供工作电源，电源工作范围比较狭窄，如TTL芯片工作电源范围是4.75～5.25 V;而24 V电压等级的开关电源由于工作范围较宽，正负1～2 V工作起来也没有问题。因此，调速器接口设计电路(包括自制核心模板)等不考虑数字电路，只用24 V一个电压等级的开关电源。

可供选择的控制器有可靠性高的PLC和PCC等。目前有的PLC厂家非常关注水电市场，很了解PLC水轮机调速器的技术瓶颈是测频的可靠性、精度和实时性，采用1 MHz(微秒基准)以上的内部时钟来做基准，硬件上只需将24 V电平的测频方波引入即可，测频回路非常简单，且有很好的性能价格比，所以PLC是调速器非常理想的控制器。

4.4 冗余控制的选择

众所周知，水轮机调速器调节与控制品质的优劣关系到水轮机调节系统的静态和动态品质，调速器的运行状况直接关系到电力系统的供电质量，大型或巨型机组调速器的可靠性甚至将直接影响到电网安全。为进一步提高调速器的可靠性，做到零故障，要求调速器对其故障率高的环节进行冗余控制，具有容错功能。

从微机调速器的构成环节来看，主要有测频环节、微机调节器、电液转换部件(含电驱动)、液压放大、位移传感器、电源系统等。目前，微机调速器除液压放大环节(大功率液压放大器主配压阀等)和人机界面触摸屏不考虑冗余，其余环节均可实现冗余控制［12］。

从冗余的方案来看，有采用2套各环节完全相同的系统并列和交叉全面冗余，有采用局部某环节的主备冗余，也有采用局部非相同性能的主备冗余。从技术层面上讲，并列和交叉的热备冗余是非常理想、非常全面的冗余方式。对于这种方式只要整个调速器冗余系统没有出现相同的2个故障点，热备冗余工作便可继续，应该说调速器的可靠性非常高，在巨型机组的调速器中建议使用。

值得注意的是，无论是哪种冗余方案，必须具备可靠的自检、监视和裁决系统，一旦出现故障点，则应自动切换到备用通道，保证冗余系统各环节完好无缺，以便热备系统进入待机状态，同时上传至监控系统。

4.5 油质管理问题

我国的调速器工作油环境不够好，我们国家的调速器研发者尽管在提高电液转换环节的可靠性上下了大功夫，但没有取得大的进展。为了使调速器技术及产品与国际接轨，并从根本上提高水轮机调速器的技术水平，提高产品的可靠性，建议改善用油的清洁度，加强油质管理。

4.6 加强与主机厂协调，设计调速器新品种

目前调速器专业生产厂商开发的高油压调速器，将接力器外置，可以降低调速器和主机造价，提高调速系统品质。建议组织主机厂与调速器专业厂联合设计，并制定相互连接的标准。冲击水轮机调速器与主机联系也比较多，利用目前水轮机调节专业已取得的成果，与主机厂联合，可以设计出更新更好的冲击式水轮机调速器。

5 发展前景展望

通过广大科研人员和工程技术人员的努力，我国水轮机调节技术取得了显著的进步，获得了一批具有国际先进水平的科研成果，创造了具有我国自主知识产权的微机调速器新产品，为水电建设提供了品种丰富、品质优良的水轮机控制设备，很好地满足了迅速发展的水电建设事业的需求，有力地支持了电力工业生产［13］。

近10多年来，水轮机调节技术的发展主要表现在以下3个方面。

5.1 调速器高压化问题

水轮机调速器是一个相对独立的学科。近10余年来，随着科学技术进步和先进液压控制技术的应用，虽然大中型水轮机微机调速器的工作油压已由最初的2.5，4.0 MPa逐步提高到了6.3 MPa，但油压等级仍属于中低压范畴［14］。

中小型水轮机组调速器的工作油压已经普遍提高到了16.0 MPa。由于工作油压的提高，调速器油压装置和机械液压执行元件及接力器的结构尺寸相应减小，设备体积大大减小，调速器更多更好地结合液压工业技术、引入标准液压元件、减少自制加工件的不稳定因素，从而降低制造成本和提供工作可靠性。

目前，高油压技术在我国水轮机微机调速器的应用中已取得一定的成果，体现了十分明显的技术经济优势，同时也积累了一定的经验，为尽快在大型机组上实现高压化奠定了良好的基础。当然，高压化在大型水轮机微机调速器上的应用，一方面调速器制造厂家仍有大量工作需深入，另一方面还有待得到水轮机制造厂的支持。

5.2 调速器的测试与试验功能

对大型调速器而言，调速器内部最好具有调速器的现场测试与试验功能:如静特性测试、空载摆动值测试、模拟开停机等。在没有仿真设备和机组不充水的情况下，调速器本体可完成自己的模拟功能试验和静态特性测试。

5.3 开发适合农村小水电的综合自动化设备

2011年中央一号文件是新中国成立62年来中共中央首次全面部署水利工作。面对如此好的机遇，水利水电人任重道远，大力开发农村小水电是重中之重。目前我国小型水电厂自动化水平仍然处于比较落后的状态，国家从2002年开始，对单机容量大于1 000 kW的小型水电站要求采用计算机控制;对20世纪90年代以前建设的小电厂，按总体目标要求，做出更新改造规划。我国小型水电厂自动化发展的总体目标是:2015年农村水电行业全面实现现代化，其中总装机5 MW及以上的水电站，调速器、励磁和厂内油、水、气、闸门等设备应采用微机控制。

由此可见摆在我们面前的任务很多很重，希望有志于农村水电自动化的专业厂商制定切实可行的科研设计和实施方案，开发出有农村小水电特色的综合自动化设备，为我国农村小水电自动化建设事业做出贡献。

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［11］王丽娟，吴应文，刘立祥，等.具有我国自主知识产权的电机控制类水轮机调速器［J］.中国水能及电气化，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，黄业华，毕东红，等.水轮机调速器冗余方案探讨与丹江口电站实践［J］.电力系统自动化，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，贾宝良，吴应文.我国水轮机调速技术最新进展与展望［J］.长江科学院院报，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］吴应文.水轮机微机调速器若干问题的探讨［J］.水利机械技术，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))