兴山县已建成的水电站，多为迳流式电站，无库容，前池水位变化较大，没有调节能力；其设备大多数是七、八十年代产品，它们有一些共同的特点，因单机容量小在系统运行中稳定性差，由于自动化程度低，运行、操作均由人工进行，其操作速度慢、调节灵敏度低、运行人员劳动强度大等，不能日益满足电力系统自动化的要求和水资源有效的利用。为此，必须提高电站综合自动化程度，使传统的人脑监控为现代化的计算机监控所代替，从而达到操作速度快、调节灵敏度高、系统运行稳定性强等目的。为提高水能利用率，增加电站效益，减轻运行人员劳动强度，确保安全生产作出贡献。

2　可编程调速器、水位控制仪在水电站的应用

水轮机调速器是机组迅速开机、停机、改变运行工况、实现机组紧急停机的重要设备，是实现水电站综合自动化的关键。

SLT系列全数字可编程微机组合式调速器，是一种全新概念的以数字逻辑阀作为电液转换元件的调速器。该调速器全部采用标准化液压转换元件，具有集成化程度高、油路通径大，抗油污能力强、静态无油耗、无机械零点漂移等特点，安装、调试、维护的工作量大大减少，可靠性、灵敏度得到大幅度提高；调速器以高度可靠的可编程控制器为控制核心，采用了自适应性PID控制规律，可以保证在不同的水位有比较一致的开机特性和并网性能，开机速度快且无超调现象；空载频率波动小；整机性能极其优异，运行可靠性高，完全可以取代过去常规的机械液压、电液压转换器型调速器。

根据迳流式水电站的特点采用可编程调速器、水位控制仪对水电站现有设备进行改造，可以解决低水头运行和弃水问题。常规的调速器是对机组开度、转速进行调节，无法对水位进行相关控制，因此经常发生弃水现象，影响经济效益。而"全数字可编程控制组合式调速器"是根据机组开度-水位关系曲线，在机组带负荷运行时根据该曲线控制机组开度，进而控制前池水位，达到机组合理利用水资源，彻底改善弃水现象；同时具有完备的有功功率闭环调节功能，除常规功率闭环调节方式外，还能以串行通讯方式接受计算机给定的有功设定值，自动按设定值进行有功功率闭环调节。实施调速器改造后，可以有效地提高电站的经济效率，减轻工人劳动强度，有利于设备的安全运行及综合自动化的实施。

2.1　机械系统

机械液压随动系统采用全数字液压技术，即采用了开关式液压控制元件-球座式电磁阀，用开启/停止两种状态的切换来控制液流方向和流量。在自动运行情况下，是由电气输出的脉冲信号控制的；手动情况下是由手动的按扭控制的，与普通伺服阀相比该阀无零位搭叠量，切换时间短、频率响应高、抗油污能力强、防卡能力强，并具有静态无油耗，接力器无漂移，元件更换简单，不需要较强的专业知识等优点。

2.2　电气系统

调速器由可靠性极高的日本三菱公司的FX2N系列可编程控制器为控制核心，采用并联补偿式PID控制。它有如下特点：

(1)高速可编程控制器，可确保实时控制要求。

(2)高精度的频率测量。

(3)自适应开机规律，无需设置开机顶点，对不同机组均能快速而不超调地将机组开启至空载，达到同期的要求。

(4)内部设置开机曲线，确保机组开机在不同的运行水头下有比较一致的运行特性。

(5)负载智能式变结构PID调节规律，能使机组适应电网的各种恶劣变化。即负载实时监视电网波动情况，能在电网频率发生波动时，自动选择最优调节规律及调节参数，保护机组安全，并使机组始终工作于最佳状态，改善机组在小电网运行中的效率。

(6)完备的有功功率闭环调节功能，除常规功率闭环调节方式外(开关量接口调节方式)，还能以串行通讯方式接受计算机监控给定有功设定值，自动按设定值进行有功功率闭环调节，满足水电站计算机监控系统的要求。

(7)采用PWM脉宽调制输出，取消了模拟量输出，故没有电气漂移，导叶随动系统的跟随一致性好。

(8)特有小电网运行调节规律，使小电网运行无需人员干预。

(9)串行通讯接口，适应电站计算机监控系统对调速器的数据采集和控制的要求。

(10)采用交流和直流电源同时供电，只要有一路电源存在，就可以使调速器处于自动运行。

(11)采用了开关式液压控制元件--球座式电磁阀，是可以机械自动复中，因此交直流供电即使同时消失，仍可使液压执行机构自保持原状态，从而确保机组安全运行。

(12)高抗干扰能力：所有数字量I/O和模拟量输入接口均采用光电隔离及软件滤波。

2.3　控制规律

(1)常规调速器的控制规律：

常规调速器是以机组频率和导叶开度为调节对象，其要求是空载时能够保证机组稳定，因此运算的目的是Δf(K)＝0；带负荷运行时按照静态特性曲线进行开度控制，其运算的目的是Δf(K)+BP[Y(给定)-Y(输出)]＝0。

(2)带水位调节功能的控制规律：

根据苍坪河电站运行要求，建立开度-水位关系曲线，在机组带负荷运行时调速器根据其关系曲线控制机组开度，进而控制前池水位，彻底改善弃水的现象；在控制算法上增加水位控制增量ΔYh(K)，用来控制前池水位。

这种控制规律是以机组频率、导叶开度、前池水位为调节对象，其要求是空载时能够保证机组稳定，因此运算的目的是Δf(K)＝0；带负荷运行时按照静态特性曲线和水位控制增量ΔYh(K)进行开度控制，因此运算的目的是Δf(K)+BP[Y(给定)-Y(输出)]＝0，ΔH(K)＝0。由于前池水位是一个动态量，因此跟常规调速器不同的是导叶开度也是处于动态平衡而不是静态平衡，调节频率相应也高。

2.4　水位调节和开机过程

(1)前池水位调节：

调节过程可以描叙如下：机组带负荷运行时，导叶开度按照稳态转差系数形成的静特性和对前池水位的调节分量之和来变化。调速器首先按照系统频率的要求，按照静特性的要求控制，同时按照水位控制增量ΔYh(K)进行控制：当前池来水流量加大时，前池水位上升，水位控制增量ΔYh(K)大于0，导叶开度相应增加，用来抑制前池水位的上升；前池水位上升越高，水位控制增量ΔYh(K)越大，导叶开度增加越大，用来抑制前池水位的上升开度也越大；增加的开度对应的流量与前池的来水流量相互平衡时，前池水位停止上升。当前池来水流量减少时，其过程正好与其相反；从而达到前池水位调节的目的。

(2)开机过程：

由于采用了自适应开机规律、补偿式PID控制规律、开机曲线，使得开机速度快而不超调，开机时间从以前的120s缩短为40s，不仅提高了系统响应速度，而且提高了经济效益。

2.5　运行可靠性

由于调速器采用了高可靠性的标准液压元件，使机械加工量大大缩小，从而带来的机械故障率的降低。调速器采用了高可靠性的可编程控制器作为控制核心，采用了先进的开机曲线、自适应开机规律、补偿式PID控制规律，使得机组实现全自动开机；先进的水位控制规律，可使小型机组也可以象大型机组一样安全经济运行。

3　调速器改造后的特点

从苍坪河电站水轮机调速器改造后运行情况来看，调速器具有开机速度快，静态精度高，而且由于采用了独一无二的水位调节功能，使得该机组的调节性能相当完美；由于抗油污能力强、静态无油耗等特点，安装、调试、维护的工作量大大减少，使得系统的可靠性大大加强。强大的通讯和控制功能，完全能够满足水电站计算机监控系统的要求，为实现水电站综合自动化创造了有利条件。

4　改造后的经济效益

实施调速器改造后，可以有效地提高电站的经济效益，减少工人劳动强度，有利于综合自动化的实施。其改造后的经济效益主要体现在以下几个方面：

(1)自动调节机组出力。电站常规调速器调节机组出力是靠开限机构和转速调整来实现，必须通过水位信号人为调节，且调节速度慢，灵敏度较低。改造后，调速器自动跟踪前池水位进行自动调节机组出力。

(2)常规调速器是对机组开度进行调节，无法对水位进行相关控制，因此值班人员稍不注意会出现弃水现象，影响经济效益。

(3)改造后的调速器，降低了每年的大修费用，包括易损件的更换和检修人员费用。

(4)该调速器无静态油耗。经现场运行，未改造的调速器泵油时间是该调速器泵油时间的十几倍，无论从降低电能，还是提高调速器油压装置使用寿命均有较好效果。