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摘要：水轮机调速器对水轮机控制系统的稳定运行具有核心影响力。但在实际施工中都存在一些普遍的问题。本文结合无线传感器网络技术，对调速器的出现的问题提供新的解决方案。
关键字：无线传感器网络；水轮机调速器
中图分类号：TN711 文献标识码：A 文章编号：
1.水轮机控制系统概述
水轮机控制系统是一个集水力，机械，电气为一体的综合控制系统，其功能在于根据电网负载的不断变化来控制水轮机发电机的有功输出。从本质上来说，水轮机控制系统是由压力引水道、水轮机、调速器和发电机等工作单元组成的非线性反馈控制系统。其中，水轮机调速器是作为水轮机控制系统的核心装置，直接关系到机组的安全与稳定运行。调速器的发展先后经历了机械液压型调速器、电气液压型调速器和计算机调速器三个阶段[1]。在计算机调速器阶段，水轮机调节规律的研究也有了很大的进展，许多先进的调节规律相继出现，包括：连续变参数适应式PID控制，自适应、变结构变参数自完善控制，模型参考多变量最优控制等新型控制规律。所谓自适应控制规律指的是水轮机调速器的控制参数随着工况的变化而不断发生变化。例如：机组在启动、停止、增减负载和并入电网时要求水轮机转速不同。[黄小衡，男，（1966.3— ）本科，工程师，从事水电站运行管理工作]
总的来说，一个水轮机控制系统通常分成两个部分：被控系统（调节对象）和控制系统（调速系统，调速器）[2]。调节对象包括水库、导水调压装置、压力引水道、水轮机、发电机、电网和负载。但是这种水轮机控制模型不论采用的是国内的调速器还是国外的调速器，在实际的运行中都有一些问题。文献[3]以瑞士HYDRO VEVEY公司生产的MIPREG600型双微机调速器为例对这些问题进行了总结。这些故障或问题包括：1调速器电源供给故障；2电调软件设计不合理导致故障；3调速器油系统用油油质引发故障；4调速器测速装置故障；5调速器导叶传感器故障；6监控系统故障引发调速器故障。而无线传感器网络的出现，为解决上述问题提供了良好的思路。
2.基于CC2530的无线传感器网络
无线传感器网络由无线传感器节点组成，这些节点随机分布在监测区域内并以无线通信方式形成一个多跳的自组网络。所有的节点协调工作，感知和处理网络中感知对象的信息，并发送给指定的观察者。因此，传感器，感知对象和观察者成为无线传感器网络的三个要素。CC2530是用于无线传感器网络和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案。它保证了无线传感器网络性能的同时，还满足了无线传感器网络在2.4GHz频段上的应用。CC2530具备一个小而精干的8051微处理器，良好的满足它对数值计算和信号处理的要求。此外，CC2530还提供了一个8K byte的RAM和强大的外围电路。主要功能如下：①片内集成高速8051内核；256Kflash程序存储器；支持ZigBeePro7协议。②支持2V-3.6V供电区间；3种电源管理模式：工作模式，睡眠模式和中断模式，超低功耗。③片内集成5DMA通道；4个振荡器用于系统时钟和定时操作；1个通用16位和2个8位定时器；1个红外发生电路；32KHz睡眠定时器；电源管理与片内温度传感器；8通道12位A/D转换器；看门狗智能外设。④片内中断器控制18个中断源。⑤2个可编程串口，可用于主从SPI或者UART接口；21个I/O接口，其中2个具有20mA电流吸收和或电流供给能力。⑥信息帧同步监测；数据CRC16校验；信号强度监测RSSI；支持冲突避免的载波多路访问CSMA-CA;片内集成1个AES数据加密协处理器。总之，CC2530适用于IEEE 802.15.4系统，RF4CE远程控制系统，工业监测以及其他低功耗的WSN等领域[4]。
3.无线传感器网络技术解决水轮机控制系统问题的应用
在文献[3]总结的问题中，前面的三个问题与水轮机控制系统的电气环境相关，而后面的三个问题则是与控制系统本身的特性相关。
（1）造成问题4（调速器测速装置故障）的产生原因是调速器在机组并网运行过程中调速器测速装置的探头故障引起转速继电器误触发电气140%Ne过速保护跳閘停机。这里既有探头本身测量方法的原因，也有PLC模块编程的原因。分析该问题时，我们发现测量水轮机转速目前主要有两种方法：残压测频法和齿盘测频法[2]。残压测频法采用机组机端电压互感器电压作为测频信号，可将此电压通过电压过零比较器转换成方波信号，求出方波周期就可得出水轮机的转速。当水轮机转速越高，脉冲信号的频率就越高。通过脉冲信号频率就可以得出水轮机的转速。
解决方案：
①增加一套测速装置提高测速可靠性；最好是添加一套采用不同测速方法的测速装置。
②为了降低系统的复杂度和线路开销，新加入的测速装置通过无线方式加入控制系统。如图2所示。当测速装置测量到水轮机速度快要达到过速信号值时，调速器通过协调器CC2530发送开关命令将新加测速装置打开。此时两台测速装置同时工作，过速信号通过与门接入继电器。当只有一个装置产生过速信号时，说明某个测速装置出了问题。继电器不工作，发电机不跳闸。当两个测速装置同时产生过速信号时，说明此时水轮机超速，继电器工作。
图2 新加测速装置方案
（2）问题5（调速器导叶传感器故障）的原因是改造前调速器的2套导叶位移传感器是120o角位移传感器，而MIPREG600型双微机调速器的角位移测量装置转角60o，使得机组在正常减负载时，调速器导叶反馈值不变。解决方案与问题4相似，在此不再赘述。
（3）问题6（监控系统故障引发调速器故障）的原因是调速器通过监控系统获取并网信号，在并网信号消失的情况下会自动将有功功率减至空载。若监控系统发生故障，则机组无法并网运行。
解决方案：
将水轮机控制系统与监控系统分离，取消调速器对监控系统的依赖，可以从发电机出口断路器的分合辅助接点引一路二次硬接线至调速器，通过出口断路器的分合接点来判断机组的并网状态。但是这样做仍然有缺陷：每台调速器的功能通过一台PLC来完成，若有两台调速器则需要引两路硬接线。改进的解决方案是：利用无线传感器网络的ad-hoc特性，引一路二次硬接线至一台调速器，其他调速器通过无线方式获取机组并网信号。如图3所示。
图3并网信号无线ad-hoc方案
4.总结
从多年的水轮机运行维护经验来看，造成水轮机控制系统故障或问题的因素有很多，有电气的，监控方面的原因。但随着计算机调速器的不断发展，新的控制规律的引用与原有硬件的局限所引发的问题越来越多。无线传感器网络技术的出现，为解决这一矛盾提供了新的出路。
参考文献：
[1] 方红庆 等. 水轮机调速器控制技术研究[J]. 山西水利科技，No.1(Total No.151)Feb 2004.
[2] 鄢来明.基于嵌入式系统的中小型水电站水轮机控制系统的研究[D]，武汉，武汉理工大学，2012.
[3] 蒲瑜. 大型水轮机调速器故障与处理[J]. 水电站机电技术，Vol.30 No.3 June.2007.
[4] 刘德. 基于CC2530的ZigBee无线组网[J].PLC&FA，2012-06.
关键字：无线传感器网络；水轮机调速器
中图分类号：TN711 文献标识码：A 文章编号：
1.水轮机控制系统概述
水轮机控制系统是一个集水力，机械，电气为一体的综合控制系统，其功能在于根据电网负载的不断变化来控制水轮机发电机的有功输出。从本质上来说，水轮机控制系统是由压力引水道、水轮机、调速器和发电机等工作单元组成的非线性反馈控制系统。其中，水轮机调速器是作为水轮机控制系统的核心装置，直接关系到机组的安全与稳定运行。调速器的发展先后经历了机械液压型调速器、电气液压型调速器和计算机调速器三个阶段[1]。在计算机调速器阶段，水轮机调节规律的研究也有了很大的进展，许多先进的调节规律相继出现，包括：连续变参数适应式PID控制，自适应、变结构变参数自完善控制，模型参考多变量最优控制等新型控制规律。所谓自适应控制规律指的是水轮机调速器的控制参数随着工况的变化而不断发生变化。例如：机组在启动、停止、增减负载和并入电网时要求水轮机转速不同。[黄小衡，男，（1966.3— ）本科，工程师，从事水电站运行管理工作]
总的来说，一个水轮机控制系统通常分成两个部分：被控系统（调节对象）和控制系统（调速系统，调速器）[2]。调节对象包括水库、导水调压装置、压力引水道、水轮机、发电机、电网和负载。但是这种水轮机控制模型不论采用的是国内的调速器还是国外的调速器，在实际的运行中都有一些问题。文献[3]以瑞士HYDRO VEVEY公司生产的MIPREG600型双微机调速器为例对这些问题进行了总结。这些故障或问题包括：1调速器电源供给故障；2电调软件设计不合理导致故障；3调速器油系统用油油质引发故障；4调速器测速装置故障；5调速器导叶传感器故障；6监控系统故障引发调速器故障。而无线传感器网络的出现，为解决上述问题提供了良好的思路。
2.基于CC2530的无线传感器网络
无线传感器网络由无线传感器节点组成，这些节点随机分布在监测区域内并以无线通信方式形成一个多跳的自组网络。所有的节点协调工作，感知和处理网络中感知对象的信息，并发送给指定的观察者。因此，传感器，感知对象和观察者成为无线传感器网络的三个要素。CC2530是用于无线传感器网络和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案。它保证了无线传感器网络性能的同时，还满足了无线传感器网络在2.4GHz频段上的应用。CC2530具备一个小而精干的8051微处理器，良好的满足它对数值计算和信号处理的要求。此外，CC2530还提供了一个8K byte的RAM和强大的外围电路。主要功能如下：①片内集成高速8051内核；256Kflash程序存储器；支持ZigBeePro7协议。②支持2V-3.6V供电区间；3种电源管理模式：工作模式，睡眠模式和中断模式，超低功耗。③片内集成5DMA通道；4个振荡器用于系统时钟和定时操作；1个通用16位和2个8位定时器；1个红外发生电路；32KHz睡眠定时器；电源管理与片内温度传感器；8通道12位A/D转换器；看门狗智能外设。④片内中断器控制18个中断源。⑤2个可编程串口，可用于主从SPI或者UART接口；21个I/O接口，其中2个具有20mA电流吸收和或电流供给能力。⑥信息帧同步监测；数据CRC16校验；信号强度监测RSSI；支持冲突避免的载波多路访问CSMA-CA;片内集成1个AES数据加密协处理器。总之，CC2530适用于IEEE 802.15.4系统，RF4CE远程控制系统，工业监测以及其他低功耗的WSN等领域[4]。
3.无线传感器网络技术解决水轮机控制系统问题的应用
在文献[3]总结的问题中，前面的三个问题与水轮机控制系统的电气环境相关，而后面的三个问题则是与控制系统本身的特性相关。
（1）造成问题4（调速器测速装置故障）的产生原因是调速器在机组并网运行过程中调速器测速装置的探头故障引起转速继电器误触发电气140%Ne过速保护跳閘停机。这里既有探头本身测量方法的原因，也有PLC模块编程的原因。分析该问题时，我们发现测量水轮机转速目前主要有两种方法：残压测频法和齿盘测频法[2]。残压测频法采用机组机端电压互感器电压作为测频信号，可将此电压通过电压过零比较器转换成方波信号，求出方波周期就可得出水轮机的转速。当水轮机转速越高，脉冲信号的频率就越高。通过脉冲信号频率就可以得出水轮机的转速。
解决方案：
①增加一套测速装置提高测速可靠性；最好是添加一套采用不同测速方法的测速装置。
②为了降低系统的复杂度和线路开销，新加入的测速装置通过无线方式加入控制系统。如图2所示。当测速装置测量到水轮机速度快要达到过速信号值时，调速器通过协调器CC2530发送开关命令将新加测速装置打开。此时两台测速装置同时工作，过速信号通过与门接入继电器。当只有一个装置产生过速信号时，说明某个测速装置出了问题。继电器不工作，发电机不跳闸。当两个测速装置同时产生过速信号时，说明此时水轮机超速，继电器工作。
图2 新加测速装置方案
（2）问题5（调速器导叶传感器故障）的原因是改造前调速器的2套导叶位移传感器是120o角位移传感器，而MIPREG600型双微机调速器的角位移测量装置转角60o，使得机组在正常减负载时，调速器导叶反馈值不变。解决方案与问题4相似，在此不再赘述。
（3）问题6（监控系统故障引发调速器故障）的原因是调速器通过监控系统获取并网信号，在并网信号消失的情况下会自动将有功功率减至空载。若监控系统发生故障，则机组无法并网运行。
解决方案：
将水轮机控制系统与监控系统分离，取消调速器对监控系统的依赖，可以从发电机出口断路器的分合辅助接点引一路二次硬接线至调速器，通过出口断路器的分合接点来判断机组的并网状态。但是这样做仍然有缺陷：每台调速器的功能通过一台PLC来完成，若有两台调速器则需要引两路硬接线。改进的解决方案是：利用无线传感器网络的ad-hoc特性，引一路二次硬接线至一台调速器，其他调速器通过无线方式获取机组并网信号。如图3所示。
图3并网信号无线ad-hoc方案
4.总结
从多年的水轮机运行维护经验来看，造成水轮机控制系统故障或问题的因素有很多，有电气的，监控方面的原因。但随着计算机调速器的不断发展，新的控制规律的引用与原有硬件的局限所引发的问题越来越多。无线传感器网络技术的出现，为解决这一矛盾提供了新的出路。
参考文献：
[1] 方红庆 等. 水轮机调速器控制技术研究[J]. 山西水利科技，No.1(Total No.151)Feb 2004.
[2] 鄢来明.基于嵌入式系统的中小型水电站水轮机控制系统的研究[D]，武汉，武汉理工大学，2012.
[3] 蒲瑜. 大型水轮机调速器故障与处理[J]. 水电站机电技术，Vol.30 No.3 June.2007.
[4] 刘德. 基于CC2530的ZigBee无线组网[J].PLC&FA，2012-06.