武汉长控技术工作三十年回顾

潘熙和　张祖贵　刘立祥　王爱生　吴应文(长江科学院武汉长江控制设备研究所，湖北武汉　430010)

武汉长控技术工作三十年回顾

潘熙和张祖贵刘立祥王爱生吴应文
(长江科学院武汉长江控制设备研究所，湖北武汉430010)

摘要:武汉长江控制设备研究所(武汉长控)成立30 a来，在水轮机调速器与同步发电机励磁装置等电站控制设备的研发与设计、成果推广、国家和行业标准的起草等方面开展了大量工作，为推动行业发展作出了积极贡献。简要介绍了武汉长控创新的技术与产品、实验研究与实验平台建设，及其取得的技术成果。

关键词:调速器;励磁装置;水轮机;发电机;技术创新

1　概述

武汉长江控制设备研究所(简称武汉长控)从事水轮机调速器科研开发，其前身是长江水利委员会(长江委)机电处的调速器科研组，后来在长江委各级领导大力扶植下组建了长江控制设备研究所，专门从事水轮机电液调速器和其他电站控制设备的研究和产品开发。1994年，应诸多用户的要求，特别是中小型主机厂家的需求，武汉长控开展了励磁装置的开发，并于1996年研制成功第1台WBL型双微机自并励可控硅静止励磁装置。2015年是武汉长控成立30周年，为了总结经验，展望未来，本文简单地回顾了30 a来武汉长控在水轮机调节技术研究、水轮机电液调速器产品开发和同步发电机励磁装置等电站控制设备研发方面所做的工作。

2　技术与产品创新

2.1集成电路模拟式电液调速器的研制

JDT/JST系列集成电路模拟式电液调速器的主要特点是:电气部分采用集成电路，电液转换部分采用了双锥式电液伺服阀。采用闭环开机、电子测速、电气协联、电气开度限制及机械开度限制和手操机构。代表性产品有JST－100型集成电路电液调速器，1976年在广西合面狮电站通过由原水电部和一机部调速器联合工作组主持的技术鉴定，于1978年在全国调速器行业会议纳入系列型谱，成为我国当时唯一纳入型谱的大型电液调速器。该电液调速器还被编入我国大学教材，对我国调速器技术进步和发展起到了推动作用。

2.2电子调节器式系统结构的研究和应用

当主通道开环增益增大时，传统的机械液压调速器和电液调速器往往容易引起调速器自身的闭环自激，不仅转速死区的减少受到限制，而且主通道诸部件的特性也对调节规律产生不利影响。而电子调节器式系统结构的调速器，通过理论分析证明其各项指标均优于缓冲式电液调速器，1980年在陆水电站通过了电站工业试验，验证了理论分析的正确性，武汉长控生产的JDT、JST、WDT、WDST和YDT等系列大中型电液调速器均属这类结构，这类结构在我国调速器行业中得到了广泛应用。

2.3电气协联的研究与应用

1971年，研制了我国第1台具有电气协联的电调并在陆水2号机投入运行。这种由电气函数发生器和电液随动系统构成的电气协联装置在当时国内外文献均未见报道，电气协联的调速器不仅提高了双调节电调的性能，而且使机械液压柜的机构显著简化。目前电气协联(现代微机调速器大都采用了数字协联)已广泛采用，深受用户欢迎。

2.4断续控制在水轮机调节中的应用

传统的机械液压调速器和各类电液调速器均是基于线性理论的连续控制方式，1980年武汉长控开展了水轮机调节断续控制的研究，通过理论分析和电站工业性试验，论证了基于断续控制的继电随动系统应用于水轮机调节是可行的，在此基础上研制了DTT系列水轮机电子调速器，有60多台投入运行。实践证明，采用断续控制方式的调速器，结构简单、运行可靠、价格低，十分适合于农村中小型水电机组的控制，有十分广泛的应用前景。目前市场上还有产品在投运。

2.5高可靠性电液伺服阀的研制

在分析控制套和滑阀式电液转换器故障原因的基础上，研制出其结构本身具有一定自动清污能力的高可靠性电液伺服阀，并在电液调速器上得到推广应用，它显著地提高了电液调速器的可靠性。该科研成果于1990年通过部级鉴定并获水利部科技进步三等奖。

2.6单元组合式电液调速器模式的提出和应用

通过长期的工作实践，并针对过去电液调速器的弊病，参考工业自动控制系统中普遍采用的单元组合模式，研制并逐步完善了单元组合式水轮机电液调速器。该模式将电液调速器分为频率测量、调节、操作、放大和电液随动等具有独立功能的单元，单元间规定统一的信号电平，可以根据不同的调节对象组成相应的调速器，单元组合式的推广应用，不仅为提高产品的标准化、系列化水平及产品质量创造了条件，而且便于运行管理和维护检修。武汉长控生产的各类大中型集成电路电液调速器均已实现单元组合化。

2.7直连式机械液压系统的研制

通过对大量已运行调速器主配压阀实际最大行程统计资料的分析，认为采用环形窗口后，直径为80～100 mm的主配压阀，行程在±6 mm以下亦能达到其额定容量。在此基础上，武汉长控与湖南水电勘测设计院等单位联合研制了从电液伺服阀、引导阀、辅助接力器至主配压阀直连的机械液压系统，构成一种新型的无杆件的机械液压系统。其特点是:机构简单，制造、安装、调试与维修方便。科研样机JDT－80型集成电路电液调速器于1982年在江西上犹江电站投入运行。这种调速器已有500多台套在我国各大、中型电站投入运行，深受用户欢迎。

2.8微机电液调速器的研制

微机电液调速器研制虽起步较晚，但起点较高。电气部分采用STD总线工控机，电液转换部件采用双锥电液伺服阀或伺服电机。其主要特征为:数字测频、数字协联、智能PID调节与控制、频率跟踪与相角控制、手动与自动无条件无扰动切换。其代表性产品WDST－200－4.0型双微机电液调速器于1989年在葛洲坝二江电厂投入运行，1990年通过技术鉴定，获长江委科技进步一等奖。在此基础上开发的WDT型微机调速器，被评为1990年国家重点新产品。

2.9WBL型双微机励磁装置的研制

1996年，武汉长控第1台WBL型微机自并励可控硅静止励磁装置研制成功，该励磁装置采用双单片机80C196为调节器，在云南虎牙河电站成功投运。

2.10全PLC调速器的研制

20世纪末，可编程序控制器(简称PLC)以可靠性高、编程方便等特点在工业控制领域得到广泛应用，武汉长控1998年开始全PLC调速器的研发。

武汉长控规划数字式调速器的研发遵循以下两个原则:数字调节器必须采用工业控制机;自制硬件尽可能地少。秉承这样两个设计原则，PLC调速器必须采用PLC本体测频，也就是行业内所说的全PLC调速器。

从1998年开始，武汉长控相继开发出多品种、多系列全PLC调节器。针对不同档次、不同品牌、不同时期投放市场的PLC，在不同时期采取了不同的测频处理应对方案，主要表现在:采用中断和查询相结合的办法来实现频率测量并保证其准确性;采用静态和动态频率相结合的办法来保证调速器整机性能指标;采用PLC的内置时钟和脉冲宽度测量功能来测频，既简化了频率测量前置回路，又使得频率测量程序非常简单。可以说，武汉长控没有一台非本体测频的PLC调速器投放到市场，高可靠性的全PLC调速器得到了同行和用户的充分认可。多品种、多系列全PLC调节器构成的调速器是武汉长控1998年至今的主导产品。2002年的三门峡电站4号机改造就是该系列调节器的典型应用，该成果被科技部等五部委评为国家重点新产品。

2.11WBLF－1000型IPC双微机励磁装置的研制

1999年，WBLF－1000型IPC双微机励磁装置采用研华工业PC机研发并采用非线性灭磁的双微机励磁装置研制完成，成功运用于单机3万kW的湖北朝阳寺水电站。

2.12PLC励磁装置的研制

2002年，采用日本三菱公司FX2N系列PLC研发的励磁调节装置在湖北锁金山电厂成功投运。

2.13PCC调速器的研制

可编程计算机控制器(PCC)引入到调速器行业是由PLC调节器的测频瓶颈引起的，PCC集成了PLC的标准控制功能和计算机的分时多任务操作系统等功能，除具备PLC的高可靠性外，还具有PC机的高速性和大容量等特点。PCC具有高速的智能处理器TPU，它为调速器的测频提供了充分的保证。

PCC调速器与同级别的全PLC调速器相比，测频回路多、信号源可多选、测频回路更加简单、测频精度高、实时性强。同级别的PCC调速器比全PLC调速器有更好的调节品质。PCC具有的良好电磁兼容能力和现场总线(CANBUS)全面支持技术，体现着世界工控领域的发展方向。

武汉长控从2003年开始进行PCC调速器的研发，2005年起相继有PP41、B＆R2003、B＆R2005等多个系列PCC调速器投放市场。武汉长控PCC调速器在广西长洲、贵州沙沱等一大批水电站得到广泛运用，并得到用户充分认可。目前大型调速器技术方案，PCC调节器是最重要的选择之一。

2.14PBL型励磁装置的研制

2004年，以PCC为主调节器的PBL型励磁装置研制成功，该励磁装置调节器采用主备双通道不对称冗余结构，以PCC系列产品PP41为主通道，以单片机80C196为备用通道。该产品先后在云南挖窖河三级电站、四川交脚河电站、浙江毛洋电站和福建南盘石电站等成功投运。由于WBL型和PBL型励磁装置运行稳定可靠，操作维护简单，深受用户信赖。WBL型励磁装置在火电站励磁和泵站电动机励磁上也取得了应用，进一步扩展了武汉长控的业务范围。

武汉长控PBL型励磁装置通过了省部级鉴定。

2.15高油压中小型调速器研制与延伸发展

为了降低调速器生产成本，武汉长控考虑将标准液压件和断续控制方式用于电液调速器，1993年在此基础上开始了第1台高油压水轮机调速器的研发。1997年初，武汉长控第1台工作油压为16 MPa、操作功为50 000 N·m的GYT－5000型高油压水轮机调速器在四川双柏水电站投入运行，接着又有5台同型号的高油压水轮机调速器陆续在重庆市赶场水电站和鱼背山水电站投入运行。1999年该型号高油压水轮机调速器通过部级鉴定，获得水利部科技进步三等奖。

武汉长控GYT系列高油压调速器，采用囊式蓄能器储能，蓄能器的胶囊密封极为可靠，里面所充入的高压氮气极少泄露，运行中不须补气，也不须设置高压空气系统，可使水电站节约一笔可观的投资和运行费用。

高油压调速器应用了电液比例随动装置、电液数字随动装置等现代化电液控制技术，减少了调速器的液压放大环节。其机械液压部分大都采用了标准液压件，工作油压有了大幅度提高;体积小，重量轻，结构简单，维修方便，工作可靠，具有标准化、系列化、高压化和集成化的特点;具有优良的速动性及稳定性，在中小型调速器上得到了较广泛的应用。

武汉长控将高油压技术继续延伸，应用到大型调速器，努力使该系列产品成为调速器的升级换代产品，在各类机型的调速器上得到广泛应用。现已形成了中小型高油压调速器的系列产品和大型高油压双调节调速器产品。系列产品是国内工作油压最高的电液调速器，额定油压达16 MPa，为我国电液调速器的发展开辟了一条新路。高油压水轮机调速器一经面世，便以其独特的技术和经济优势得到了用户的广泛认可，并在国内外得到迅速推广。

2.16比例阀与数字阀一体化应用

针对比例阀和数字阀可靠性与性能指标相矛盾的问题，武汉长控2004年首创比例阀和数字阀回路和驱动兼容的中小型调速器，阀体电回路和机回路通用，用户可根据电站的特点和自己的喜好，选择安装比例阀或数字阀即可实现比例阀或数字阀控制的调速器。

2.17冲击式水轮机电液调速器的研制

20世纪90年代，冲击式水轮机电液调速器在国内尚属空白，当时所采用的机械液压调速器已不能满足电站自动控制的要求。1993年武汉长控结合以礼河电站调速器的技术改造，开始研制大型多喷嘴冲击式水轮机电液调速器。1995～1999年，以礼河三级、四级站共8台大型四喷嘴冲击式机组调速器全部改造成功，奠定了武汉长控冲击式机组调速器技术国内领先地位。从2005年开始，武汉长控积极研究多喷嘴冲击式机组调速器的系统结构和调节模式，采用单元控制方式，取消协联是其特色成果。作为多喷嘴冲击式机组微机调速器的开创者，根据冲击式机组的特点，武汉长控提出了取消折向器与喷针的协联关系、喷针作为主调节、折向器作为过速保护装置的单元控制方案，大大简化了多喷嘴多折向器控制的调速器系统结构，产品性能进一步提升。该系列成果通过了两次省部级鉴定，一个部级科技进步三等奖。2003年以来武汉长控承接了单机容量36 MW以上的冲击式调速器多台套，在冲击式机组调速器方面拥有最大的市场占有率。

2.18电机控制式电液调速器的研制

20 a年前，在电液调速器中普遍采用电液转换器(或电液伺服阀)作为电气－机械转换部件，由于其对油质的要求高，可靠性降低，难以满足大多数管理水平低或油质差的中小型电站运行可靠性的要求，武汉长控率先提出采用控制电机(步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机)作为电液调速器中的电气机械转换部件。

直流伺服电机由于其低速大力矩和控制电路简单的特点，武汉长控首先研制了DKT－100型直流伺服电机控制的调速器，并于1996年3月在河北王快电站投入运行。后来相继有近100台套直流伺服电机控制式调速器投入运行，由于其运行稳定，调整方便，深受用户欢迎。

随着电子技术的进步，在精密的数控机床上广泛采用了交流伺服系统，武汉长控也适时展开了交流伺服电机控制调速器的研究。2004年5月，武汉长控第1台JDKST－100型交流伺服电机控制调速器在广西合面狮水电站成功投入运行，该调速器通过了行业技术鉴定，技术国内领先，并得到了广泛推广应用。

应行业特性和多数用户的需求，武汉长控在伺服电机推广应用的同时，步进电机控制式调速器也得到充分发展，并在云南黄连山电站、贵州老江底电站、广西昭平电站、重庆大河口电站等得到应用。电机控制式调速器的推出应该是调速器行业的一场技术革命。武汉长控已成为电机控制式电液调速器最为齐全的厂家。

2.19贯流式机组专用调速器的研制

针对贯流式机组的运行和结构特点，武汉长控进行了贯流式机组专用调速器的研制。该类型的调速器机械部分采用比例阀控制，工作油压为6.3 MPa，无机械反馈，液压集成度高，并首创了固定引导阀式主配压阀，造型美观，结构紧凑。采用调速器机械部分和油压装置合一，简化了管路系统，电站布置整齐美观。根据贯流式电站和贯流式机组的特殊性，调速器设有大波动控制策略和水位控制等特殊功能。2000年在国内红岩子水电站进行了“贯流式机组专用调速器”的成果鉴定，该成果应用了两项专利技术，即“水轮机调速器的电液比例随动装置”和“液压内反馈自复中式主配压阀”。产品高度的可靠性和优良的技术性能指标得到了同行专家的一致好评。经过近10 a的运行，充分证明了该成果技术的先进性和成熟性。武汉长控将该成果应用于被誉为灯泡贯流式机组电站中的“三峡工程”——广西长洲水电厂，用户的良好反馈，以及与兄弟单位的产品性能对比，再次证明了长控品牌在贯流式机组调速器的领跑者地位。

2.20潮汐电站水轮机调速器研制

为满足亚洲地区最大(世界上名列第三位)的浙江江厦潮汐水电站的自动化需要，武汉长控于1997，2002年和2009年相继研制成功了三代潮汐式水轮机调速器，该系列调速器可以满足机组双向多工况(如正、反向发电，正、反向泄水等)运行需要，且该机型填补了国内适应潮汐能电站可逆式灯泡贯流机组全工况控制的空白，成果整体技术及性能指标达到国际领先水平，创近些年来本行业成果鉴定评价之最高。国家重点新产品“可逆式水电机组智能适应式数字调速器”就是以本项目为基础的杰作。

2.21抽水蓄能机组调速器的研制

未来几十年，国家在抽水蓄能电站投资规模很大，目前该类机组调速器市场基本上由国外厂家垄断，价格昂贵。2008年武汉长控承接了潘家口2台90 MW抽水蓄能机组调速系统改造，采用了其先进的比例阀式集成液压系统。

2.22新型操作器的研制

国家电网建设在迅速发展，电网规模将越来越大，单台机组对电网的影响将会逐渐变小，特别是中小型机组。借鉴发达国家的经验，中小型机组调速器可以被简单可靠的操作器取代。武汉长控顺应市场的需要推出了多种操作器系列产品。

2.23双核处理器(DSP+ARM)励磁装置的研制

勇于创新是企业发展的源泉，2013年，武汉长控进行了双核处理器(DSP+ARM)励磁装置的研发，采用最为先进的双核芯片F28M35作为调节器。该系列技术成果成功应用于云南老屋河水电站同步发电机励磁装置和湖北长青泵站、后湖泵站同步电动机励磁装置。该成果进一步改善了励磁性能，提高了产品档次，从而推动了励磁行业技术进步。

2.24低压机组一体化屏的研制

低压机组自动化是我国的薄弱环节，在农村小水电大力开发的背景下，在“无人值班”(少人值守)的自动化管理模式政策驱动下，低压机组一体化屏应运而生。武汉长控开发了集调速、励磁、自动化、保护、同期于一体的低压机组自动化屏产品。

2.25其他电站自动化设备或装置的研制

根据水电站自动化的要求，应用户的需要，武汉长控还配套研制完成了水电站球阀控制系统、分段关闭装置、油压装置控制系统、重锤关机装置、事故配压阀、PLC转速测控装置、数字频率测量与发生仪、中性点接地装置等电站自动化设备。

3　实验研究与实验平台建设

3.1调速器与励磁装置试验仪器的研究

在试验室和电站开展了调速器及其主要部件动态特性试验方法的研究。1980年在陆水电站获得了水轮机调速器系统频率特性，并提出了电液调速器动态试验的方法。

通常，水电站机组控制系统的试验只能在真机上进行，无法进行参数优化，难以取得良好的动静态性能。武汉长控与华中科技大学水电学院共同研发了水轮机调速系统测试仪和水轮机调速系统仿真装置，与武汉大学动力学院共同研发了同步发电机励磁装置测试仪和同步发电机励磁仿真装置，从而保证了在实际系统投运前，把真实控制器和实时仿真系统对接构成实时闭环系统，并在其上进行各种闭环动、静态特性试验。

通过水轮机调节系统实时仿真技术对水轮机调节系统参数与性能进行优化，通过发电机励磁系统实时仿真技术对发电机励磁系统参数与性能进行优化，以提高水电机组运行稳定性与安全性。

3.2在水轮机调节系统中引入水压反馈的研究

过水系统水流加速时间常数Tw大的电站，即Tw/Ta较大时，一般调速器不能满足系统稳定和调节品质的要求，为解决这一技术问题，武汉长控开展了在电液调速器中引入水压反馈的双信息电液调速系统的理论分析和试验，研究了直接和间接水压反馈两方案，探讨了水压补偿的机理，分析了水压补偿对改善水轮机调节品质的效果，进行了电站工业试验，为水轮机双信息调速系统研制奠定了基础。

3.3大型调速器实验台建设

武汉长控于1993年建成了国内先进的大型调速器实验台，该实验台装备有4.0 MPa和6.3 MPa两个压力等级的油压装置，并配有数字仿真实验设备(可对引水系统、水轮发电机组和电网等进行建模)和高性能空压机。2005年，对该实验台进行了升级改造，目前，实验台上可同时进行2台大型调速器的动态和静态试验，可以进行国家标准和行业标准规定的全部试验项目，可以模拟电站现场进行开停机、空扰和甩负荷等一系列实验，为产品出厂检测验收和用户培训提供了很大方便。该实验台在全国屈指可数。

3.4动模实验室建设

2013年底，应武汉长控励磁专业和院机组一体化屏研转项目的需要，武汉长控建设了动模实验室，配置了STC三相交流同步发电机、采用高速液压马达的原动机、模拟同期表等。

4　技术成果

武汉长控不但重视技术创新与产品研制，同时注重科研成果的开发积累，积极出版或参与编写专著，并注重行业影响，积极参加行业活动，技术交流活跃。一大批技术骨干在各类刊物上发表论文和学术交流会上进行技术交流;在国家和行业标准的制订上作出了相当大的贡献;在专利申请、成果鉴定、报奖、国家重点新产品的申报、企业创新基金申请等方面成绩斐然。

4.1著作和学术论文

作为我国设计制造辅机产品的企业，武汉长控出版或参与编写的专著有5部。其中作为主编单位出版了《水轮发电机组调速与励磁设备》一书，并是中国《电气工程大典》“水轮机调速系统”部分的编写单位。

武汉长控于1996年收集出版了技术文献选编第1集，收录了建所前后有代表性的论文37篇，内容涵盖综述、专利技术、试验与研究、装置与产品及理论分析等方面，绝大部分已在省部级刊物、核心期刊和学术交流会上公开发表。科研成果厚积薄发，2000年后又收集出版了技术文献选编第2集和第3集，其中在国家一级刊物上发表的论文近50篇。文献描述和记录了武汉长控21世纪的科研成果和产品轨迹，较全面地反映了武汉长控的技术进步和科研成果。

4.2调速器标准编写

参加了国家标准GB/T 9652.1－2007“水轮机控制系统技术条件”等的制定工作;参加了行业标准DL/T 1120－2009“水轮机调节系统自动测试及实时仿真装置技术条件”与DL/T 792－2013“水轮机调节系统及装置运行与检修规程”等的编写工作;参加了部颁标准SL 615－2013“水轮机电液调节系统及装置基本技术条件”等的编写工作;作为主编单位，正在进行能源标准“小水电机组高油压调速器基本技术条件”的编写，为水轮机调节行业做出了应有的贡献。

4.3专利技术与成果鉴定

统计1995年以来所获得的专利，武汉长控共获得实用新型16项，且所有转化为产品，取得了较大的经济效益和社会效益。特别是，水轮机调速器的电液比例随动装置(专利号ZL95 2 38033.1)成为武汉长控高油压调速器的灵魂技术并为我国电液调速器的发展开辟了一条新路;水轮机调速器自复中电－机转换器(专利号ZL 04220027462.6)是武汉长控为改变我国调速器油质环境比较差而电液转换环节可靠性得不到保障的问题而提出的技术思想，是调速器行业的一场技术革命，一直影响并发展到现在;主配压阀位置流量反馈液压复中装置(专利号ZL 200820191121.9)成为武汉长控各机型(混流、轴流转桨、贯流等)大型调速器的核心技术，在与进口主配的比较竟争中不处下风，其广泛应用获得同行和用户的一致好评。

统计1998年以来的成果鉴定16项，如WDT－150双冗余可编程水轮机调速器(鄂科鉴字［2010］第03175号)，它们为武汉长控赢得了良好的市场声誉，搭建了友善的客户平台。

4.4科研成果

武汉长控成立30 a来(包括所成立前)，在水轮机调速器和同步发电机励磁的科研和创新方面做了大量工作，获得丰硕的科技成果，其中16项获奖，特别是: JST－100型水轮机集成电路双调节电液调速器获全国科学大会奖，WDT型水轮机微机电液调速器、带TFT中文界面的伺服电机控制式全可编程水轮机调速器、可逆式水电机组智能适应式数字调速器等被评为国家重点新产品。武汉长控在调速调节器发展的各个阶段，都对应开发了同档次控制器的励磁调节器，双微机、IPC、PLC、PCC、双核处理器(DSP+ARM)励磁调节器，品种齐全，励磁科研与调速开发同步发展。

5　结语

武汉长控成立发展的30 a，正是我国水电控制技术飞速进步、蓬勃发展的30 a，也是长控人在推动行业技术进步方面做出突出贡献的30 a。30 a来，长控人在水轮机调速器和同步发电机励磁等电站控制设备的科研与设计、成果推广、起草国家和行业标准等方面做了大量工作，获得了丰硕的成果。但与当代科学技术进步的速度相比，差距仍然很大，要跟上科学技术进步的步伐，满足电站自动化技术日益提高的要求，任务还十分艰巨，长控人需要戒骄戒躁，加倍努力，研制出更多更先进的新型调速器和励磁装置，加快将我国水电站辅机控制设备推向世界的步伐，多参与国际竞争。在国家全面深化改革的大背景下，武汉长控将为我国乃至国际水轮机调速与同步发电机励磁等电站控制设备技术的发展作出应有的新贡献。

环境与生态

作者简介:潘熙和，男，长江科学院武汉长江控制设备研究所所长，教授级高级工程师.

收稿日期:2015-08-17

文章编号:1006-0081(2015) 10-0027-06

中图法分类号:TK730.41

文献标志码:A