１． 調相壓水歷史沉淀綜述 電力系統的負載主要是感性負載（異步電動機和變壓器），它們從電網中吸收感性無功功率，使電網的功率因數降低，線路壓降和損耗增大，發電設備的利用率和效率降低。為了提高電力系統的功率因素cosψ和保持電壓水平，常常裝置調相機（同期補償器）作為無功功率電源，提供感性無功，調相機通常都是在過勵狀態下（電流超前電壓90°）運行，忽略定子繞組電阻時功角θ=0[01]。水輪發電機作調相機運行時從電力系統中吸取一部分有功功率以補償其銅耗﹑鐵耗和風摩損耗，通常采用壓水調相，一般調相容量為(0.6～0.75) (KVA)， 為發電機額定容量。 利用水輪發電機組作同期調相機有許多優點，比裝置專門的調相機經濟，不需一次投資；運行切換靈活簡便，一般調相運行轉發電運行只需要十多秒，故承擔電力系統的事故備用很靈活。缺點是消耗電能比其它靜電容器大，故應設法（如壓水調相并自動化）減小調相耗能。 可以承擔調相任務的水電機組有三類情況：①枯水期間不能發電且距離負荷中心不遠的某些徑流式水電站機組；②電力系統負荷低谷期間不用發電的調峰水電機組；③電力系統正常運行期間不用發電的事故備用水電機組。當水輪發電機組作調相機運行時可能的方式分析與對比見表1： 表1：水輪機組調相可能方式之對比 利用壓縮空氣強制排水的方法在工程技術中早有應用，如打撈沉船的浮箱、潛水艇升降器、水下施工沉箱。調相壓水的目的是減小阻力、減少電能消耗、同時減輕機組振動。壓縮空氣通常是從專用的調相貯氣罐中引來，強制壓低轉輪室中的水位，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口邊以下（0.5～1.0）D1，設置上限水位時應躲開轉輪室“風扇效應”[03]浪涌擺幅0.5D1，設置下限水位時應考慮“封水效應”[03]防止一次性逸氣；壓水效果最優的起始給氣流量(m3/s) 式中 ——轉輪出口直徑（m）； ——機組額定轉速（rpm)； ——吸出高值（m） ２．調相給氣壓水系統自動控制要求 如前所述：水輪發電機組作調相運行時，導水葉是全關的，為了減少阻力和電能損耗，必須將水輪機轉輪室水位壓低，使轉輪在空氣中旋轉。對機組調相壓水系統自動化的要求是[04][05][06]：①當機組轉為調相運行時，打開主給氣閥（考慮與治理抬機[07][08][09]用電動調節補氣閥合一）將壓縮空氣送入轉輪室將水位壓下，下降至“封水效應”[03]容許的下限水位時，關閉主給氣閥；②由于流道逸氣、攜氣，轉輪室水位逐漸上升至“風扇效應”[03]容許的上限水位時，又自動開啟主給氣閥，將水位再次壓低至下限水位；③為避免主給氣閥操作過于頻繁，在主給氣閥處并聯一只由電磁配壓閥控制的較小的輔助液壓給氣閥（進氣流量略小于逸氣流量+攜氣流量），它在調相過程中一直開啟。 ３．治理甩負荷抬機新思路重申與控制要求簡述 文獻[07][08][09]已就此問題較詳述，本文僅作兩點強調：①傳統治理抬機措施存在原理性缺陷，即強迫式真空破壞閥由調速環下斜塊速壓而動作，閥之出氣位置處頂蓋下轉輪室四周壓力較高區，轉輪室內進氣量很小；自吸式真空破壞閥動作時已形成大真空度，加之水擊波[10]在t＝（2×25～2×50）/1000＝0.05～0.1秒后返回，入氣位置雖佳但進氣量仍極少；兩段關閉導水葉法調保兼治抬只能略微減輕不能完全消除轉輪室-尾水管段水擊[10]，對解決小Kz值（機組轉動部分相對重量）[07]的機組抬機幾乎無效[11]。②注意到轉輪室-尾水管段“短粗彎管”也發生水擊是水輪機組甩負荷抬機的根源，我們應在甩負荷發生瞬間立即不延時自動向轉輪室中心壓力較低區域充入與由于快速關導葉造成過水流量減小值近似相等的壓縮空氣流量（換算到轉輪室壓力狀態下），以時刻維持轉輪室壓強和甩負荷前穩定流狀態一致，希冀狀態空間[12]（又稱相空間）不變。 ４．調相給氣壓水系統與治理抬機[07][08][09]相結合時自動化元器件配置、I/O統計、PLC及擴展模塊選擇、內存地址分配 為滿足上述自動控制要求，①轉輪室水位由電極式水位信號器DSX反映，信號提供給PLC；②主給氣閥為電動調節進氣閥，該閥位于壓縮空氣供氣總管與水輪機頂蓋近中心區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[水輪機最大過流量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為防治甩負荷抬機需監測監控轉輪室壓強，在水輪機頂蓋過流面直徑為(D1＋Dz)／2的分布圓周上（D1為轉輪標稱直徑；Dz為主軸直徑）沿＋X、＋Y、―X、―Y方向分別布置1號、2號、3號、4號四只壓力傳感器，信號提供給PLC。 這里設計的PLC控制系統，由導葉主令開關提供導葉開度全關信號，需1個開關量輸入點；由導葉主令開關提供導葉開度在空載以上，需1個開關量輸入點；由斷路器輔助觸頭提供DL狀態，需1個開關量輸入點；調相時由電極式水位信號器DSX提供上、下限兩個水位信號，需2個開關量輸入點；四只壓力傳感器提供轉輪室甩負荷時不同方位的壓力信號，需4個模擬量輸入點；進入調相狀態后須給電極式水位信號器投入電源，需1個開關量輸出點；主給氣閥為電動調節進氣閥，需1個開關量輸出點控制其工作電源投入與切除、需1個開關量輸出點控制立即開閉、還需1個模擬量輸出點用于PID調節進氣量；輔給氣閥之ZT電磁鐵不帶電工作，開啟與關閉需PLC開關量輸出點各1個（計2）。總計開關量輸入點5個；開關量輸出點5個；模擬量輸入點4個；模擬量輸出點1個。 在微機-PLC-PLC控制系統中設一臺SIMATIC S7-222型[13]PLC（8輸入／6輸出）并帶一個EM235型[13]（4路模擬量輸入／1路模擬量輸出）模擬量擴展模塊控制水輪機組相壓水系統并與治理抬機相結合成分層分布式計算機監控系統[14]中的一個神經元[15]，PLC型號可和網絡中其它PLC一致，如選S7-224型。表2給出輸入輸出地址及內存變量分配。 表2：PLC輸入、輸出信號內存變量地址分配表 ５．　程序設計[16][17] ５．１　總體思路 控制程序采用分塊結構。設子程序SBR0控制機組調相壓水系統；子程序SBR1控制機組甩負荷時立即不延時向轉輪室補入恰當量氣體[08]。主程序OB1分別調用SBR0、SBR1子程序塊，對兩個不同時事件分別控制。 ５．２　主程序中的具體控制流程 采用子程序調用和甩負荷治抬PID算法中斷程序，構建分塊結構，在水輪發電機組運行過程中，本小系統主程序只要不間斷查詢兩個子程序的起動條件，并根據起動條件決定是否調用調相壓水子程序或治理甩負荷抬機子程序。 ５．３　控制算法 應用算法控制甩負荷后向轉輪室的進氣量，從而控制轉輪室狀態空間量水位或者壓強，調相壓水時用的是乒乓策略，甩負荷治抬機時則是PID算法，PID的輸出值用來控制主給氣閥（電動調節閥）的開通大小。 ５．４　控制程序 •OB1•（主程序） LD SM0.0 A I0.0 //導水葉處于全關位置 A I0.2 //發電機出口斷路器處于合閘狀態 S M0.0，1 //機組調相運行狀態標志置位 S Q0.0，3 //給主給氣閥、電極式水位信號器加工作電源；開啟主給氣閥。 = Q0.3 //開啟輔給氣閥 CALL SBR_0 LD SM0.0 A I0.1 //導水葉開度位置在空載以上 AN I0.2 //斷路器已跳閘 S M0.1，1 //機組甩負荷已發生標志置位 S Q0.0，2 //立即不延時給主給氣閥加工作電源并開啟主給氣閥 = V5000.0 //發送上位機啟動機組事故停機指令 CALL SBR_1 LD V5000.1 O V5000.2 R M0.0，1 //機組調相運行狀態標志復位 R Q0.1，2 //關閉主給氣閥、DSX切除電源 = Q0.4 //關閉輔給氣閥 LD Q0.1 TON T37，50 //延時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 //關閉主給氣閥。 LD Q0.1 TON T37，50 //延時5S LD T37 R Q0.0，1 //切除主給氣閥電源 R M0.1，1 //機組甩負荷發生標志在停機完成后復位 END •SBR0•（調相時供氣壓水子程序） LDN I0.4 //轉輪室水位低于下限值 R Q0.1，1 //關閉主給氣閥 LD I0.3 //轉輪室水位高于上限值 S Q0.1，1 //開啟主給氣閥 LD V5000.1 //機組進入發電運行狀態 O V5000.2 //機組停機復歸 CRET //供氣壓水子程序有條件返回 •SBR1•（甩負荷時輸氣治抬機子程序） LD M0.1 LPS S Q0.0，1 //電動進氣調節閥加上工作電源 LRD A SM0.1 //首次掃描置1 S Q0.1，1 //主給氣閥立即開至全開 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