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１． 調(diào)相壓水歷史沉淀綜述
電力系統(tǒng)的負(fù)載主要是感性負(fù)載（異步電動機和變壓器），它們從電網(wǎng)中吸收感性無功功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，線路壓降和損耗增大，發(fā)電設(shè)備的利用率和效率降低。為了提高電力系統(tǒng)的功率因素cosψ和保持電壓水平，常常裝置調(diào)相機（同期補償器）作為無功功率電源，提供感性無功，調(diào)相機通常都是在過勵狀態(tài)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(fā)電機作調(diào)相機運行時從電力系統(tǒng)中吸取一部分有功功率以補償其銅耗﹑鐵耗和風(fēng)摩損耗，通常采用壓水調(diào)相，一般調(diào)相容量為(0.6～0.75) (KVA)， 為發(fā)電機額定容量。
利用水輪發(fā)電機組作同期調(diào)相機有許多優(yōu)點，比裝置專門的調(diào)相機經(jīng)濟，不需一次投資；運行切換靈活簡便，一般調(diào)相運行轉(zhuǎn)發(fā)電運行只需要十多秒，故承擔(dān)電力系統(tǒng)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(yīng)設(shè)法（如壓水調(diào)相并自動化）減小調(diào)相耗能。
可以承擔(dān)調(diào)相任務(wù)的水電機組有三類情況：①枯水期間不能發(fā)電且距離負(fù)荷中心不遠(yuǎn)的某些徑流式水電站機組；②電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷期間不用發(fā)電的調(diào)峰水電機組；③電力系統(tǒng)正常運行期間不用發(fā)電的事故備用水電機組。
利用壓縮空氣強制排水的方法在工程技術(shù)中早有應(yīng)用，如打撈沉船的浮箱、潛水艇升降器、水下施工沉箱。調(diào)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。壓縮空氣通常是從的調(diào)相貯氣罐中引來，強制壓低轉(zhuǎn)輪室中的水位，壓縮空氣的zui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(jìn)口邊以下（0.5～1.0）D1，設(shè)置上限水位時應(yīng)躲開轉(zhuǎn)輪室“風(fēng)扇效應(yīng)”[03]浪涌擺幅0.5D1，設(shè)置下限水位時應(yīng)考慮“封水效應(yīng)”[03]防止一次性逸氣；壓水效果*的起始給氣流量(m3/s)
式中 ——轉(zhuǎn)輪出口直徑（m）； ——機組額定轉(zhuǎn)速（rpm)； ——吸出高值（m）
２．調(diào)相給氣壓水系統(tǒng)自動控制要求
如前所述：水輪發(fā)電機組作調(diào)相運行時，導(dǎo)水葉是全關(guān)的，為了減少阻力和電能損耗，必須將水輪機轉(zhuǎn)輪室水位壓低，使轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)。對機組調(diào)相壓水系統(tǒng)自動化的要求是[04][05][06]：①當(dāng)機組轉(zhuǎn)為調(diào)相運行時，打開主給氣閥（考慮與治理抬機[07][08][09]用電動調(diào)節(jié)補氣閥合一）將壓縮空氣送入轉(zhuǎn)輪室將水位壓下，下降至“封水效應(yīng)”[03]容許的下限水位時，關(guān)閉主給氣閥；②由于流道逸氣、攜氣，轉(zhuǎn)輪室水位逐漸上升至“風(fēng)扇效應(yīng)”[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(lián)一只由電磁配壓閥控制的較小的輔助液壓給氣閥（進(jìn)氣流量略小于逸氣流量+攜氣流量），它在調(diào)相過程中一直開啟。
３．治理甩負(fù)荷抬機新思路重申與控制要求簡述
文獻(xiàn)[07][08][09]已就此問題較詳述，本文僅作兩點強調(diào)：①傳統(tǒng)治理抬機措施存在原理性缺陷，即強迫式真空破壞閥由調(diào)速環(huán)下斜塊速壓而動作，閥之出氣位置處頂蓋下轉(zhuǎn)輪室四周壓力較高區(qū)，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)進(jìn)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(jìn)氣量仍極少；兩段關(guān)閉導(dǎo)水葉法調(diào)保兼治抬只能略微減輕不能*消除轉(zhuǎn)輪室-尾水管段水擊[10]，對解決小Kz值（機組轉(zhuǎn)動部分相對重量）[07]的機組抬機幾乎無效[11]。②注意到轉(zhuǎn)輪室-尾水管段“短粗彎管”也發(fā)生水擊是水輪機組甩負(fù)荷抬機的根源，我們應(yīng)在甩負(fù)荷發(fā)生瞬間立即不延時自動向轉(zhuǎn)輪室中心壓力較低區(qū)域充入與由于快速關(guān)導(dǎo)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(zhuǎn)輪室壓力狀態(tài)下），以時刻維持轉(zhuǎn)輪室壓強和甩負(fù)荷前穩(wěn)定流狀態(tài)一致，希冀狀態(tài)空間[12]（又稱相空間）不變。
４．調(diào)相給氣壓水系統(tǒng)與治理抬機[07][08][09]相結(jié)合時自動化元器件配置、I/O統(tǒng)計、PLC及擴展模塊選擇、內(nèi)存地址分配
為滿足上述自動控制要求，①轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，該閥位于壓縮空氣供氣總管與水輪機頂蓋近中心區(qū)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zui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(fù)荷抬機需監(jiān)測監(jiān)控轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪標(biāo)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(shè)計的PLC控制系統(tǒng)，由導(dǎo)葉主令開關(guān)提供導(dǎo)葉開度全關(guān)信號，需1個開關(guān)量輸入點；由導(dǎo)葉主令開關(guān)提供導(dǎo)葉開度在空載以上，需1個開關(guān)量輸入點；由斷路器輔助觸頭提供DL狀態(tài)，需1個開關(guān)量輸入點；調(diào)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(guān)量輸入點；四只壓力傳感器提供轉(zhuǎn)輪室甩負(fù)荷時不同方位的壓力信號，需4個模擬量輸入點；進(jìn)入調(diào)相狀態(tài)后須給電極式水位信號器投入電源，需1個開關(guān)量輸出點；主給氣閥為電動調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，需1個開關(guān)量輸出點控制其工作電源投入與切除、需1個開關(guān)量輸出點控制立即開閉、還需1個模擬量輸出點用于PID調(diào)節(jié)進(jìn)氣量；輔給氣閥之ZT電磁鐵不帶電工作，開啟與關(guān)閉需PLC開關(guān)量輸出點各1個（計2）?？傆嬮_關(guān)量輸入點5個；開關(guān)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(tǒng)中設(shè)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(tǒng)并與治理抬機相結(jié)合成分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)[14]中的一個神經(jīng)元[15]，PLC型號可和網(wǎng)絡(luò)中其它PLC一致，如選S7-224型。
５． 程序設(shè)計[16][17]
５．１ 總體思路
控制程序采用分塊結(jié)構(gòu)。設(shè)子程序SBR0控制機組調(diào)相壓水系統(tǒng)；子程序SBR1控制機組甩負(fù)荷時立即不延時向轉(zhuǎn)輪室補入恰當(dāng)量氣體[08]。主程序OB1分別調(diào)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(diào)用和甩負(fù)荷治抬PID算法中斷程序，構(gòu)建分塊結(jié)構(gòu)，在水輪發(fā)電機組運行過程中，本小系統(tǒng)主程序只要不間斷查詢兩個子程序的起動條件，并根據(jù)起動條件決定是否調(diào)用調(diào)相壓水子程序或治理甩負(fù)荷抬機子程序。
５．３ 控制算法
應(yīng)用算法控制甩負(fù)荷后向轉(zhuǎn)輪室的進(jìn)氣量，從而控制轉(zhuǎn)輪室狀態(tài)空間量水位或者壓強，調(diào)相壓水時用的是乒乓策略，甩負(fù)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(diào)節(jié)閥）的開通大小。
５．４ 控制程序
•OB1•（主程序）
LD SM0.0
A I0.0 //導(dǎo)水葉處于全關(guān)位置
A I0.2 //發(fā)電機出口斷路器處于合閘狀態(tài)
S M0.0，1 //機組調(diào)相運行狀態(tài)標(biāo)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(dǎo)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(fù)荷已發(fā)生標(biāo)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(fā)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(diào)相運行狀態(tài)標(biāo)志復(fù)位
R Q0.1，2 //關(guān)閉主給氣閥、DSX切除電源
= Q0.4 //關(guān)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(guān)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(fù)荷發(fā)生標(biāo)志在停機完成后復(fù)位
END
•SBR0•（調(diào)相時供氣壓水子程序）
LDN I0.4 //轉(zhuǎn)輪室水位低于下限值
R Q0.1，1 //關(guān)閉主給氣閥
LD I0.3 //轉(zhuǎn)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(jìn)入發(fā)電運行狀態(tài)
O V5000.2 //機組停機復(fù)歸
CRET //供氣壓水子程序有條件返回
•SBR1•（甩負(fù)荷時輸氣治抬機子程序）
LD M0.1
LPS
S Q0.0，1 //電動進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥加上工作電源
LRD
A SM0.1 //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 //把4號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC3
／I 4，AC3 //取4號壓力傳感器信號量的1/4
MOVW AIW4，AC2 //把3號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC2
／I 4，AC2 //取3號壓力傳感器信號量的1/4
MOVW AIW2，AC1 //把2號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC1
／I 4，AC1 //取2號壓力傳感器信號量的1/4
MOVW AIW0，AC0 //把1號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC0
／I 4，AC0 //取1號壓力傳感器信號量的1/4
＋I(xiàn) AC1，AC0
＋I(xiàn) AC2，AC0
＋I(xiàn) AC3，AC0
ITD AC0，AC0 //把16位整數(shù)轉(zhuǎn)換成32位整數(shù)
DTR AC0，AC0 //把32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)
／R 32000.0，AC0 //標(biāo)準(zhǔn)化AC0中的值作為PID運算設(shè)定值SPn（0.0～1.0之間）
LD SM0.1
A M0.1
CALL SBR_2 //調(diào)用初始化（回路表賦值）子程序
LD V5000.2 //機組停機復(fù)歸
R Q0.1，1 //主給氣閥立即全關(guān)
•SBR_2•（初始化/回路表賦值子程序）
LD SM0.0
MOVR AC0，VD104 //裝入回路表設(shè)定值SPn（0.0～1.0之間）/甩前壓強大小值
MOVR Kc，VD112 //裝入回路增益Kc（常數(shù)）
MOVR 0.004，VD116 //裝入采樣時間0.004s
MOVR Ti，VD120 //裝入積分時間Ti分鐘
MOVR Td，VD124 //裝入微分時間Td分鐘
MOVR 4，SMB34 //設(shè)定定時中斷0的時間間隔為4ms
ATCH INT_0，10 //設(shè)置定時中斷以定時執(zhí)行PID指令
ENI //允許中斷
LD V5000.2 //機組停機復(fù)歸
CRET
•INT_0•（中斷程序）
LD SM0.0
XORD AC0，AC0
XORD AC1，AC1
XORD AC2，AC2
XORD AC3，AC3
MOVW AIW6，AC3
／I 4，AC3
MOVW AIW4，AC2
／I 4，AC2
MOVW AIW2，AC1
／I 4，AC1
MOVW AIW0，AC0
／I 4，AC0
＋I(xiàn) AC1，AC0
＋I(xiàn) AC2，AC0
＋I(xiàn) AC3，AC0 //此時AC0中的數(shù)值為轉(zhuǎn)輪室頂蓋下壓強之平均值
ITD AC0，AC0 //把16位整數(shù)轉(zhuǎn)換成32位整數(shù)
DTR AC0，AC0 //把32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)
／R 32000.0，AC0 //標(biāo)準(zhǔn)化AC0中的值作為PID運算過程變量PVn（0.0~1.0之間）
MOVR AC0，VD100 //將AC0中的值存入回路表VD100
LD M0.1
PID VB100，0 //執(zhí)行PID指令
LD SM0.0
XORD AC0，AC0 //清空累加器AC0
MOVR VD108，AC0 // 把PID運算輸出送到AC0（輸出Mn，在0.0~1.0之間）
＊Ｒ 32000.0，AC0 //將AC0中的值刻度化
ROUND AC0，AC0 //四舍五入將實數(shù)轉(zhuǎn)換成32位整數(shù)
DTI AC0，AC0 //將32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成16位整數(shù)
MOVW AC0，AQW0 //將16位整數(shù)值寫到模擬量輸出寄存器，去控制調(diào)節(jié)閥進(jìn)氣開度
LD V5000.2 //機組停機復(fù)歸
CRETI //中斷返回
５．５ 程序編制說明
采用主程序、子程序、中斷程序的程序結(jié)構(gòu)形式，起到優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，減小掃描周期時間的效果。主程序OB1的功能是完成本合成神經(jīng)元小系統(tǒng)控制，一級子程序SBR0、SBR1的功能是分別完成調(diào)相壓水控制和甩負(fù)荷防治抬機控制；SBR2是一級子程序SBR1下嵌套的二級子程序，其功能是初始化給PID回路表賦值；INT0則是一級子程序SBR1下對甩負(fù)荷后向轉(zhuǎn)輪室的進(jìn)氣量進(jìn)行PID控制。
輔給氣閥由不帶電工作的ZT電磁鐵驅(qū)動，故安排Q0.3、Q0.4分別控制開啟、關(guān)閉；主給氣閥是需工作電源的電動調(diào)節(jié)閥，為防止閥關(guān)閉進(jìn)程中未到全關(guān)位置失電，采取關(guān)閥啟動后延時5S再切除電源；為防止不調(diào)相期間向轉(zhuǎn)輪室“亂”給氣，程序中在調(diào)相結(jié)束時切除電極式水位信號器DSX電源；主給氣閥在甩負(fù)荷治抬機時初始化即開啟至全開，以后各掃描周期由PID輸出控制其開度；使用AC0、AC1、AC2、AC3時先清零，讀入采樣數(shù)值后取其1/4再累加得到平均值，是為了防止數(shù)值溢出；SBR1中使用LPS、LRD、LPP是為了減小掃描時間[20]。
６． 調(diào)相壓水與治理抬機合成神經(jīng)元數(shù)理分析
我們把神經(jīng)元U看作一個信息處理單元，神經(jīng)元U可剖解為輸入、處理、輸出三塊區(qū)域[15] 。其輸入如同樹突接受來自其它神經(jīng)元的信號；其輸出好比由軸突送往其它神經(jīng)元的信號。信號可以是連續(xù)或離散量，可以是確定性量、隨機或模糊量。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，我們把與輸入列（輸入端）聯(lián)接的元叫作*層，顯然調(diào)相壓水與治理抬機合成神經(jīng)元在分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)[14]中屬于*層。
①當(dāng)調(diào)相壓水時，轉(zhuǎn)輪室水位b是輸入，而主輔給氣閥開度r1、r2是輸出。
r1＝1（when b≥b2∪b2→b1）＆ 0（when b＝b1∪b1→b2）；
r2≡1/a 。
②當(dāng)甩負(fù)荷治理抬機時，進(jìn)程中轉(zhuǎn)輪室實時壓強即過程變量PV是輸入，甩負(fù)荷發(fā)生瞬間之轉(zhuǎn)輪室壓強作給定值SP，偏差e=SP-PV，PID控制器管理輸出數(shù)值，以便使e為零，PID運算輸出r(t)是時間的函數(shù)，其當(dāng)前活化值不僅與當(dāng)前整合輸入有關(guān)，而且與以前時刻活化態(tài)有關(guān)。
r(t)=Kpe+Ki∫t0edt+Kdde/dt+ rinitial
式中Kp 、Ki 、Kd分別為回路比例、積分、微分系數(shù)；rinitial為回路輸出初始值。
其離散化PID運算模式為：
rn=Kpen+Ki∑el+rinitial+Kd(en－en-1)
式中rn為采樣時刻n的PID運算輸出值；en 、en-1 、el分別為采樣時刻n、n-1、l的PID回路偏差。
比例項是當(dāng)前采樣的函數(shù)，積分項是從*采樣至當(dāng)前采樣的函數(shù)，微分項是當(dāng)前采樣及前一采樣的函數(shù)，CPU處理時儲存前一次偏差及前一次積分項，上式簡化為：
rn=Kpen+（Kien+rX）+ Kd(en－en-1)
式中rX為積分項前值。
即輸出為比例項、積分項、微分項之和，Kp =Kc 、Ki=Kc Ts/Ti 、Ki=Kd Td/Ts。
７． 總結(jié)與展望
上述過程展示了合理繼承傳統(tǒng)又推陳出新的方法，也就是說，我們從傳統(tǒng)和次新技術(shù)中去提取、歸納了*下的活化規(guī)則，只有這樣才能使我們的控制系統(tǒng)性能更優(yōu)地完成任務(wù)，應(yīng)該堅信：“科學(xué)研究方法是人類解決自然界各種實際問題的有力手段”，“善于運用科學(xué)方法是至關(guān)重要的”[21]。誠望這一神經(jīng)元得到水力發(fā)電生產(chǎn)實踐的檢驗。
我國確定的西部大開發(fā)戰(zhàn)略，其中很重要的組成部分就是西部水力發(fā)電大開發(fā)，進(jìn)而“西電東送”。在不久的將來，會有三峽、溪落渡、白鶴灘等一大批巨型水電站熠耀生輝，鑒于分層分布式網(wǎng)絡(luò)較易組織和研究[15]，每一個現(xiàn)代水電站都將建設(shè)基于可編程控制器的分層分布式計算機監(jiān)測控制系統(tǒng)，如三峽-葛洲壩整個監(jiān)控系統(tǒng)分梯級調(diào)度層（連國調(diào)、CN、PN）、電廠控制層（有3個OS、2個IMS、1個GS、1個模擬屏控制站、2個對廠通信網(wǎng)關(guān)、2個與開關(guān)站控制網(wǎng)絡(luò)相連的橋B）和機組控制層（開放式的全冗余分布處理系統(tǒng)，每臺機組控制單元由6個部分組成，F(xiàn)ield Bus連接幾大主要設(shè)備）[14]。在這種分層分布式計算機監(jiān)測控制系統(tǒng)中，設(shè)計如[18]、[19]、[20]及本文等的神經(jīng)元是*的基礎(chǔ)，歡迎更多的人來探索。
電力系統(tǒng)的負(fù)載主要是感性負(fù)載（異步電動機和變壓器），它們從電網(wǎng)中吸收感性無功功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，線路壓降和損耗增大，發(fā)電設(shè)備的利用率和效率降低。為了提高電力系統(tǒng)的功率因素cosψ和保持電壓水平，常常裝置調(diào)相機（同期補償器）作為無功功率電源，提供感性無功，調(diào)相機通常都是在過勵狀態(tài)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(fā)電機作調(diào)相機運行時從電力系統(tǒng)中吸取一部分有功功率以補償其銅耗﹑鐵耗和風(fēng)摩損耗，通常采用壓水調(diào)相，一般調(diào)相容量為(0.6～0.75) (KVA)， 為發(fā)電機額定容量。
利用水輪發(fā)電機組作同期調(diào)相機有許多優(yōu)點，比裝置專門的調(diào)相機經(jīng)濟，不需一次投資；運行切換靈活簡便，一般調(diào)相運行轉(zhuǎn)發(fā)電運行只需要十多秒，故承擔(dān)電力系統(tǒng)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(yīng)設(shè)法（如壓水調(diào)相并自動化）減小調(diào)相耗能。
可以承擔(dān)調(diào)相任務(wù)的水電機組有三類情況：①枯水期間不能發(fā)電且距離負(fù)荷中心不遠(yuǎn)的某些徑流式水電站機組；②電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷期間不用發(fā)電的調(diào)峰水電機組；③電力系統(tǒng)正常運行期間不用發(fā)電的事故備用水電機組。
利用壓縮空氣強制排水的方法在工程技術(shù)中早有應(yīng)用，如打撈沉船的浮箱、潛水艇升降器、水下施工沉箱。調(diào)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。壓縮空氣通常是從的調(diào)相貯氣罐中引來，強制壓低轉(zhuǎn)輪室中的水位，壓縮空氣的zui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(jìn)口邊以下（0.5～1.0）D1，設(shè)置上限水位時應(yīng)躲開轉(zhuǎn)輪室“風(fēng)扇效應(yīng)”[03]浪涌擺幅0.5D1，設(shè)置下限水位時應(yīng)考慮“封水效應(yīng)”[03]防止一次性逸氣；壓水效果*的起始給氣流量(m3/s)
式中 ——轉(zhuǎn)輪出口直徑（m）； ——機組額定轉(zhuǎn)速（rpm)； ——吸出高值（m）
２．調(diào)相給氣壓水系統(tǒng)自動控制要求
如前所述：水輪發(fā)電機組作調(diào)相運行時，導(dǎo)水葉是全關(guān)的，為了減少阻力和電能損耗，必須將水輪機轉(zhuǎn)輪室水位壓低，使轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)。對機組調(diào)相壓水系統(tǒng)自動化的要求是[04][05][06]：①當(dāng)機組轉(zhuǎn)為調(diào)相運行時，打開主給氣閥（考慮與治理抬機[07][08][09]用電動調(diào)節(jié)補氣閥合一）將壓縮空氣送入轉(zhuǎn)輪室將水位壓下，下降至“封水效應(yīng)”[03]容許的下限水位時，關(guān)閉主給氣閥；②由于流道逸氣、攜氣，轉(zhuǎn)輪室水位逐漸上升至“風(fēng)扇效應(yīng)”[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(lián)一只由電磁配壓閥控制的較小的輔助液壓給氣閥（進(jìn)氣流量略小于逸氣流量+攜氣流量），它在調(diào)相過程中一直開啟。
３．治理甩負(fù)荷抬機新思路重申與控制要求簡述
文獻(xiàn)[07][08][09]已就此問題較詳述，本文僅作兩點強調(diào)：①傳統(tǒng)治理抬機措施存在原理性缺陷，即強迫式真空破壞閥由調(diào)速環(huán)下斜塊速壓而動作，閥之出氣位置處頂蓋下轉(zhuǎn)輪室四周壓力較高區(qū)，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)進(jìn)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(jìn)氣量仍極少；兩段關(guān)閉導(dǎo)水葉法調(diào)保兼治抬只能略微減輕不能*消除轉(zhuǎn)輪室-尾水管段水擊[10]，對解決小Kz值（機組轉(zhuǎn)動部分相對重量）[07]的機組抬機幾乎無效[11]。②注意到轉(zhuǎn)輪室-尾水管段“短粗彎管”也發(fā)生水擊是水輪機組甩負(fù)荷抬機的根源，我們應(yīng)在甩負(fù)荷發(fā)生瞬間立即不延時自動向轉(zhuǎn)輪室中心壓力較低區(qū)域充入與由于快速關(guān)導(dǎo)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(zhuǎn)輪室壓力狀態(tài)下），以時刻維持轉(zhuǎn)輪室壓強和甩負(fù)荷前穩(wěn)定流狀態(tài)一致，希冀狀態(tài)空間[12]（又稱相空間）不變。
４．調(diào)相給氣壓水系統(tǒng)與治理抬機[07][08][09]相結(jié)合時自動化元器件配置、I/O統(tǒng)計、PLC及擴展模塊選擇、內(nèi)存地址分配
為滿足上述自動控制要求，①轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，該閥位于壓縮空氣供氣總管與水輪機頂蓋近中心區(qū)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zui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(fù)荷抬機需監(jiān)測監(jiān)控轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪標(biāo)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(shè)計的PLC控制系統(tǒng)，由導(dǎo)葉主令開關(guān)提供導(dǎo)葉開度全關(guān)信號，需1個開關(guān)量輸入點；由導(dǎo)葉主令開關(guān)提供導(dǎo)葉開度在空載以上，需1個開關(guān)量輸入點；由斷路器輔助觸頭提供DL狀態(tài)，需1個開關(guān)量輸入點；調(diào)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(guān)量輸入點；四只壓力傳感器提供轉(zhuǎn)輪室甩負(fù)荷時不同方位的壓力信號，需4個模擬量輸入點；進(jìn)入調(diào)相狀態(tài)后須給電極式水位信號器投入電源，需1個開關(guān)量輸出點；主給氣閥為電動調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，需1個開關(guān)量輸出點控制其工作電源投入與切除、需1個開關(guān)量輸出點控制立即開閉、還需1個模擬量輸出點用于PID調(diào)節(jié)進(jìn)氣量；輔給氣閥之ZT電磁鐵不帶電工作，開啟與關(guān)閉需PLC開關(guān)量輸出點各1個（計2）?？傆嬮_關(guān)量輸入點5個；開關(guān)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(tǒng)中設(shè)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(tǒng)并與治理抬機相結(jié)合成分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)[14]中的一個神經(jīng)元[15]，PLC型號可和網(wǎng)絡(luò)中其它PLC一致，如選S7-224型。
５． 程序設(shè)計[16][17]
５．１ 總體思路
控制程序采用分塊結(jié)構(gòu)。設(shè)子程序SBR0控制機組調(diào)相壓水系統(tǒng)；子程序SBR1控制機組甩負(fù)荷時立即不延時向轉(zhuǎn)輪室補入恰當(dāng)量氣體[08]。主程序OB1分別調(diào)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(diào)用和甩負(fù)荷治抬PID算法中斷程序，構(gòu)建分塊結(jié)構(gòu)，在水輪發(fā)電機組運行過程中，本小系統(tǒng)主程序只要不間斷查詢兩個子程序的起動條件，并根據(jù)起動條件決定是否調(diào)用調(diào)相壓水子程序或治理甩負(fù)荷抬機子程序。
５．３ 控制算法
應(yīng)用算法控制甩負(fù)荷后向轉(zhuǎn)輪室的進(jìn)氣量，從而控制轉(zhuǎn)輪室狀態(tài)空間量水位或者壓強，調(diào)相壓水時用的是乒乓策略，甩負(fù)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(diào)節(jié)閥）的開通大小。
５．４ 控制程序
•OB1•（主程序）
LD SM0.0
A I0.0 //導(dǎo)水葉處于全關(guān)位置
A I0.2 //發(fā)電機出口斷路器處于合閘狀態(tài)
S M0.0，1 //機組調(diào)相運行狀態(tài)標(biāo)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(dǎo)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(fù)荷已發(fā)生標(biāo)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(fā)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(diào)相運行狀態(tài)標(biāo)志復(fù)位
R Q0.1，2 //關(guān)閉主給氣閥、DSX切除電源
= Q0.4 //關(guān)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(guān)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(fù)荷發(fā)生標(biāo)志在停機完成后復(fù)位
END
•SBR0•（調(diào)相時供氣壓水子程序）
LDN I0.4 //轉(zhuǎn)輪室水位低于下限值
R Q0.1，1 //關(guān)閉主給氣閥
LD I0.3 //轉(zhuǎn)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(jìn)入發(fā)電運行狀態(tài)
O V5000.2 //機組停機復(fù)歸
CRET //供氣壓水子程序有條件返回
•SBR1•（甩負(fù)荷時輸氣治抬機子程序）
LD M0.1
LPS
S Q0.0，1 //電動進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥加上工作電源
LRD
A SM0.1 //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 //把4號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC3
／I 4，AC3 //取4號壓力傳感器信號量的1/4
MOVW AIW4，AC2 //把3號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC2
／I 4，AC2 //取3號壓力傳感器信號量的1/4
MOVW AIW2，AC1 //把2號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC1
／I 4，AC1 //取2號壓力傳感器信號量的1/4
MOVW AIW0，AC0 //把1號壓力傳感器信號（模擬量）存入累加器AC0
／I 4，AC0 //取1號壓力傳感器信號量的1/4
＋I(xiàn) AC1，AC0
＋I(xiàn) AC2，AC0
＋I(xiàn) AC3，AC0
ITD AC0，AC0 //把16位整數(shù)轉(zhuǎn)換成32位整數(shù)
DTR AC0，AC0 //把32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)
／R 32000.0，AC0 //標(biāo)準(zhǔn)化AC0中的值作為PID運算設(shè)定值SPn（0.0～1.0之間）
LD SM0.1
A M0.1
CALL SBR_2 //調(diào)用初始化（回路表賦值）子程序
LD V5000.2 //機組停機復(fù)歸
R Q0.1，1 //主給氣閥立即全關(guān)
•SBR_2•（初始化/回路表賦值子程序）
LD SM0.0
MOVR AC0，VD104 //裝入回路表設(shè)定值SPn（0.0～1.0之間）/甩前壓強大小值
MOVR Kc，VD112 //裝入回路增益Kc（常數(shù)）
MOVR 0.004，VD116 //裝入采樣時間0.004s
MOVR Ti，VD120 //裝入積分時間Ti分鐘
MOVR Td，VD124 //裝入微分時間Td分鐘
MOVR 4，SMB34 //設(shè)定定時中斷0的時間間隔為4ms
ATCH INT_0，10 //設(shè)置定時中斷以定時執(zhí)行PID指令
ENI //允許中斷
LD V5000.2 //機組停機復(fù)歸
CRET
•INT_0•（中斷程序）
LD SM0.0
XORD AC0，AC0
XORD AC1，AC1
XORD AC2，AC2
XORD AC3，AC3
MOVW AIW6，AC3
／I 4，AC3
MOVW AIW4，AC2
／I 4，AC2
MOVW AIW2，AC1
／I 4，AC1
MOVW AIW0，AC0
／I 4，AC0
＋I(xiàn) AC1，AC0
＋I(xiàn) AC2，AC0
＋I(xiàn) AC3，AC0 //此時AC0中的數(shù)值為轉(zhuǎn)輪室頂蓋下壓強之平均值
ITD AC0，AC0 //把16位整數(shù)轉(zhuǎn)換成32位整數(shù)
DTR AC0，AC0 //把32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)
／R 32000.0，AC0 //標(biāo)準(zhǔn)化AC0中的值作為PID運算過程變量PVn（0.0~1.0之間）
MOVR AC0，VD100 //將AC0中的值存入回路表VD100
LD M0.1
PID VB100，0 //執(zhí)行PID指令
LD SM0.0
XORD AC0，AC0 //清空累加器AC0
MOVR VD108，AC0 // 把PID運算輸出送到AC0（輸出Mn，在0.0~1.0之間）
＊Ｒ 32000.0，AC0 //將AC0中的值刻度化
ROUND AC0，AC0 //四舍五入將實數(shù)轉(zhuǎn)換成32位整數(shù)
DTI AC0，AC0 //將32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成16位整數(shù)
MOVW AC0，AQW0 //將16位整數(shù)值寫到模擬量輸出寄存器，去控制調(diào)節(jié)閥進(jìn)氣開度
LD V5000.2 //機組停機復(fù)歸
CRETI //中斷返回
５．５ 程序編制說明
采用主程序、子程序、中斷程序的程序結(jié)構(gòu)形式，起到優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，減小掃描周期時間的效果。主程序OB1的功能是完成本合成神經(jīng)元小系統(tǒng)控制，一級子程序SBR0、SBR1的功能是分別完成調(diào)相壓水控制和甩負(fù)荷防治抬機控制；SBR2是一級子程序SBR1下嵌套的二級子程序，其功能是初始化給PID回路表賦值；INT0則是一級子程序SBR1下對甩負(fù)荷后向轉(zhuǎn)輪室的進(jìn)氣量進(jìn)行PID控制。
輔給氣閥由不帶電工作的ZT電磁鐵驅(qū)動，故安排Q0.3、Q0.4分別控制開啟、關(guān)閉；主給氣閥是需工作電源的電動調(diào)節(jié)閥，為防止閥關(guān)閉進(jìn)程中未到全關(guān)位置失電，采取關(guān)閥啟動后延時5S再切除電源；為防止不調(diào)相期間向轉(zhuǎn)輪室“亂”給氣，程序中在調(diào)相結(jié)束時切除電極式水位信號器DSX電源；主給氣閥在甩負(fù)荷治抬機時初始化即開啟至全開，以后各掃描周期由PID輸出控制其開度；使用AC0、AC1、AC2、AC3時先清零，讀入采樣數(shù)值后取其1/4再累加得到平均值，是為了防止數(shù)值溢出；SBR1中使用LPS、LRD、LPP是為了減小掃描時間[20]。
６． 調(diào)相壓水與治理抬機合成神經(jīng)元數(shù)理分析
我們把神經(jīng)元U看作一個信息處理單元，神經(jīng)元U可剖解為輸入、處理、輸出三塊區(qū)域[15] 。其輸入如同樹突接受來自其它神經(jīng)元的信號；其輸出好比由軸突送往其它神經(jīng)元的信號。信號可以是連續(xù)或離散量，可以是確定性量、隨機或模糊量。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，我們把與輸入列（輸入端）聯(lián)接的元叫作*層，顯然調(diào)相壓水與治理抬機合成神經(jīng)元在分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)[14]中屬于*層。
①當(dāng)調(diào)相壓水時，轉(zhuǎn)輪室水位b是輸入，而主輔給氣閥開度r1、r2是輸出。
r1＝1（when b≥b2∪b2→b1）＆ 0（when b＝b1∪b1→b2）；
r2≡1/a 。
②當(dāng)甩負(fù)荷治理抬機時，進(jìn)程中轉(zhuǎn)輪室實時壓強即過程變量PV是輸入，甩負(fù)荷發(fā)生瞬間之轉(zhuǎn)輪室壓強作給定值SP，偏差e=SP-PV，PID控制器管理輸出數(shù)值，以便使e為零，PID運算輸出r(t)是時間的函數(shù)，其當(dāng)前活化值不僅與當(dāng)前整合輸入有關(guān)，而且與以前時刻活化態(tài)有關(guān)。
r(t)=Kpe+Ki∫t0edt+Kdde/dt+ rinitial
式中Kp 、Ki 、Kd分別為回路比例、積分、微分系數(shù)；rinitial為回路輸出初始值。
其離散化PID運算模式為：
rn=Kpen+Ki∑el+rinitial+Kd(en－en-1)
式中rn為采樣時刻n的PID運算輸出值；en 、en-1 、el分別為采樣時刻n、n-1、l的PID回路偏差。
比例項是當(dāng)前采樣的函數(shù)，積分項是從*采樣至當(dāng)前采樣的函數(shù)，微分項是當(dāng)前采樣及前一采樣的函數(shù)，CPU處理時儲存前一次偏差及前一次積分項，上式簡化為：
rn=Kpen+（Kien+rX）+ Kd(en－en-1)
式中rX為積分項前值。
即輸出為比例項、積分項、微分項之和，Kp =Kc 、Ki=Kc Ts/Ti 、Ki=Kd Td/Ts。
７． 總結(jié)與展望
上述過程展示了合理繼承傳統(tǒng)又推陳出新的方法，也就是說，我們從傳統(tǒng)和次新技術(shù)中去提取、歸納了*下的活化規(guī)則，只有這樣才能使我們的控制系統(tǒng)性能更優(yōu)地完成任務(wù)，應(yīng)該堅信：“科學(xué)研究方法是人類解決自然界各種實際問題的有力手段”，“善于運用科學(xué)方法是至關(guān)重要的”[21]。誠望這一神經(jīng)元得到水力發(fā)電生產(chǎn)實踐的檢驗。
我國確定的西部大開發(fā)戰(zhàn)略，其中很重要的組成部分就是西部水力發(fā)電大開發(fā)，進(jìn)而“西電東送”。在不久的將來，會有三峽、溪落渡、白鶴灘等一大批巨型水電站熠耀生輝，鑒于分層分布式網(wǎng)絡(luò)較易組織和研究[15]，每一個現(xiàn)代水電站都將建設(shè)基于可編程控制器的分層分布式計算機監(jiān)測控制系統(tǒng)，如三峽-葛洲壩整個監(jiān)控系統(tǒng)分梯級調(diào)度層（連國調(diào)、CN、PN）、電廠控制層（有3個OS、2個IMS、1個GS、1個模擬屏控制站、2個對廠通信網(wǎng)關(guān)、2個與開關(guān)站控制網(wǎng)絡(luò)相連的橋B）和機組控制層（開放式的全冗余分布處理系統(tǒng)，每臺機組控制單元由6個部分組成，F(xiàn)ield Bus連接幾大主要設(shè)備）[14]。在這種分層分布式計算機監(jiān)測控制系統(tǒng)中，設(shè)計如[18]、[19]、[20]及本文等的神經(jīng)元是*的基礎(chǔ)，歡迎更多的人來探索。
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2025第十一屆中國國際機電產(chǎn)品交易會 暨先進(jìn)制造業(yè)博覽會
展會城市：合肥市展會時間：2025-09-20