抽水蓄能机组调速器测频的研究

第３５卷第４期　２０１２年８月　水电站机电技术　Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．４　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ａｕｇ．２０１２　３３　抽水蓄能机组调速器测频的研究　朱佳，刘轩宇　（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江天台３１７２００）　摘要：分析了水轮机调速器测频环节的各个方面，包括测频原理、测频方法、测频信号来源、测频冗余等；最后介绍　了桐柏抽水蓄能电站调速器有关测频方面的硬件、软件配置与设计，希望能对调速器测频的研发、设计等提供一定　的参考意见。　关键词：齿盘测频；残压测频；测频冗余　中图分类号：ＴＫ７３０．４　１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—５３８７（２０１２）０４—００３３—０３　０引言　水轮机调速器的测频环节对于水轮机调节系统而言非　常关键，其测频精度、实时性、可靠性直接影响调速器的调节　被测频率信号ｆ　周期为Ｔ　性能和长期使用的稳定性。水轮机调速器的测速信号按来源　分大致有三种典型的型式：一是输入信号取自永磁发电机的　Ｌｃ测频；二是输人信号取自发电机机端Ｐｒｒ的残压测频；三　是输入信号取自测速齿盘与探头的齿盘测频。其中信号取自　永磁机的型式，如果永磁机与发电机轴的同心度不符合要　ｆｌ经电气隔离和整形　得到ｆ２，周期还是为　求，会使永磁机电压、频率周期性变化，从而引起调速器的主　配抽动，并且目前永磁机几乎都不再使用了，因此一般都采　用残压测频和齿盘测频。　ｆ２再经过分频得到　ｆ３，周期变为Ｎ・Ｔ　图２测频原理波形图　１测频原理　１．１测周法　电气隔离、整形（将正弦波转换成同频率的方波）得到周期同　样为Ｔ的信号ｆ２；再经过二分频（也有采用四分频、八分频或　不分频的）得到周期为Ｎ・Ｔ的信号ｆ３。　ｆ１的周期Ｔ为一个信号周期，一个测量周期等于Ｎ个信　号周期Ｎ・Ｔ，高速时钟信号周期为　，通过高速时钟信号对　（１）　一测量频率一般采用测量周期法，被测机组的频率ｆ与周　期Ｔ有如下关系：　１　ｆ＿　ｌ　个测量周期进行计数，得到计数值Ｎ　，则有：　Ｎ・Ｔ＝Ｎｏ－Ｔｏ　（２）　如果通过一定方法能准确而迅速地测量出被测信号的　周期，那么就可以得到频率了。　１＿２测周法基本原理　逋时钟佑　｝＝　＝　。　１．３测频计算及分辨率　（３）　假设高速时钟信号频率为　＝４　ＭＨｚ，则周期　＝２．５×１０　ｓ，以测量５ＯＨｚ的频率信号为例，则一个信号周期为０．０２　ｓ，取　Ｎ＝Ｉ，那么一个测量周期也是０．０２　ｓ，从而计数值Ｎｃ＝　＝ＰＬＣ　８０　０００。也就是说在一个测量周期０．０２　ｓ内共有　８０　０００个高速时钟信号，所以分辨率为５０　Ｈｚ／８０　０００＝６．２５×　１０４Ｈｚ。　图１测频原理框图　．　收稿日期：２０１２—０５—２８　图１中ｆｌ为被测的周期为Ｔ的频率信号（可以是机端　Ｐ，ｒ输出的机频，也可以是电网侧ＰＩ’输出的网频），然后通过　作者简介：朱维护工作。　佳（１９８２一），男，工程师，从事水电厂二次设备检修　水电站机电技术　第３５卷　从上述计算分辨率的过程中可以看出，实际上分辨率就　ｒ　ｆ．ｒｒ　是　＝　，通过延长测量周期，即Ｎ取２、３、４等可以提高　分辨率，但是测量周期延长会导致测频的实时性下降，从而　使调速器的动态性能得不到保证。　２对调速器测频的要求　对采用Ｐｒｒ作为调速器测频信号来源的残压测频，有以　下要求：　正常测量有效值电压范围：０．３～１６０　Ｖ；　可测出频率范围：１５～９０　Ｈｚ。　对采用测速头信号的齿盘测频，则有以下要求：　正常测量测速头脉冲峰值：４．５～２４　Ｖ；　可测出频率范围：５～９０　Ｈｚ；　测量精度：≤０．００５　Ｈｚ；　频率响应周期：４０～８０　ｍｓ。　３调速器实现测频的方法　调速器实现测频的方法与调速器所采用的硬件平台有　关，目前调速器比较主流的平台有可编程控制器（ＰＬＣ）、可　编程计算机控制器（ＰＣＣ）、工作ＰＣ机和工控机等。对于采　用ＰＬＣ和ＰＣＣ的调速器，比较理想的硬件测频方法是采用　控制器本体测频；而工业Ｐｃ机和工控机则一般无法用本体　测频。　对于ＰＬＣ测频，如果具有高速计数器，那么就可以兼顾　测频的实时性和精确度，但是成本相对就比较高了；而中低　档ＰＬＣ，计数器频率不够高，因而可以根据调速器静态和动　态指标考核要求，对ＰＩＤ调节的动态项（比例、微分项）用动　态测频值计算，保证调节的速动性（相对牺牲了精确度），对　ＰＩＤ调节的静态项（积分项）用静态测频值计算，保证调节的　准确性（相对牺牲了实时性）。　ＰＣＣ测频装置一般的系统结构如图３所示。机组频率、　电网频率经过整形，转换为同频率的方波信号，经ＤＩ模块送　人时间处理单元ＴＰＵ，利用ＴＰｕ的高速计数时钟测量输人脉　冲的频率。，Ｉ’Ｐｕ读取输入方波信号相邻两个上升沿之间的计　数值Ｎ，ｒＩ１Ｐｕ计数时钟频率为Ｃ，则被测频率为　ｆ＿　Ｎ　（４）　图３　ＰＣＣ测频装置一般的系统结构　４调速器测频的冗余　基于测频的重要性，为了提高可靠性，机频的测量通常　要进行一定的冗余。调速器测频的冗余有测频通道的冗余　（比如采用两路Ｆｒｒ测频或两路齿盘测频）、测频方式的冗余　（ＰＴ测频与齿盘测频都用上）、测频方法的冗余（比如通过不　同的硬件来实现两路齿盘测频）。根据对测频环节的要求，调　速器可以采用其中的某一种冗余，也可以同时采用多种冗余。　一般情况下，齿盘测频具有零转速（蠕动）检测功能，且　不受发电机残压的影响，可靠性高，但是在机组建压后，测频　稳定性方面就不如残压测频了，不适合用于调速器程序中精　确的转速控制计算。而残压测频则相反，低转速的时候不够　精确，在机组建压后，残压测频精度高，实时性、稳定性都强　于齿盘测频。　根据残压测频与齿盘测频的优缺点，一般在低转速的时　候采用齿盘测频信号，因为此时机组一般还没有进入转速调　节模式，对转速采集稳定性要求不高；而在转速接近１００％　后，采用残压测频信号，这时残压测频的精确度和稳定性能　满足转速控制计算的要求。另外，即使机组进入了发电或抽　水的稳定工况，齿盘测频也可以作为残压测频的后备冗余，　一旦两者相差过大，就有可能发生了机组与电网失步的情　况，应该迅速切换到齿盘测频，并发残压测频故障的信号。　５调速器测频应用实例　桐柏抽水蓄能电站调速器采用的是奥地利维奥公司的　数字式水轮机调速器ＴＣ１７０３系列产品，为可编程控制器　（ＰＬＣ）平台，根据测频信号来源的不同既有残压测频也有齿　盘测频；根据对测频要求的不同，硬件上也进行了冗余；并且　在软件中通过一定的算法对测频值进行选择，确保了调速器　计算中用到的测频信号的精确度、稳定性和可靠性。　５．１硬件配置　主要硬件配置如图４，图中只画出了和测频相关的部分。　图４主要硬件配置图　其中ＴＥ一６４２０是４通道脉冲计数器，频率测量模块，具　有如下特性：　（１）４点脉冲量输入，硬件滤波及数字干扰抑制；　第４期　朱佳，等：抽水蓄能机组调速器测频的研究　３５　（２）输入信号光电隔离；　ＴＭ１７０３ＭＩＣ系列是一个小型的控制系统，还是通过　（３）频率测量范围１．２—１２　ｋＨｚ；　ＴＥ一６４２０模块进行测频，不过只用了４个通道中的１个，　（４）具有开路检测功能，若输人至该模块的信号断线，该　输入测速头５的齿盘测频信号，因而用在对转速精确度　模块能自动检测，并向ＣＰＵ送出故障信号；　要求不高的控制回路中。ＤＯ一６２００是开关量输出模块，　（５）脉冲发生器频率２０　ＭＨｚ。　送出机组蠕动、转速大于９０％、转速大于９８％、转速大于　ＴＥ一６４２０检测输入信号的周期，将输入信号周期内的脉　１１０％、转速小于１％、转速小于９０％等信号，用于高压注　冲个数通过ＴＭ总线送至ＣＰＵ，由ＣＰＵ通过程序运算得出频　油泵控制回路、机械刹车控制回路、蠕动检测等。在一些　率值。ＴＭ总线０和总线１上的ＴＥ一６４２０模块输入分别如图　比较重要的控制回路中，还加入了调速器ＤＯ（开关量输　５、图６所示。　出）模块送出的转速信号作为冗余，防止误动（如高转速　…　…　加闸等）。ＡＯ一６３８０模块送出本机转速的模拟量到其它　—．……～……一｜　、，、Ｉ、　ｉ　　ｊ／一｛二　　机组，用于机组间相互拖动启动的时候判断两台机组是　否同步。　、　Ⅻ『　ｉ—７｝…竺～　｛～／ｌ　错　积髅博悟　５．２软件设计　　ｊｌ／几　ｊ／　　ｌｆ蟠躔∞　通过硬件上的冗余，调速器程序中有了５个可用的机组　…一……ｊ　频率。根据程序中的实际情况，ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４作为４个测速头　测出的频率，ｎ５作为残压测频得到的频率。然后对４个测速　头频率进行选择。　选择测速头测频的逻辑是，当４个测速头都没有故　图５　ＴＭ总线０上的ＴＥ一６４２０硬件原理图　障或者只有１个有故障时，选择第二大的值作为测速头　转速值；当有２个或２个以上测速头故障时，取最大值　测速头３　通道１　ＴＭ总线１　频率测量模块　作为测速头转速值，这个值将作为测速头测频值　ＴＥ＿６４２０　辑序运行　测速头４　通道２　ｎ．＿ｓｐｅｅ　ｉｃｋｕｐ。　（ＴＭ总线１）　接着对得出的测速头转速值ｎ＿ｓｐｅｅ　ｉｃｋｕｐ与残压测频　图６　ＴＭ总线１上的ＴＥ一６４２０硬件原理图　得出的转速值ｎ５进行选择。选择逻辑为：如果两个测频值之　图４中的ＳＩ１０１０Ｌ称为信号隔离器，实现信号隔离、变换　差小于１．２％即０．６　Ｈｚ，并持续至少５　ｓ，就采用残压测频值，　功能。它将来自机端电压互感器的正弦波信号与调速器电气　否则用测速头测频值。　柜电气隔离，再变换成同频率的方波信号，直接送至频率测　可见调速器程序中使用的频率值，并不是固定用哪个测　量模块ＴＥ一６４２０。　速头或者是残压测频，而是动态变化的，哪个数值符合上述　从而调速器程序中就有５个可用的机组频率，４个来自　条件就用哪个。　测速头的齿盘测频频率、１个来自机端Ｐｒｒ的残压测频频率。　６结语　除了上面提到的两个ＴＥ一６４２０模块的测频，另外还配置　了一套奥地利维奥的ＴＭ１７０３ＭＩＣ系列产品，专门用于转速　从理论上对调速器测频的各个环节进行了详细的分析，　测量，结构如图７所示。　并通过具体的应用实例进行了说明。在调速器测频装置的日　常运行和维护过程中，对相关故障的分析和判别上，提供了　一定的参考和帮助。希望对调速器测频原理的分析以及对国　外大型抽水蓄能机组调速器测频环节的介绍能够为同行及　国内调速器厂家在调速器测频的研发、设计等方面，提供一　定的借鉴。　图７　ＭＩＣ测频原理图