現代微機轉速信號裝置設計與功能完善探討

黃業華，潘熙和，孟佐宏，李 華

（1.長江科學院長江控制設備研究所，湖北 武漢 430010；2.湖南省電力公司科學研究院，湖南 長沙 410007；3.陜西電力科學研究院，陜西 西安 710054）

現代微機轉速信號裝置設計與功能完善探討

黃業華1，潘熙和1，孟佐宏2，李 華3

（1.長江科學院長江控制設備研究所，湖北 武漢 430010；2.湖南省電力公司科學研究院，湖南 長沙 410007；3.陜西電力科學研究院，陜西 西安 710054）

分析了發電機組轉速信號裝置的現狀，針對傳統裝置存在的問題和缺陷，研制出一種多功能新型可編程轉速信號裝置；介紹了該裝置的軟硬件設計思想、功能參數與特點以及抗干擾和防誤措施。較常規轉速信號裝置而言，該裝置原理簡單、動作準確、可靠性高、抗干擾能力強、功能完善、特色明顯。

發電機組；轉速信號；測頻；參數設置；高可靠性

1 引言

隨著水電站自動化水平要求的日益提高，轉速信號裝置已成為水電機組自動控制系統中不可缺少的關鍵自動化裝置之一，它直接參與機組工況轉換流程的控制和機組的過速保護。所以，針對發電機的轉速信號裝置設計和功能配置顯得非常重要，它決定著發電機能否安全運行，并及時地對發電機的異常運行狀態做出反應，從而減少不必要的損失。因此，要求該裝置工作靈敏、可靠、準確，在機組調速器調節失靈時能實現機組的末級過速保護，啟動緊急關閉球閥或事故快速閘門，實現停機，以確保主機設備的安全可靠運行；在機組正常運行狀況下，裝置不應誤發動作指令，不致使自動化系統誤動作。

多功能可編程轉速信號裝置就是根據水電機組綜合自動化的需求進行設計與研制的高性能、高可靠性產品，是現代微機轉速信號裝置設計與功能完善的范例。它采用現代測控技術，配以先進可靠的電氣轉速傳感器和機械轉速傳感器，同時測量發電機機端電壓頻率和機械轉速脈沖信號，準確反應水電機組的轉速變化。根據機組不同的轉速值發出不同的命令和信號，實現對發電機組的控制與保護。該裝置具有良好的抗干擾措施，具有原理簡單、可靠性高、動作準確、響應速度快、功能完善和性價比優越等特點。

2 問題的提出

發電機組的轉速信號裝置雖然是一個較小的設備，但卻是一個非常關鍵的設備，它擔負著發電機組順序控制和過速保護的雙重任務。所以，用于發電機組的轉速信號裝置必須滿足下列要求∶①在各種工況下，必須能夠采集到可靠的轉速信號；②必須具有很強的抗干擾能力；③必須具備很高的可靠性和穩定性。目前盡管有不少生產廠家在研究開發此類設備，但所生產的設備在可靠性和穩定性方面還存在一定問題，尤其是對機組在低轉速情況下的測量，還未能得到合理的解決。轉速信號裝置的過速保護出口直接作用于事故停機執行機構，如果該出口發生誤動，則直接造成機組緊急停機；如果該出口拒動，則機組過速保護失效，有可能會造成飛車的特大事故。因此，該裝置雖然原理簡單，但對其可靠性要求非常高。

目前，使用最多的轉速信號裝置主要有兩種∶一種由集成電路組成（集成電路型），另一種由單片機組成（單片微機型）。由于單片機工作電壓為5V，其抗干擾能力差，由單片機構成的設備用于發電廠時，發生故障的次數比較多。單片微機型轉速信號裝置的硬件一般為自行設計制造，且各廠家均為小批量生產，故元件檢測、篩選、老化處理、焊接及生產工藝等都受到限制，造成可靠性較低，運行中可能出現單片機死機，從而使轉速信號裝置的可靠性大大降低，難以滿足大型水電機組運行保護的要求。集成電路型轉速信號裝置有它自身無法克服的缺點∶間隔周期計數致使信號反映時間延長，測量精度不高，準確度降低；采用集成D/A轉換器，導致輸出隔離電路復雜化；整定困難(設定值的準確整定只有在現場進行)，且動作值范圍小(一般為35%～140%)；易漂移，動作不夠準確，可靠性低；功能單一，且無法完成與上位機的智能通訊任務。集成電路型轉速信號裝置雖然抗干擾能力較強，但分立元件較多，影響裝置整體的可靠性。

近期也有很多PLC或PCC的轉速信號裝置投入商業運行，據了解，它們可能在測頻環節的可靠性方面處理得比較好，但在測頻的精度和實時性關系、信號源、工作電源和測速方式的冗余、功能的完善等問題上處理得不夠全面。

總結目前最終用戶（如電廠）和試驗研究單位（如電科院）等的反應，目前轉速信號裝置存在的主要問題有∶

（1）誤發信號問題

有的轉速信號裝置重新上電后，初始化處理不好，繼電器出現誤動；在系統報警后，運行人員操作復歸信號，也會引起繼電器輸出誤動；信號跳變防干擾措施差，正常運行中出現誤動，引起機組停機。

（2）實時性問題

對于轉速信號裝置測頻問題，如果實時性很好，會出現因偶爾頻率干擾造成誤動的現象；如果濾波過多，會出現延時動作的現象。這是一個反映實時性可控的問題。如某裝置在現場校核時，出現2～4s的延時，這是不恰當的，頻率測量濾波一般不能超過100ms時間。

（3）多通道備用問題

由于轉速信號裝置為不經常維修產品，該設備故障時，電廠基本上不能處理，由于沒有冗余通道備用，導致該保護設備退出運行。因此設計該產品時，應該考慮多通道冗余設計。

（4）對于115%轉速輸出問題

對于115%轉速信號，涉及到水輪機的一級過速保護，非常重要。由于某些機組（如貫流機組）的特殊性，在甩負荷過程中，機組在115%轉速下降沿時，正常調節會出現導葉打開或主配壓閥回中現象，如果不做相應處理，會出現該接點保護錯誤的問題。

（5）目前市場上多數轉速信號裝置的輸出接點容量和數量有限，需要外部擴展中間繼電器；所裝設的轉速（頻率）顯示尺寸也較小，不便于觀察。

（6）一般的轉速信號裝置不具備機組的蠕動檢測與報警輸出功能。

（7）現場各種原因造成轉速信號裝置動作錯亂，由于現場沒有校驗裝置，不能及時進行修正，影響了轉速信號裝置的正常運行。

基于以上多方面的問題，結合筆者多年從事電站自動化工作的經驗，以及在頻率測量精度與實時性、可靠性與抗干擾設計等方面研究的切身體會，在長控所原PLC轉速信號裝置的基礎上，采納多家電力試驗單位的良好建議，我們開發了多功能可編程轉速信號裝置。

3 硬件設計

本裝置在總體設計及硬件設計上均充分考慮了可靠性的要求，并在輸出接點數、模擬量輸出、通信等方面進行了詳盡考慮。由于該裝置對可靠性要求極高，因而硬件電路的抗干擾措施尤為重要，必須精心設計。

（1）可靠性極高的硬件設計

本裝置工作電源由DC 220V和AC 220V同時提供，轉速信號由機組電壓互感器和齒盤傳感器兩類信號同時輸入，采用進口高性能可編程控制器、觸摸顯示屏、工業大功率開關電源、高可靠性轉速傳感器和高可靠性驅動器件五部分組成，器件少、質量好，設備整體硬件可靠性很高。

（2）抗干擾能力強的硬件設計

本裝置在原理設計、元器件選用、結構等方面充分考慮了抗干擾問題，轉速控制出口及供儀表和其余裝置的輸出信號與邏輯回路完全隔離，即使外部發生故障，邏輯回路仍能正確運行，轉速控制出口不會發生誤動。

（3）多功能可編程轉速信號裝置系統方框圖

圖1 多功能可編程轉速信號裝置系統方框圖

（4）機組PT測頻信號調理回路設計

信號調理的準確與否直接決定了整個裝置的工作性能，鑒于水電廠的現場運行狀況，在設計信號調理電路時應著重考慮以下幾個方面的因素∶

1）濾除現場的干擾信號，提高信號的信噪比。

當發電機轉速很低時，殘壓很小，要準確地反映轉速，測量裝置必需有很高的靈敏度，但是，這樣的輸入回路又容易受干擾。為解決這一矛盾，我們在測量回路中加入1∶1的隔離變壓器。

2）合理設計濾波和整形電路，并進行光電隔離，減少有用信號的衰減和波形的畸變。

圖2 機組PT測頻信號調理回路

該裝置機組PT測頻信號調理回路設計了兩路通道，來自機組電壓互感器的信號是正弦波，首先經過信號隔離變壓器，然后進行濾波處理，濾波處理在電路中作用十分重要，濾波效果直接影響到所測機組頻率的準確性。經過濾波的信號再通過整形電路和光電隔離電路處理后送往PLC的中斷I/O口進行分析計算。

（5）該裝置齒盤測速也設計了兩路通道，采用齒盤測速時，感應信號常為方波，幅值為一恒定值（一般取24V）。測速裝置是以齒盤探頭感應到的頻率來測量發電機轉速的，所以低轉速可以準確地測量，即使是機組的蠕動也能捕捉到。

（6）該裝置可采集開機、停機和油開關三個開關量狀態，協助裝置根據機組工況，判斷轉速測量的正確性與出口繼電器動作的正確性等。

（7）PLC選擇

目前市場上具有本體測頻的PLC很多，我們選擇臺灣豐煒VB系列PLC模塊VB1-24MT-D（帶VB-2DA時能提供兩路頻率4～20mA電流信號輸出）作為控制器，主要是基于兩方面的考慮∶一是它具有四路自動加載脈沖周期的測量功能（PLC自帶可用于測頻的內部時鐘達到2M），測量通道豐富且測量精度高；二是品牌過硬、性價比高。

（8）人機界面

根據實際情況，該裝置選用4.3寸觸摸顯示屏，便于修改參數及進行相應的畫面顯示。能夠在畫面上設定四個測頻通道的投入及主用和備用關系；轉速、頻率及轉速百分比可以自由切換及顯示；自動記錄每個繼電器輸出點及相應的動作時間，自動記錄頻率每次上升的最大值及動作的時間，所有記錄值向前遞推并能夠自動保留100條。

（9）大功率開關電源

本裝置采用臺灣明緯功率大而體積小的交、直流開關電源，可直接由電廠直流220V電源和交流220V電源同時供電。

4 軟件設計

（1）非常好地解決了PLC本體測頻的瓶頸

我們采用PLC自帶的內部時鐘，利用其高速的智能處理功能，即自動加載脈沖周期的測量功能（采用PLC內部2M時鐘進行脈沖寬度測量），測頻精度達到0.00125Hz。這樣，機組PT測量前置回路處理簡單，僅需要將機組PT測量信號經隔離、濾波、放大、整形后的方波中斷信號送至PLC高速輸入口，稍作軟件上的通道設置，通過調用測頻功能塊和運行測頻程序，就可以獲得不同通道頻率的數值。同樣，對于測頻探頭信號，由于其本身就為24V的方波信號，無需進行隔離或放大，直接將其送入PLC高速輸入口即可。

該PLC自帶四路高速輸入口，剛好滿足我們轉速信號裝置四路測頻的要求。

（2）在程序設計中針對現場干擾的因素做了一些處理。

比如，機組的頻率是慣性變化的，不可能產生大的突變，因此在程序計算過程中如果計算值產生了突變，就認為這個值是個干擾值，將它舍去，同時將上一時刻的頻率值作為這一次的計算值輸出。

（3）優化軟件功能處理測頻值

對于同一測頻中斷信號，采用測脈沖周期（測頻精度高、實時性強）和測脈沖個數（不易突跳）兩種方式同時測頻，兩種測頻模式互相比較，互為冗余。

由于裝置同時提供四路測頻通道（兩路機組PT，兩路齒盤），測頻通道的有效輸出可以由顯示屏自由選取，每路測頻通道互為比較和冗余。由于齒盤測頻可采用雙探頭方法測量，確保了齒盤測頻值的穩定性和可靠性。

（4）保護出口原理

如果裝置選擇測速方式為電氣測速，則實際轉速的百分比用PT采集的轉速百分比參與出口判斷；如果裝置測速方式為機械測速，則實際轉速的百分比用齒盤測速的轉速百分比參與出口判斷；如果測速方式選擇兩者結合，則在電氣測速和機械測速的差小于0.5Hz時，選擇電氣測速百分比參與出口判斷，如果兩者的差較大則閉鎖出口直至二者差小于0.5Hz時解除閉鎖。如果雙回路時有某一回路斷線或者沒有接入，則裝置自動選擇另一個回路進行出口判斷。

（5）115%轉速輸出處理

由于某些機組特殊性，機組甩負荷至115%轉速時，正常調節會出現導葉打開或主配壓閥回中的現象，因此，我們在此處考慮加入頻率的微分處理，以判斷機組動作的方向，當轉速在下降時閉鎖115%轉速信號輸出（此功能在人機界面可以人為投入或退出，以適應某些特殊機組）。

（6）低轉速及蠕動測量功能處理

當PLC測得的機組齒盤頻率信號范圍在5.0～0.02Hz時，根據該頻率信號的微分特征及低轉速持續的時間（該時間根據機組特征可現場設置），發低轉速報警信號。當進行蠕動檢測時，在機組停機完成后，根據機組爬行1.5°～2°即為蠕動的理論，只要齒盤齒數達到90個齒（對應360°/（90×2）=2°）以上，就能滿足國標對蠕動監測的要求。從實際使用來說，現場很難滿足齒數足夠多的要求，所以，我們往往通過在機組大軸上刷均勻黑白的色帶，通過測量感應色帶的脈沖來實現，當測量到一個脈沖的上升沿和一個脈沖的下降沿時，可以認為機組出現蠕動，并發報警信號。

5 抗干擾和防誤措施

電站的工作環境一般比較惡劣，現場干擾因素很多，如電機運轉噪聲，大型設備的強電磁干擾，溫度、濕度的變化等都有可能造成對計算機系統工作的影響，為保證計算機系統連續可靠地工作，在進行裝置設計時采取了一些抗干擾措施∶

（1）電源凈化

由于電源干擾可能造成復位不正確，進而造成程序失控；同時，電源的干擾還可能通過其他途徑對微處理機的工作造成影響，故電源凈化是抗干擾的一個重要措施。本裝置采用對電源進行濾波等凈化方法。

（2）上電復位電路設計

由于工業現場的智能儀表大都要求上電后自動進入工作態，因此本裝置也采用了上電自動復位電路（PLC內部實現）。

（3）光電隔離

轉速信號裝置的輸入通道、輸出通道以及通訊通道與計算機系統之間均進行了光電隔離（PLC內部實現），它可以使計算機系統與外界完全沒有電的聯系，從而大大提高了裝置的抗干擾性能。

由于該裝置一般安裝在發電機旁的自動控制屏或調速器柜中，周圍干擾源相當多，因此，除采用一般的接地和屏蔽等抗干擾技術外，還采取了以下獨到的軟件防誤措施∶

（1）數據分析

對數據的合理性進行分析，決定取舍。由于發電機的轉速不可能突變，因此如果兩次(即幾毫秒內)采樣值之差大于5%，則將其視為非法數據。如果采樣值大于過速保護整定值，則先判斷該數據是否小于200%，結果為非，則為干擾所致，數據無效；結果為是，則連續采樣5次，若5次均大于動作值，則數據有效，否則無效。實踐表明，采用這種措施可以使裝置動作的正確率達到100%。

（2）控制信號循環輸出

無論輸入值是否變化，程序每循環一次，均對8路輸出置位，這樣，一旦鎖存器或寄存器受干擾而改變控制對象的狀態時，程序可以立即糾正。由于繼電器節點閉合時間一般大于10ms，因此，該方法可以大大降低誤動的可能性。

當然，作為要求非常高的工業產品，裝置的元器件選用軍品或工業品，而且是經過嚴格的老化篩選后才使用，這也是保證可靠性和抗干擾能力的一項有力措施。

6 結語

新型可編程轉速信號裝置采用兩路機組PT信號和兩路齒盤脈沖信號兩類四路輸入作為測速信號源。通過PLC內部時鐘和內部高速計數器直接測量脈沖寬度計算頻率，硬件簡單、可靠性高。任何一路頻率（轉速）信號故障均不會影響裝置的正確動作。該裝置除具備常規功能外，還能進行機組的蠕動檢測與報警輸出，配合頻率發送儀模塊，還可進行功能和結果校驗。

該裝置歷經數次干擾沖擊、工況變化實驗，均能滿足機組的測速要求。全數字化的設計，基本不需要校驗和整定，給使用和維護人員帶來極大的方便，自動記憶記錄轉速最大值，還為機組的過速試驗和事故分析提供了依據。此外，它還可以作為機旁的周波表使用。由于該裝置運行穩定，動作準確，因而可以有效地提高發電機組自身的運行安全，隨著發電機單機容量的不斷增大及電廠無人值班化的需要，其作用將更為顯著。

該裝置軟件上利用成熟的保護算法并結合應用了現代日趨成熟的先進微機技術和信息技術，在實際應用中被越來越多用戶青睞，因此具有廣闊的應用前景。

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TP277

B

1672-5387（2014）02-0013-05

2013-10-21

黃業華（1976-），男，高級工程師，從事電站控制設備的研究。