瀑布溝水電站調(diào)速器齒盤測頻的技術(shù)改造

向文平， 劉 利

(國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川漢源 625304)

1 概述

瀑布溝水電站位于大渡河中游，地處四川省雅安市漢源縣和涼山州甘洛縣交界處。電站裝設(shè)6臺額定容量為600MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量3600MW。水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)由武漢能事達(dá)電氣股份公司供貨，其測頻回路采用殘壓測頻與齒盤測頻兩種方式，兩種方式互為冗余，其中原齒盤測頻與殘壓測頻采用同一測頻模塊，相互干擾大，測量數(shù)值波動大。為提高測量精度，我廠于2012年對齒盤測頻回路進(jìn)行了改造。

2 瀑布溝水電站水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)組頻率測量方法

瀑布溝水電站調(diào)速器機(jī)組頻率測量采用以下兩種方式:殘壓測頻與齒盤測頻。

(1)殘壓測頻信號取自于發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器(PT)信號，電壓采集范圍為0．3～150V，經(jīng)變壓器隔離、濾波后送入殘壓測頻模塊，經(jīng)殘壓測頻模塊轉(zhuǎn)變成一系列脈沖序列組，再將這些脈沖序列組送入PLC，PLC通過計數(shù)和數(shù)字運(yùn)算后得出機(jī)組頻率，其測頻精度高。

殘壓測頻的優(yōu)點(diǎn)是測頻信號取自機(jī)端電壓互感器，其安裝簡單、方便且成本較低，但也存在一些問題，主要體現(xiàn)在三個方面:①信號容易失真。在低轉(zhuǎn)速階段，殘壓信號較弱，信號容易失真，有時甚至采集不到殘壓信號，進(jìn)而無法準(zhǔn)確測量機(jī)組頻率。此外，由于殘壓信號間接反映機(jī)組轉(zhuǎn)速，若機(jī)組發(fā)生失磁失步等現(xiàn)象，也可能導(dǎo)致殘壓測頻數(shù)值不準(zhǔn)確。②測頻信號易受干擾。各裝置接入機(jī)端電壓互感器回路相互交錯，既有到殘壓測頻的回路，也有到勵磁調(diào)節(jié)器、測量表計、保護(hù)裝置的回路，彼此間存在一定的干擾且無法消除。當(dāng)殘壓信號較弱時，干擾尤其嚴(yán)重，進(jìn)而影響殘壓測頻數(shù)值測量的準(zhǔn)確性。③若電壓互感器保險接觸不良或發(fā)生斷線，調(diào)速器測頻裝置將收到一個很大的干擾信號，若干擾信號持續(xù)時間較長、超過濾波時間，調(diào)速器將產(chǎn)生誤判，繼而進(jìn)行開關(guān)導(dǎo)葉動作，將直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于上述原因，為了使機(jī)組能更加可靠、安全的運(yùn)行，在采用殘壓測頻的同時也設(shè)置了齒盤測頻回路，其主要作用是在低轉(zhuǎn)速階段及殘壓測頻發(fā)生故障時發(fā)揮作用。

(2)齒盤測頻主要是將接近開關(guān)與大軸齒盤產(chǎn)生的頻率信號通過一系列濾波計算得出機(jī)組頻率的方法，具體測量方法介紹于后。

3 改造前使用的齒盤測頻方法及存在的問題

3．1 改造前使用的齒盤測頻方法

安裝在水輪發(fā)電機(jī)組大軸上的齒盤與一對電磁式接近開關(guān)共同組成了頻率信號產(chǎn)生單元。當(dāng)機(jī)組大軸轉(zhuǎn)動時帶著齒盤一起旋轉(zhuǎn)，此時，固定在支架上的一對電磁式接近開關(guān)就產(chǎn)生了兩個信號，當(dāng)這兩個信號送入頻率隔離模塊后，通過組合、濾波和計算后得到一組脈沖序列，再將脈沖序列送入PLC的高速計數(shù)模塊，PLC通過計數(shù)和數(shù)字運(yùn)算后得到機(jī)組的齒盤頻率。改造前齒盤測頻工作情況見圖1。

其特點(diǎn)是齒盤測頻信號采用固定的接近開關(guān)和裝置在機(jī)組大軸上的齒盤測量機(jī)組頻率，其頻率信號的電壓幅值穩(wěn)定且為獨(dú)立的系統(tǒng)，不易受現(xiàn)場干擾;特別是在機(jī)組低轉(zhuǎn)速段，頻率信號可靠，測頻精度較殘壓測頻更高。

圖1 改造前齒盤測頻工作示意圖

3．2 改造前齒盤測頻存在的問題

由于原齒盤測頻與殘壓測頻共用一個測頻模塊，相互之間存在干擾，常常出現(xiàn)齒盤測頻測值不準(zhǔn)、波動較大、正常運(yùn)行時出現(xiàn)過波動到49Hz的情況，導(dǎo)致調(diào)速器運(yùn)行過程中報齒盤測頻故障。自機(jī)組投運(yùn)以來，多次出現(xiàn)上述問題，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決這一問題，我廠于2012年啟動了齒盤測頻回路改造工作。

4 改造后的齒盤測頻

4．1 改造后的齒盤測頻硬件回路

改造后的齒盤測頻主要是將齒盤測頻回路完全獨(dú)立出來，不再與殘壓測頻共用一個測頻模塊，不與殘壓測頻回路形成任何電氣聯(lián)系。新的測頻回路加裝了一個齒盤測頻專用的單片機(jī)測頻模塊與PLC開關(guān)量輸入模塊，并將原來的兩個接近開關(guān)取消了一個，改用單探頭測量形式。此時，安裝在水輪機(jī)大軸上的齒盤與電磁式接近開關(guān)組成頻率信號產(chǎn)生單元，頻率信號經(jīng)單片機(jī)測頻模塊、PLC模塊后計算輸出頻率數(shù)值。改造后的齒盤測頻工作情況如圖2所示。

圖2 改造后的齒盤測頻工作示意圖

單片機(jī)測頻模塊內(nèi)有芯片，實(shí)際測頻工作由芯片內(nèi)的程序采集單測速探頭信號完成。經(jīng)過測頻模塊內(nèi)部轉(zhuǎn)換將測值變成雙字節(jié)的二進(jìn)制碼，二進(jìn)制碼分別由16根芯線以開關(guān)量的形式送入PLC新增的開關(guān)量輸入DI模塊，再由PLC重新整合為雙整形數(shù)據(jù)，通過PLC內(nèi)置程序計算出頻率數(shù)值。當(dāng)DI模塊16個點(diǎn)同時點(diǎn)亮表示測頻模塊輸出故障;當(dāng)頻率測值為0時，DI模塊的DI2～DI16全部點(diǎn)亮。

4．2 改造后的齒盤測頻PLC程序

因改造后測頻硬件回路及測頻原理發(fā)生了相應(yīng)改變，故對齒盤測頻相關(guān)PLC程序進(jìn)行了修改。程序如下:

Bool16ToDInt(

BoolStruct:=freq_gear_data_read，

Int:=freq_gear_word，

Status:=freq_gear_status);

注釋:將齒盤測頻模塊換算輸出的16位Bool量整合變換為Dint數(shù)據(jù)，用以計算頻率值。

freq_gear_now:=(

dint_to_real(freq_gear_word)/500．0);

注釋:實(shí)時采集的齒盤頻率計算值。

ifplc_start then

freq_gear_previous:=freq_gear_now;

freq_gear_filter_number:=0;

end_if;

注釋:當(dāng)PLC開始運(yùn)行，將齒盤頻率“實(shí)時計算值”賦給“上一次計算值(中間變量)”，且“齒盤測頻濾波計數(shù)”置0。

freq_gear_filter:=freq_gear_previous-freq_gear_now;

if freq_gear_filter＞0．5then

freq_gear_filter_number:=freq_gear_filter_number+1;

else if freq_gear_filter＜ -0．5then

freq_gear_filter_number:=freq_gear_filter_number-1;

end_if;

注釋:如果“上一次計算值”減去“實(shí)時計算值”的差值大于0．5，則“齒盤測頻濾波計數(shù)”+1;若小于-0．5，則“齒盤測頻濾波計數(shù)”-1。

if(freq_gear_filter＜0．5and freq_gear_filter＞-0．5) or (freq_gear_filter_number＞5)or(freq_gear_filter_number＜-5)then

freq_gear_previous:=freq_gear_now;

freq_gear_filter_number:=0;

freq_gear_self:=freq_gear_now;

end_if;

注釋:如果“上一次計算值”減去“實(shí)時計算值”的差值在-0．5與0．5之間，或者累計“齒盤測頻濾波計數(shù)”大于5次或小于-5次，則將“實(shí)時計算值”賦給“上一次計算值”。同時，“齒盤測頻濾波計數(shù)”清零，將“實(shí)時計算值”賦給“齒盤顯示值”。

4．3 改造后的效果

自2012年10月對齒盤測頻進(jìn)行改造后，至今為止運(yùn)行時間大約為一年，齒盤測頻數(shù)值十分穩(wěn)定，未發(fā)生過測量數(shù)值波動、測值不準(zhǔn)等現(xiàn)象。開機(jī)過程中，齒盤測速精準(zhǔn)，性能良好。

5 結(jié)語

齒盤測頻作為水輪機(jī)測頻的主要方法之一，其可靠性對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。在實(shí)際運(yùn)行中，只有不斷改進(jìn)、完善，才能保持調(diào)速器性能處于最佳狀態(tài)。

［1］ 向家安．PLC微機(jī)調(diào)速器頻率測量方法綜述［J］．水電站機(jī)電技術(shù)，2005，27(4):20-23．．

［2］ 魏守平．現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)節(jié)［M］．北京:華中科技大學(xué)出版社，2009．