水輪發(fā)電機調(diào)速器測頻裝置的設(shè)計

蘇鑫++郭貴彬

摘 要：水輪發(fā)電機調(diào)速器的測頻性能對水電站實現(xiàn)自動控制功能有著重要作用。本文主要針對現(xiàn)階段水輪發(fā)電機調(diào)速器提出的新的性能要求，經(jīng)過對水輪發(fā)電機調(diào)速器深入研究后，對水輪發(fā)電機調(diào)速器測頻裝置從硬件、軟件上進行設(shè)計，并實現(xiàn)其測頻功能，經(jīng)過在實際項目中的應(yīng)用數(shù)據(jù)表明：該測頻裝置穩(wěn)定好，測量精度高，能滿足相關(guān)技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機調(diào)速器；測頻裝置；設(shè)計；應(yīng)用

中圖分類號：TV734.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0184-02

水輪發(fā)電機調(diào)速器對水電機組的安全穩(wěn)定運行與電能的質(zhì)量有著直接影響。隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市對電能的需求量也越來越大，對電能的質(zhì)量要求也越來越高，現(xiàn)階段的測頻裝置多停留在過去的舊技術(shù)上，目前水電行業(yè)內(nèi)使用的轉(zhuǎn)速測量裝置核心控制裝置主要有兩種，可編程邏輯控制器（PLC）和單片機控制。單片機控制測頻響應(yīng)快，可編程邏輯控制器抗干擾能力強，性能穩(wěn)定。為此，基于性能最優(yōu)和可靠性強的原則，本文主要通過對水輪發(fā)電機調(diào)速器的深入研究，從其硬件電路、外圍電路及軟件實現(xiàn)平臺的設(shè)計上，實現(xiàn)水輪發(fā)電機調(diào)速器測頻功能，在國家電網(wǎng)公司水電機組測頻項目上的實際應(yīng)用的相關(guān)數(shù)據(jù)表明：BMX P34系列可編程轉(zhuǎn)速測量裝置能夠保證機組轉(zhuǎn)速輸出可靠性和準確性，提高了水輪發(fā)電機組運行的安全性，該裝置符合國家的相關(guān)技術(shù)要求，其穩(wěn)定性與精度性能也較高。

1 水輪發(fā)電機調(diào)速器概述

一般來說，水輪發(fā)電機調(diào)速器測頻系統(tǒng)回路有兩種測頻方式，即殘壓測頻、齒盤測頻，且該兩種方式互為冗余。電子信息技術(shù)的高速發(fā)展也使得現(xiàn)代水輪機調(diào)速器的架構(gòu)有著較大的變化，一般采用微機調(diào)節(jié)器、電液轉(zhuǎn)換裝置及液壓隨動系統(tǒng)相結(jié)合的方式。目前國內(nèi)普遍采用PLC實現(xiàn)調(diào)速器的微機調(diào)節(jié)器功能。在微機調(diào)節(jié)器系統(tǒng)中，測頻是至關(guān)重要的，也是其主要的技術(shù)難點之一[1]。提高測頻器的穩(wěn)定性與精度對水輪發(fā)電機調(diào)速器性能有著重要影響。

2 測頻原理及實現(xiàn)

2.1 測頻原理

周期測頻法是對測頻信號周期T進行測量后計算得到頻率值。間接測量周期法則為通過已知高頻脈沖信號的周期，對相同周期的測頻信號進行測量，得到高頻脈沖串的數(shù)量，進而計算被測信號周期的方法。

2.2 間接測周期法測頻裝置實現(xiàn)

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，PLC的發(fā)展速度驚人，PLC不再只是能夠?qū)崿F(xiàn)簡單測頻的功能，更復(fù)雜的高速計數(shù)測量功能也能夠?qū)崿F(xiàn)。PLC作為一種調(diào)速控制器，對比市場上的單片機，其可靠性、安全性更高，因此，提出由PLC自身實現(xiàn)測頻功能的想法。其原理為：利用PLC的高速計數(shù)功能對檢測到的脈沖串個數(shù)進行計數(shù)，計算得到信號的計數(shù)頻率[2]。

TSX CTY2C是PREMIUM自動化平臺的高速計數(shù)模塊，其最高的計數(shù)頻率為1MHZ。各通道可實現(xiàn)向上或者向下的計數(shù)功能。硬件原理框圖1所示。被測信號在被隔離后，進入一個比較電路，經(jīng)過該電路后，可得到一個與被測信號相同周期的方波信號，該方波信號經(jīng)過二分頻處理后再與較高頻率的時鐘信號進行“與”計算，因此可得到表征輸入的極端電壓信號脈沖串。該脈沖信號經(jīng)過差分處理后，得到表征極端電壓信號周期的差分脈沖信號。然后將該差分脈沖信號接入至TSX CTY2C的模擬了輸入正負端。軟件上對TSX CTY2C進行是能設(shè)置，執(zhí)行預(yù)設(shè)值后開始高速計數(shù)。采用查詢或中斷的方式，進行計數(shù)確認。

3 水輪發(fā)電機調(diào)速器測頻裝置的設(shè)計優(yōu)化

利用PLC直接測量與被測信號相同周期的方波信號的周期，也就是說該方波信號的兩個上升沿之間的間隔時間，根據(jù)頻率為周期倒數(shù)的關(guān)系即可計算得到頻率值。因此，PLC的外部電路只需對正弦波信號轉(zhuǎn)換成方波信號，測頻裝置的抗干擾能力可得到較大程度的提升。目前市場上有一種PLC能夠?qū)崿F(xiàn)自動獲取沿降之間的相隔時間，實現(xiàn)對信號沿降時間的自動測量，然后再根據(jù)上述的頻率為周期倒數(shù)的關(guān)系即以可測量出被測機組頻率的方波時間，進而可計算得到頻率值大小。PLC強大的功能即可大大的簡化外圍設(shè)計的電路的復(fù)雜度，也不必要求PLC的計數(shù)功能模塊高要求的計數(shù)頻率[3]。

3.1 硬件構(gòu)成

本測頻裝置主要的硬件為施耐德電氣所屬公司的PLC，核心部分為BMX P34系列處理器，主頻采用180兆赫茲的頻率，該處理器功能強大，可執(zhí)行多任務(wù)計算任務(wù)。只執(zhí)行單任務(wù)的處理器，沒有優(yōu)先級之分，只有先后順序，而多任務(wù)處理器則不同，多任務(wù)的應(yīng)用程序在執(zhí)行前需分優(yōu)先級，而執(zhí)行主任務(wù)則無需于此。

在硬件上，BMX P34系列的處理器與BMX EHC0200功能模板是通過總線傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)，軟件上則為利用關(guān)聯(lián)在BMX EHC0200功能模板上的T_USIGNED_CPT_BMX類型IODDT隱式交換對象和所有模塊都具有關(guān)聯(lián)的T_GEN_MOD類型的IODDT顯式交換對象，實現(xiàn)BMX P34系列處理器與BMX EHC0200功能模板之間的數(shù)據(jù)的交互。隱式交換對象在模塊關(guān)聯(lián)的任務(wù)PLC的每個循環(huán)周期中自動進行交換，于此對應(yīng)的，顯式交換對象則是根據(jù)應(yīng)用程序的請求，使用顯式交換指令進行交換[4]。處理器與周期測量模板數(shù)據(jù)交換原理圖2所示：

處理器與周期測量模板之間的數(shù)據(jù)信息交互的原理為：（1）處理器使用T_GEN_MOD類型的IODDT顯式交換對象得到周期測量模板的相關(guān)狀態(tài)參數(shù)。（2）處理器利用T_ GEN_MOD下發(fā)給周期測量模板相關(guān)的控制參數(shù)。（3）處理器利用T_USIGNED_CPT_BMX類型隱式交換對象自動獲得周期測量模板的實時測量數(shù)據(jù)，而不用用戶程序來中斷、查詢等實時獲得實時測量數(shù)據(jù)。測頻器測頻原理如圖3所示。

3.2 軟件設(shè)計

本設(shè)計中采用BMX P34系列處理器的軟件平臺UNIT YPRO，在該平臺中提供了用戶程序的編程語言，以及附帶擴展功能中的各功能模塊。依據(jù)不同系列的處理器硬件平臺，該軟件平臺均可支持多任務(wù)應(yīng)用程序。endprint

針對該裝置的軟件部分，主要是利用BMX EHC0200末班對裝置中測頻信號進行測量，對軟件平臺上各功能模塊的參數(shù)進行配置，主要包括以下內(nèi)容：

（1）周期測量模式參數(shù)配置；（2）濾波輸入、輸出方式配置；（3）分辨率參數(shù)配置；（4）選擇模式配置；（5）事件號參數(shù)配置；（6）超時故障參數(shù)配置。

在完成對該功能模塊各參數(shù)的配置后，利用T_USIGN ED_CPT_BMX實現(xiàn)CPU與BMX EHC0200模塊之間數(shù)據(jù)信息的交換。其具體流程為：首先，對設(shè)備啟動周期測量頻率的功能，然后，同事也授權(quán)SYNC的同步相關(guān)功能。其次，裝置中核心CPU捕捉到BMX EHC0200模塊對信號測量完成的標志，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)設(shè)定判定測量數(shù)值的有效性；最后，讀取測量數(shù)值，修正有關(guān)參數(shù)，為下一步的測量做準備[5]。

3.3 外圍電路

本測頻器硬件電路頻率信號整形電路如圖4所示。從圖4中可看出本測頻裝置的測頻信號處理過程，詳細過程為：測頻信號經(jīng)過隔離變壓器隔離后，進入濾波電路（R5、C1）中進行濾波，濾波后進入限幅電路（R1、R2、R3、R4、D1、D2、C2）進行限幅，限幅后進入運放電路（LM139）進行運放，最后進入比較電路（R6、R7）。在經(jīng)過上述處理后輸出的信號與被測頻率信號周期保持一致。然后將該信號引入BMX EHC0200的模擬量輸入引腳，至此即完成對測頻器裝置系統(tǒng)外圍硬件電路[6]。

4 實際應(yīng)用與優(yōu)化前景

在國家電網(wǎng)公司水電機組的調(diào)頻測試項目中采用本文設(shè)計的水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)器測頻裝置，實際的應(yīng)用中測得機組相關(guān)數(shù)據(jù)為一次調(diào)頻死區(qū)為±0.033Hz，通過對比可知該方法滿足水輪發(fā)電機調(diào)測器頻率測量分辨率相關(guān)要求。根據(jù)國家相關(guān)要求采樣周期應(yīng)不大于0.04-0.08秒的標準，采用該測頻器測量的事件滯后時間小于0.02秒，對比可知該測頻器的測量時間響應(yīng)特性滿足調(diào)速器的相關(guān)使用要求。

5 結(jié)語

水輪發(fā)電機調(diào)速器是水電站機組實現(xiàn)自動控制功能的核心設(shè)備。本文主要利用施耐德電氣公司的PLC作為核心處理器與UNITYPRO作為軟件平臺，設(shè)計測頻裝置軟、硬件部分，實現(xiàn)其測頻功能。經(jīng)過實際工程項目的應(yīng)用，測量裝置測頻準確，動作可靠。相關(guān)實驗測試數(shù)據(jù)表明：該測頻裝置具備較好的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，滿足相關(guān)的技術(shù)要求。

參考文獻

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