基于貝加萊PCC 的調速器頻率信號處理研究

李高朋，郭 琛，喻小琴，董 剛

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

1 引言

機組頻率信號通過測速裝置送至調速器，調速器調節導葉開度對機組轉速進行調節，同時機組轉速通過轉速裝置送至勵磁系統、機組同期并網裝置、高壓油系統、機組制動系統、機組過速保護裝置等，因此發電機組對頻率信號的準確性、穩定性和實時性要求較高[1]。然而，工業環境的復雜性使得部分信號存在一定的干擾，更可能出現信號突然中斷等情況，為保證機組采用的信號更加接近真實值，使得設備更加安全穩定地運行，就必須對這些信號進行處理，及時判斷信號故障，并作出合理的應急處理。

針對某巨型水電站調速器運行環境的特點，除硬件濾波整形外，還通過貝加萊PCC 處理器對頻率信號進行了軟件濾波處理，即不斷地檢測本周期采樣與上周期采樣的差值是否越過設置的容忍范圍，同時也會對頻率采樣進行故障判斷。本文即通過分析貝加萊PCC 頻率測量和選擇等程序，并結合調速器實際測頻方法，對頻率信號的處理方式進行了研究。

2 機組頻率測量方式

處理機組頻率信號，首先需對機組頻率信號進行測量。測量頻率一般采用測量周期法（測周法）或測量頻率法（測頻法），對于額定頻率為50 Hz 的水輪發電機來說，應當選擇測周法[2，3]。按頻率信號的采集方式，轉速測量方法分為直接測量和間接測量。直接測量一般有離心式、測速發電機式、齒盤式等，間接測量主要應用PT 殘壓測頻法。

該巨型電站調速器同時采用了齒盤信號和PT殘壓信號兩種測頻方式對機組的頻率進行測量，兩者冗余輸入，保證了機組頻率的真實性和可靠性。

2.1 PT 殘壓測頻

機組殘壓信號取自發電機機端電壓互感器PT，信號幅值一般需超過0.2 V，它是目前普遍采用的方法，具有低成本和高精度的優點，但是殘壓測頻是一種機組頻率的間接測量方式，且易受到高次諧波的干擾，故其可靠性不高[4]。

PT 殘壓測頻實現步驟為：輸入的PT 殘壓信號（正弦波），經過小型隔離變壓器進行隔離和濾波處理，去掉低頻干擾信號，然后將處理后的正弦波信號通過整形電路，整形為數字電路可以識別的方波信號，再取方波信號的上升沿或者下降沿作為邊界，構成測頻計數的窗口。通過選用控制器內部內置的與硬時鐘相關聯的計數頻率作為測量基準頻率，然后用測量基準頻率對測頻計數窗口進行計數。最后將窗口計數值換算成目標方波的周期，再將周期換算成目標方波的頻率。

2.2 齒盤測頻

齒盤測頻由安裝在大軸上的齒盤與電磁式接近開關組成，它是一種直接測量機組轉速的方式，其可靠性和可信度明顯優于殘壓測頻，然而其測量精度受齒盤的加工精度、機組擺動和齒距的不均勻性等機械因素的影響較大，難以達到調速器對頻率測量的精度要求[5]。齒盤測頻可分為單探頭和雙探頭，目前該巨型電站調速器均采用單探頭測頻，機組磁極對數都是40，齒盤齒數均為80，齒數選擇是發電機磁極對數的兩倍，既能保證安裝精度的控制，又能方便測量信號的處理（只需對測量頻率做一個倍頻的處理即可），可靠且易實現

當機組大軸轉動時帶動齒盤同軸旋轉，固定在支架上的測速探頭就產生一個個階躍信號，該信號的幅值與機組的轉速無關，頻率與機組轉速成正比。若測量頻率為f1，齒盤齒數為n，發電機磁極對數p，則機組轉速r和機組頻率為f可由下列計算式得到：

從測頻響應的角度來看，齒盤齒數越多，測頻響應越快；從測頻精度來看，齒盤齒數越少，加工誤差越容易控制，且能減小大軸擺動等因素對測量的干擾，測頻精度會越高。

3 貝加萊PCC 頻率處理

3.1 測頻原理

該巨型電站調速系統通過使用貝加萊PCC 中的X20DS1319 高速計數模塊對不同頻率信號進行了計算測量、濾波處理和優先級選擇等。B&R X20DS1319 利用邊緣檢測（Edge detection）功能及上升沿或下降沿的檢測功能可以檢測輸入信號的上升沿或者下降沿出現時的時標（時間計數值）以及邊緣信號之間的時間差，從而進行頻率測量和相位差測量。

X20DS1319 模塊能夠將時間軸切割為均勻的時間片段，然后去計算時間軸上兩個時間點之間這些均勻的時間片段的個數，實現計時功能從而實現測量信號周期和頻率。其中一個均勻的時間片段叫一個Tick，X20DS1319 的一個Tick 可以設置為1 μs 或者1/8 μs（程序中殘壓頻率和電網頻率程序設置Tick 時間為1/8 μs，2 個齒盤測頻設置Tick 時間為1 μs。）。在時間軸上，記錄master time 與slave time 2 個時間點的Tick 數量，取2 個時間點的差值Difference，即在2 個上升沿之間的Tick 的個數。

待測波形的周期T=Difference×Tick。

待測波形頻率F=1/T=1/（difference×Tick）。

圖1 X20DS1319 測頻原理圖

3.2 頻率測量

貝加萊AB 套調速器均有2 個X20DS1319 模塊，第一個DS 模塊輸入殘壓頻率和電網頻率的上升沿和Difference 數值，另一個DS 模塊輸入2 個齒盤測頻的上升沿和Difference 數值。freqcency 程序由4個功能塊組成，2 個功能塊一組分別對應2 個X20 DS1319 模塊，圖2 所示為齒盤測頻1 功能塊。

圖2 齒盤測頻1 功能塊

功能塊通過程序計算將輸入的齒盤上升沿和檢測次數即Difference 數值輸出為sensor_gear_one 的結構體變量：b_validity（是否有效）、b_alarm（是否故障）、di_value（頻率值）、b_line_break（頻率波形是否連續不間斷）、b_hop_hop（頻率值是否跳變）。通過分析測頻程序知其具體步驟為：通過2 個上升沿之間EdgeDelect_Time 即Tick 個數和設置的Tick 時長從而計算出頻率值；然后依據freq_DI 上升沿計數確認頻率是否連續；接著在連續不間斷的基礎上再通過2 次頻率值之差值大小確認是否有跳變；最終依據是否連續及是否有跳變進行故障判斷。

3.3 頻率選擇

3.3.1 濾波處理

頻率選擇之前對4 種freqcency 程序的輸出頻率值di_value 再次進行了濾波處理，使其更加準確穩定，功能塊中表決數均輸入為n=10。過程為將最近10 次的freqcency 程序輸出頻率值di_value 形成堆棧，最終前9 次頻率值與最新輸出頻率值重新組成a[1..40]的數組，然后去除數組前10 個元素中最大與最小的頻率值，再求取剩余8 個頻率值的平均值，從而達到濾波的作用。

3.3.2 頻率選擇

頻率選擇首先是對齒盤頻率的齒盤1 和齒盤2進行優先級選擇，然后通過判斷機組運行狀態對殘壓頻率和齒盤頻率進行優先級選擇。

齒盤1 頻率和齒盤2 頻率選擇流程圖如圖3。

由圖3 可知齒盤1 和齒盤優先級順序為：當齒盤1 配置正常且齒盤1 輸出無故障時，齒盤頻率優先選擇齒盤1 頻率且齒盤頻率可用；當齒盤2 配置正常且齒盤2 輸出無故障時，齒盤頻率備用選擇齒盤2 頻率且齒盤頻率可用；當兩者都不可用時，齒盤頻率輸出0。

殘壓頻率與齒盤頻率選擇流程圖如圖4。

由圖4 可知，機組在空載或負載態時，優先選擇殘壓頻率輸出，齒盤頻率備用，均不可用輸出為50 Hz 并報頻率故障；機組在開機過程或停機過程時則相反，優先選擇齒盤頻率輸出，殘壓頻率備用，均不可用輸出為0 并報頻率故障；機組停機備用態則所有狀態復位，即所有頻率輸出均為0，所有頻率輸出均無故障。

圖3 齒盤1 頻率和齒盤2 頻率選擇

圖4 殘壓頻率與齒盤頻率選擇

4 結論

依據機組實際運行情況與貝加萊頻率測量方式可歸納殘壓頻率與齒盤頻率的優缺點及選擇優先級如表1。

表1 殘壓頻率與齒盤頻率對比

當機組處于開機過程的開始階段時，殘壓測頻的信號幅值較低，不能滿足測頻的需要，因此采用齒盤頻率作為機組頻率，當調速器轉入空載之后，殘壓測頻的信號幅值已經大于200 mV，采用殘壓頻率作為機組頻率；機組空載或者負載運行的過程中，發生殘壓機頻故障時，取齒盤頻率作為機組頻率，如主用機殘壓機頻故障和齒盤測頻故障同時發生，則判為調速器頻率大故障且機組頻率強制輸出50 Hz。