瀑布溝水電站調速器齒盤測頻的技術改造

向文平， 劉 利

(國電大渡河瀑布溝水力發電總廠，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6臺額定容量為600MW的混流式水輪發電機組，總裝機容量3600MW。水輪機調速器系統由武漢能事達電氣股份公司供貨，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，測量數值波動大。為提高測量精度，我廠于2012年對齒盤測頻回路進行了改造。

2 瀑布溝水電站水輪機調速器機組頻率測量方法

瀑布溝水電站調速器機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電機機端電壓互感器(PT)信號，電壓采集范圍為0．3～150V，經變壓器隔離、濾波后送入殘壓測頻模塊，經殘壓測頻模塊轉變成一系列脈沖序列組，再將這些脈沖序列組送入PLC，PLC通過計數和數字運算后得出機組頻率，其測頻精度高。

殘壓測頻的優點是測頻信號取自機端電壓互感器，其安裝簡單、方便且成本較低，但也存在一些問題，主要體現在三個方面:①信號容易失真。在低轉速階段，殘壓信號較弱，信號容易失真，有時甚至采集不到殘壓信號，進而無法準確測量機組頻率。此外，由于殘壓信號間接反映機組轉速，若機組發生失磁失步等現象，也可能導致殘壓測頻數值不準確。②測頻信號易受干擾。各裝置接入機端電壓互感器回路相互交錯，既有到殘壓測頻的回路，也有到勵磁調節器、測量表計、保護裝置的回路，彼此間存在一定的干擾且無法消除。當殘壓信號較弱時，干擾尤其嚴重，進而影響殘壓測頻數值測量的準確性。③若電壓互感器保險接觸不良或發生斷線，調速器測頻裝置將收到一個很大的干擾信號，若干擾信號持續時間較長、超過濾波時間，調速器將產生誤判，繼而進行開關導葉動作，將直接影響機組的安全穩定運行。鑒于上述原因，為了使機組能更加可靠、安全的運行，在采用殘壓測頻的同時也設置了齒盤測頻回路，其主要作用是在低轉速階段及殘壓測頻發生故障時發揮作用。

(2)齒盤測頻主要是將接近開關與大軸齒盤產生的頻率信號通過一系列濾波計算得出機組頻率的方法，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

安裝在水輪發電機組大軸上的齒盤與一對電磁式接近開關共同組成了頻率信號產生單元。當機組大軸轉動時帶著齒盤一起旋轉，此時，固定在支架上的一對電磁式接近開關就產生了兩個信號，當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的高速計數模塊，PLC通過計數和數字運算后得到機組的齒盤頻率。改造前齒盤測頻工作情況見圖1。

其特點是齒盤測頻信號采用固定的接近開關和裝置在機組大軸上的齒盤測量機組頻率，其頻率信號的電壓幅值穩定且為獨立的系統，不易受現場干擾;特別是在機組低轉速段，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，常常出現齒盤測頻測值不準、波動較大、正常運行時出現過波動到49Hz的情況，導致調速器運行過程中報齒盤測頻故障。自機組投運以來，多次出現上述問題，嚴重影響機組的安全穩定運行。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系。新的測頻回路加裝了一個齒盤測頻專用的單片機測頻模塊與PLC開關量輸入模塊，并將原來的兩個接近開關取消了一個，改用單探頭測量形式。此時，安裝在水輪機大軸上的齒盤與電磁式接近開關組成頻率信號產生單元，頻率信號經單片機測頻模塊、PLC模塊后計算輸出頻率數值。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

單片機測頻模塊內有芯片，實際測頻工作由芯片內的程序采集單測速探頭信號完成。經過測頻模塊內部轉換將測值變成雙字節的二進制碼，二進制碼分別由16根芯線以開關量的形式送入PLC新增的開關量輸入DI模塊，再由PLC重新整合為雙整形數據，通過PLC內置程序計算出頻率數值。當DI模塊16個點同時點亮表示測頻模塊輸出故障;當頻率測值為0時，DI模塊的DI2～DI16全部點亮。

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生了相應改變，故對齒盤測頻相關PLC程序進行了修改。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數據，用以計算頻率值。

freq_gear_now:=(

dint_to_real(freq_gear_word)/500．0);

注釋:實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PLC開始運行，將齒盤頻率“實時計算值”賦給“上一次計算值(中間變量)”，且“齒盤測頻濾波計數”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“實時計算值”的差值大于0．5，則“齒盤測頻濾波計數”+1;若小于-0．5，則“齒盤測頻濾波計數”-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”大于5次或小于-5次，則將“實時計算值”賦給“上一次計算值”。同時，“齒盤測頻濾波計數”清零，將“實時計算值”賦給“齒盤顯示值”。

4．3 改造后的效果

自2012年10月對齒盤測頻進行改造后，至今為止運行時間大約為一年，齒盤測頻數值十分穩定，未發生過測量數值波動、測值不準等現象。開機過程中，齒盤測速精準，性能良好。

5 結語

齒盤測頻作為水輪機測頻的主要方法之一，其可靠性對機組安全穩定運行具有重要意義。在實際運行中，只有不斷改進、完善，才能保持調速器性能處于最佳狀態。

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

［2］ 魏守平．現代水輪機調節［M］．北京:華中科技大學出版社，2009．