瀑布溝水電站調(diào)速器齒盤測(cè)頻的技術(shù)改造

向文平， 劉 利

(國(guó)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(tái)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(cè)頻回路采用殘壓測(cè)頻與齒盤測(cè)頻兩種方式，兩種方式互為冗余，其中原齒盤測(cè)頻與殘壓測(cè)頻采用同一測(cè)頻模塊，相互干擾大，測(cè)量數(shù)值波動(dòng)大。為提高測(cè)量精度，我廠于2012年對(duì)齒盤測(cè)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(cè)量方法

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

(1)殘壓測(cè)頻信號(hào)取自于發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器(PT)信號(hào)，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(cè)頻模塊，經(jīng)殘壓測(cè)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(jì)數(shù)和數(shù)字運(yùn)算后得出機(jī)組頻率，其測(cè)頻精度高。

殘壓測(cè)頻的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)頻信號(hào)取自機(jī)端電壓互感器，其安裝簡(jiǎn)單、方便且成本較低，但也存在一些問題，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:①信號(hào)容易失真。在低轉(zhuǎn)速階段，殘壓信號(hào)較弱，信號(hào)容易失真，有時(shí)甚至采集不到殘壓信號(hào)，進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)組頻率。此外，由于殘壓信號(hào)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(cè)頻數(shù)值不準(zhǔn)確。②測(cè)頻信號(hào)易受干擾。各裝置接入機(jī)端電壓互感器回路相互交錯(cuò)，既有到殘壓測(cè)頻的回路，也有到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、測(cè)量表計(jì)、保護(hù)裝置的回路，彼此間存在一定的干擾且無(wú)法消除。當(dāng)殘壓信號(hào)較弱時(shí)，干擾尤其嚴(yán)重，進(jìn)而影響殘壓測(cè)頻數(shù)值測(cè)量的準(zhǔn)確性。③若電壓互感器保險(xiǎn)接觸不良或發(fā)生斷線，調(diào)速器測(cè)頻裝置將收到一個(gè)很大的干擾信號(hào)，若干擾信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、超過濾波時(shí)間，調(diào)速器將產(chǎn)生誤判，繼而進(jìn)行開關(guān)導(dǎo)葉動(dòng)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(cè)頻的同時(shí)也設(shè)置了齒盤測(cè)頻回路，其主要作用是在低轉(zhuǎn)速階段及殘壓測(cè)頻發(fā)生故障時(shí)發(fā)揮作用。

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

3 改造前使用的齒盤測(cè)頻方法及存在的問題

3．1 改造前使用的齒盤測(cè)頻方法

安裝在水輪發(fā)電機(jī)組大軸上的齒盤與一對(duì)電磁式接近開關(guān)共同組成了頻率信號(hào)產(chǎn)生單元。當(dāng)機(jī)組大軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶著齒盤一起旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，固定在支架上的一對(duì)電磁式接近開關(guān)就產(chǎn)生了兩個(gè)信號(hào)，當(dāng)這兩個(gè)信號(hào)送入頻率隔離模塊后，通過組合、濾波和計(jì)算后得到一組脈沖序列，再將脈沖序列送入PLC的高速計(jì)數(shù)模塊，PLC通過計(jì)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(cè)頻工作情況見圖1。

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

圖1 改造前齒盤測(cè)頻工作示意圖

3．2 改造前齒盤測(cè)頻存在的問題

由于原齒盤測(cè)頻與殘壓測(cè)頻共用一個(gè)測(cè)頻模塊，相互之間存在干擾，常常出現(xiàn)齒盤測(cè)頻測(cè)值不準(zhǔn)、波動(dòng)較大、正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過波動(dòng)到49Hz的情況，導(dǎo)致調(diào)速器運(yùn)行過程中報(bào)齒盤測(cè)頻故障。自機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，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(dòng)了齒盤測(cè)頻回路改造工作。

4 改造后的齒盤測(cè)頻

4．1 改造后的齒盤測(cè)頻硬件回路

改造后的齒盤測(cè)頻主要是將齒盤測(cè)頻回路完全獨(dú)立出來(lái)，不再與殘壓測(cè)頻共用一個(gè)測(cè)頻模塊，不與殘壓測(cè)頻回路形成任何電氣聯(lián)系。新的測(cè)頻回路加裝了一個(gè)齒盤測(cè)頻專用的單片機(jī)測(cè)頻模塊與PLC開關(guān)量輸入模塊，并將原來(lái)的兩個(gè)接近開關(guān)取消了一個(gè)，改用單探頭測(cè)量形式。此時(shí)，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(hào)產(chǎn)生單元，頻率信號(hào)經(jīng)單片機(jī)測(cè)頻模塊、PLC模塊后計(jì)算輸出頻率數(shù)值。改造后的齒盤測(cè)頻工作情況如圖2所示。

圖2 改造后的齒盤測(cè)頻工作示意圖

單片機(jī)測(cè)頻模塊內(nèi)有芯片，實(shí)際測(cè)頻工作由芯片內(nèi)的程序采集單測(cè)速探頭信號(hào)完成。經(jīng)過測(cè)頻模塊內(nèi)部轉(zhuǎn)換將測(cè)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(jì)算出頻率數(shù)值。當(dāng)DI模塊16個(gè)點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)亮表示測(cè)頻模塊輸出故障;當(dāng)頻率測(cè)值為0時(shí)，DI模塊的DI2～DI16全部點(diǎn)亮。

4．2 改造后的齒盤測(cè)頻PLC程序

因改造后測(cè)頻硬件回路及測(cè)頻原理發(fā)生了相應(yīng)改變，故對(duì)齒盤測(cè)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(cè)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(jì)算頻率值。

freq_gear_now:=(

dint_to_real(freq_gear_word)/500．0);

注釋:實(shí)時(shí)采集的齒盤頻率計(jì)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(shí)計(jì)算值”賦給“上一次計(jì)算值(中間變量)”，且“齒盤測(cè)頻濾波計(jì)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(jì)算值”減去“實(shí)時(shí)計(jì)算值”的差值大于0．5，則“齒盤測(cè)頻濾波計(jì)數(shù)”+1;若小于-0．5，則“齒盤測(cè)頻濾波計(jì)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(jì)算值”減去“實(shí)時(shí)計(jì)算值”的差值在-0．5與0．5之間，或者累計(jì)“齒盤測(cè)頻濾波計(jì)數(shù)”大于5次或小于-5次，則將“實(shí)時(shí)計(jì)算值”賦給“上一次計(jì)算值”。同時(shí)，“齒盤測(cè)頻濾波計(jì)數(shù)”清零，將“實(shí)時(shí)計(jì)算值”賦給“齒盤顯示值”。

4．3 改造后的效果

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

5 結(jié)語(yǔ)

齒盤測(cè)頻作為水輪機(jī)測(cè)頻的主要方法之一，其可靠性對(duì)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(cè)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．