瀑布沟水电站调速器齿盘测频的技术改造

向文平， 刘 利

(国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川汉源 625304)

1 概述

瀑布沟水电站位于大渡河中游，地处四川省雅安市汉源县和凉山州甘洛县交界处。电站装设6台额定容量为600MW的混流式水轮发电机组，总装机容量3600MW。水轮机调速器系统由武汉能事达电气股份公司供货，其测频回路采用残压测频与齿盘测频两种方式，两种方式互为冗余，其中原齿盘测频与残压测频采用同一测频模块，相互干扰大，测量数值波动大。为提高测量精度，我厂于2012年对齿盘测频回路进行了改造。

2 瀑布沟水电站水轮机调速器机组频率测量方法

瀑布沟水电站调速器机组频率测量采用以下两种方式:残压测频与齿盘测频。

(1)残压测频信号取自于发电机机端电压互感器(PT)信号，电压采集范围为0．3～150V，经变压器隔离、滤波后送入残压测频模块，经残压测频模块转变成一系列脉冲序列组，再将这些脉冲序列组送入PLC，PLC通过计数和数字运算后得出机组频率，其测频精度高。

残压测频的优点是测频信号取自机端电压互感器，其安装简单、方便且成本较低，但也存在一些问题，主要体现在三个方面:①信号容易失真。在低转速阶段，残压信号较弱，信号容易失真，有时甚至采集不到残压信号，进而无法准确测量机组频率。此外，由于残压信号间接反映机组转速，若机组发生失磁失步等现象，也可能导致残压测频数值不准确。②测频信号易受干扰。各装置接入机端电压互感器回路相互交错，既有到残压测频的回路，也有到励磁调节器、测量表计、保护装置的回路，彼此间存在一定的干扰且无法消除。当残压信号较弱时，干扰尤其严重，进而影响残压测频数值测量的准确性。③若电压互感器保险接触不良或发生断线，调速器测频装置将收到一个很大的干扰信号，若干扰信号持续时间较长、超过滤波时间，调速器将产生误判，继而进行开关导叶动作，将直接影响机组的安全稳定运行。鉴于上述原因，为了使机组能更加可靠、安全的运行，在采用残压测频的同时也设置了齿盘测频回路，其主要作用是在低转速阶段及残压测频发生故障时发挥作用。

(2)齿盘测频主要是将接近开关与大轴齿盘产生的频率信号通过一系列滤波计算得出机组频率的方法，具体测量方法介绍于后。

3 改造前使用的齿盘测频方法及存在的问题

3．1 改造前使用的齿盘测频方法

安装在水轮发电机组大轴上的齿盘与一对电磁式接近开关共同组成了频率信号产生单元。当机组大轴转动时带着齿盘一起旋转，此时，固定在支架上的一对电磁式接近开关就产生了两个信号，当这两个信号送入频率隔离模块后，通过组合、滤波和计算后得到一组脉冲序列，再将脉冲序列送入PLC的高速计数模块，PLC通过计数和数字运算后得到机组的齿盘频率。改造前齿盘测频工作情况见图1。

其特点是齿盘测频信号采用固定的接近开关和装置在机组大轴上的齿盘测量机组频率，其频率信号的电压幅值稳定且为独立的系统，不易受现场干扰;特别是在机组低转速段，频率信号可靠，测频精度较残压测频更高。

图1 改造前齿盘测频工作示意图

3．2 改造前齿盘测频存在的问题

由于原齿盘测频与残压测频共用一个测频模块，相互之间存在干扰，常常出现齿盘测频测值不准、波动较大、正常运行时出现过波动到49Hz的情况，导致调速器运行过程中报齿盘测频故障。自机组投运以来，多次出现上述问题，严重影响机组的安全稳定运行。为了解决这一问题，我厂于2012年启动了齿盘测频回路改造工作。

4 改造后的齿盘测频

4．1 改造后的齿盘测频硬件回路

改造后的齿盘测频主要是将齿盘测频回路完全独立出来，不再与残压测频共用一个测频模块，不与残压测频回路形成任何电气联系。新的测频回路加装了一个齿盘测频专用的单片机测频模块与PLC开关量输入模块，并将原来的两个接近开关取消了一个，改用单探头测量形式。此时，安装在水轮机大轴上的齿盘与电磁式接近开关组成频率信号产生单元，频率信号经单片机测频模块、PLC模块后计算输出频率数值。改造后的齿盘测频工作情况如图2所示。

图2 改造后的齿盘测频工作示意图

单片机测频模块内有芯片，实际测频工作由芯片内的程序采集单测速探头信号完成。经过测频模块内部转换将测值变成双字节的二进制码，二进制码分别由16根芯线以开关量的形式送入PLC新增的开关量输入DI模块，再由PLC重新整合为双整形数据，通过PLC内置程序计算出频率数值。当DI模块16个点同时点亮表示测频模块输出故障;当频率测值为0时，DI模块的DI2～DI16全部点亮。

4．2 改造后的齿盘测频PLC程序

因改造后测频硬件回路及测频原理发生了相应改变，故对齿盘测频相关PLC程序进行了修改。程序如下:

Bool16ToDInt(

BoolStruct:=freq_gear_data_read，

Int:=freq_gear_word，

Status:=freq_gear_status);

注释:将齿盘测频模块换算输出的16位Bool量整合变换为Dint数据，用以计算频率值。

freq_gear_now:=(

dint_to_real(freq_gear_word)/500．0);

注释:实时采集的齿盘频率计算值。

ifplc_start then

freq_gear_previous:=freq_gear_now;

freq_gear_filter_number:=0;

end_if;

注释:当PLC开始运行，将齿盘频率“实时计算值”赋给“上一次计算值(中间变量)”，且“齿盘测频滤波计数”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;

注释:如果“上一次计算值”减去“实时计算值”的差值大于0．5，则“齿盘测频滤波计数”+1;若小于-0．5，则“齿盘测频滤波计数”-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;

注释:如果“上一次计算值”减去“实时计算值”的差值在-0．5与0．5之间，或者累计“齿盘测频滤波计数”大于5次或小于-5次，则将“实时计算值”赋给“上一次计算值”。同时，“齿盘测频滤波计数”清零，将“实时计算值”赋给“齿盘显示值”。

4．3 改造后的效果

自2012年10月对齿盘测频进行改造后，至今为止运行时间大约为一年，齿盘测频数值十分稳定，未发生过测量数值波动、测值不准等现象。开机过程中，齿盘测速精准，性能良好。

5 结语

齿盘测频作为水轮机测频的主要方法之一，其可靠性对机组安全稳定运行具有重要意义。在实际运行中，只有不断改进、完善，才能保持调速器性能处于最佳状态。

［1］ 向家安．PLC微机调速器频率测量方法综述［J］．水电站机电技术，2005，27(4):20-23．．

［2］ 魏守平．现代水轮机调节［M］．北京:华中科技大学出版社，2009．