水轮发电机调速器测频装置的设计

苏鑫++郭贵彬

摘 要：水轮发电机调速器的测频性能对水电站实现自动控制功能有着重要作用。本文主要针对现阶段水轮发电机调速器提出的新的性能要求，经过对水轮发电机调速器深入研究后，对水轮发电机调速器测频装置从硬件、软件上进行设计，并实现其测频功能，经过在实际项目中的应用数据表明：该测频装置稳定好，测量精度高，能满足相关技术要求。

关键词：水轮发电机调速器；测频装置；设计；应用

中图分类号：TV734.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）24-0184-02

水轮发电机调速器对水电机组的安全稳定运行与电能的质量有着直接影响。随着国家经济的高速发展，城市对电能的需求量也越来越大，对电能的质量要求也越来越高，现阶段的测频装置多停留在过去的旧技术上，目前水电行业内使用的转速测量装置核心控制装置主要有两种，可编程逻辑控制器（PLC）和单片机控制。单片机控制测频响应快，可编程逻辑控制器抗干扰能力强，性能稳定。为此，基于性能最优和可靠性强的原则，本文主要通过对水轮发电机调速器的深入研究，从其硬件电路、外围电路及软件实现平台的设计上，实现水轮发电机调速器测频功能，在国家电网公司水电机组测频项目上的实际应用的相关数据表明：BMX P34系列可编程转速测量装置能够保证机组转速输出可靠性和准确性，提高了水轮发电机组运行的安全性，该装置符合国家的相关技术要求，其稳定性与精度性能也较高。

1 水轮发电机调速器概述

一般来说，水轮发电机调速器测频系统回路有两种测频方式，即残压测频、齿盘测频，且该两种方式互为冗余。电子信息技术的高速发展也使得现代水轮机调速器的架构有着较大的变化，一般采用微机调节器、电液转换装置及液压随动系统相结合的方式。目前国内普遍采用PLC实现调速器的微机调节器功能。在微机调节器系统中，测频是至关重要的，也是其主要的技术难点之一[1]。提高测频器的稳定性与精度对水轮发电机调速器性能有着重要影响。

2 测频原理及实现

2.1 测频原理

周期测频法是对测频信号周期T进行测量后计算得到频率值。间接测量周期法则为通过已知高频脉冲信号的周期，对相同周期的测频信号进行测量，得到高频脉冲串的数量，进而计算被测信号周期的方法。

2.2 间接测周期法测频装置实现

随着电子技术的快速发展，PLC的发展速度惊人，PLC不再只是能够实现简单测频的功能，更复杂的高速计数测量功能也能够实现。PLC作为一种调速控制器，对比市场上的单片机，其可靠性、安全性更高，因此，提出由PLC自身实现测频功能的想法。其原理为：利用PLC的高速计数功能对检测到的脉冲串个数进行计数，计算得到信号的计数频率[2]。

TSX CTY2C是PREMIUM自动化平台的高速计数模块，其最高的计数频率为1MHZ。各通道可实现向上或者向下的计数功能。硬件原理框图1所示。被测信号在被隔离后，进入一个比较电路，经过该电路后，可得到一个与被测信号相同周期的方波信号，该方波信号经过二分频处理后再与较高频率的时钟信号进行“与”计算，因此可得到表征输入的极端电压信号脉冲串。该脉冲信号经过差分处理后，得到表征极端电压信号周期的差分脉冲信号。然后将该差分脉冲信号接入至TSX CTY2C的模拟了输入正负端。软件上对TSX CTY2C进行是能设置，执行预设值后开始高速计数。采用查询或中断的方式，进行计数确认。

3 水轮发电机调速器测频装置的设计优化

利用PLC直接测量与被测信号相同周期的方波信号的周期，也就是说该方波信号的两个上升沿之间的间隔时间，根据频率为周期倒数的关系即可计算得到频率值。因此，PLC的外部电路只需对正弦波信号转换成方波信号，测频装置的抗干扰能力可得到较大程度的提升。目前市场上有一种PLC能够实现自动获取沿降之间的相隔时间，实现对信号沿降时间的自动测量，然后再根据上述的频率为周期倒数的关系即以可测量出被测机组频率的方波时间，进而可计算得到频率值大小。PLC强大的功能即可大大的简化外围设计的电路的复杂度，也不必要求PLC的计数功能模块高要求的计数频率[3]。

3.1 硬件构成

本测频装置主要的硬件为施耐德电气所属公司的PLC，核心部分为BMX P34系列处理器，主频采用180兆赫兹的频率，该处理器功能强大，可执行多任务计算任务。只执行单任务的处理器，没有优先级之分，只有先后顺序，而多任务处理器则不同，多任务的应用程序在执行前需分优先级，而执行主任务则无需于此。

在硬件上，BMX P34系列的处理器与BMX EHC0200功能模板是通过总线传递相关数据，软件上则为利用关联在BMX EHC0200功能模板上的T_USIGNED_CPT_BMX类型IODDT隐式交换对象和所有模块都具有关联的T_GEN_MOD类型的IODDT显式交换对象，实现BMX P34系列处理器与BMX EHC0200功能模板之间的数据的交互。隐式交换对象在模块关联的任务PLC的每个循環周期中自动进行交换，于此对应的，显式交换对象则是根据应用程序的请求，使用显式交换指令进行交换[4]。处理器与周期测量模板数据交换原理图2所示：

处理器与周期测量模板之间的数据信息交互的原理为：（1）处理器使用T_GEN_MOD类型的IODDT显式交换对象得到周期测量模板的相关状态参数。（2）处理器利用T_ GEN_MOD下发给周期测量模板相关的控制参数。（3）处理器利用T_USIGNED_CPT_BMX类型隐式交换对象自动获得周期测量模板的实时测量数据，而不用用户程序来中断、查询等实时获得实时测量数据。测频器测频原理如图3所示。

3.2 软件设计

本设计中采用BMX P34系列处理器的软件平台UNIT YPRO，在该平台中提供了用户程序的编程语言，以及附带扩展功能中的各功能模块。依据不同系列的处理器硬件平台，该软件平台均可支持多任务应用程序。endprint

针对该装置的软件部分，主要是利用BMX EHC0200末班对装置中测频信号进行测量，对软件平台上各功能模块的参数进行配置，主要包括以下内容：

（1）周期测量模式参数配置；（2）滤波输入、输出方式配置；（3）分辨率参数配置；（4）选择模式配置；（5）事件号参数配置；（6）超时故障参数配置。

在完成对该功能模块各参数的配置后，利用T_USIGN ED_CPT_BMX实现CPU与BMX EHC0200模块之间数据信息的交换。其具体流程为：首先，对设备启动周期测量频率的功能，然后，同事也授权SYNC的同步相关功能。其次，装置中核心CPU捕捉到BMX EHC0200模塊对信号测量完成的标志，并根据相关参数设定判定测量数值的有效性；最后，读取测量数值，修正有关参数，为下一步的测量做准备[5]。

3.3 外围电路

本测频器硬件电路频率信号整形电路如图4所示。从图4中可看出本测频装置的测频信号处理过程，详细过程为：测频信号经过隔离变压器隔离后，进入滤波电路（R5、C1）中进行滤波，滤波后进入限幅电路（R1、R2、R3、R4、D1、D2、C2）进行限幅，限幅后进入运放电路（LM139）进行运放，最后进入比较电路（R6、R7）。在经过上述处理后输出的信号与被测频率信号周期保持一致。然后将该信号引入BMX EHC0200的模拟量输入引脚，至此即完成对测频器装置系统外围硬件电路[6]。

4 实际应用与优化前景

在国家电网公司水电机组的调频测试项目中采用本文设计的水轮发电机调节器测频装置，实际的应用中测得机组相关数据为一次调频死区为±0.033Hz，通过对比可知该方法满足水轮发电机调测器频率测量分辨率相关要求。根据国家相关要求采样周期应不大于0.04-0.08秒的标准，采用该测频器测量的事件滞后时间小于0.02秒，对比可知该测频器的测量时间响应特性满足调速器的相关使用要求。

5 结语

水轮发电机调速器是水电站机组实现自动控制功能的核心设备。本文主要利用施耐德电气公司的PLC作为核心处理器与UNITYPRO作为软件平台，设计测频装置软、硬件部分，实现其测频功能。经过实际工程项目的应用，测量装置测频准确，动作可靠。相关实验测试数据表明：该测频装置具备较好的动态调节品质，满足相关的技术要求。

参考文献

[1]南海鹏，王德意，王涛.水轮机调速器PCC测频装置的研究[J].水利水电技术，2001，（07）：15-17.

[2]魏守平，罗萍.水轮机调速器的PLC测频方法[J].水电能源科学，2000，（04）：31-33.

[3]李发鹏，陈梦萍，米斯.潘口水电站机组调速器测频稳定性改造[J].河南科技，2012，（18）：45-46.

[4]向文平，刘利.瀑布沟水电站调速器齿盘测频的技术改造[J].四川水力发电，2014，（02）：117-118.

[5]潘熙和，严国强，李昌梅，等.水轮机微机调速器测频方式与方法的探讨[J].机电与金属结构，2009，（08）：52-55.

[6]张新华，向家安，张友江.基于可编程逻辑控制器的微机调速器测频方法[J].水电自动化与大坝监测，2008，（02）：17-19.endprint