基于貝加萊PCC 的調(diào)速器頻率信號(hào)處理研究

李高朋，郭 琛，喻小琴，董 剛

（中國(guó)長(zhǎng)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(jī)組頻率信號(hào)通過測(cè)速裝置送至調(diào)速器，調(diào)速器調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速裝置送至勵(lì)磁系統(tǒng)、機(jī)組同期并網(wǎng)裝置、高壓油系統(tǒng)、機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)組過速保護(hù)裝置等，因此發(fā)電機(jī)組對(duì)頻率信號(hào)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性要求較高[1]。然而，工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性使得部分信號(hào)存在一定的干擾，更可能出現(xiàn)信號(hào)突然中斷等情況，為保證機(jī)組采用的信號(hào)更加接近真實(shí)值，使得設(shè)備更加安全穩(wěn)定地運(yùn)行，就必須對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，及時(shí)判斷信號(hào)故障，并作出合理的應(yīng)急處理。

針對(duì)某巨型水電站調(diào)速器運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)，除硬件濾波整形外，還通過貝加萊PCC 處理器對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行了軟件濾波處理，即不斷地檢測(cè)本周期采樣與上周期采樣的差值是否越過設(shè)置的容忍范圍，同時(shí)也會(huì)對(duì)頻率采樣進(jìn)行故障判斷。本文即通過分析貝加萊PCC 頻率測(cè)量和選擇等程序，并結(jié)合調(diào)速器實(shí)際測(cè)頻方法，對(duì)頻率信號(hào)的處理方式進(jìn)行了研究。

2 機(jī)組頻率測(cè)量方式

處理機(jī)組頻率信號(hào)，首先需對(duì)機(jī)組頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量頻率一般采用測(cè)量周期法（測(cè)周法）或測(cè)量頻率法（測(cè)頻法），對(duì)于額定頻率為50 Hz 的水輪發(fā)電機(jī)來說，應(yīng)當(dāng)選擇測(cè)周法[2，3]。按頻率信號(hào)的采集方式，轉(zhuǎn)速測(cè)量方法分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。直接測(cè)量一般有離心式、測(cè)速發(fā)電機(jī)式、齒盤式等，間接測(cè)量主要應(yīng)用PT 殘壓測(cè)頻法。

該巨型電站調(diào)速器同時(shí)采用了齒盤信號(hào)和PT殘壓信號(hào)兩種測(cè)頻方式對(duì)機(jī)組的頻率進(jìn)行測(cè)量，兩者冗余輸入，保證了機(jī)組頻率的真實(shí)性和可靠性。

2.1 PT 殘壓測(cè)頻

機(jī)組殘壓信號(hào)取自發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器PT，信號(hào)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(yōu)點(diǎn)，但是殘壓測(cè)頻是一種機(jī)組頻率的間接測(cè)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(cè)頻實(shí)現(xiàn)步驟為：輸入的PT 殘壓信號(hào)（正弦波），經(jīng)過小型隔離變壓器進(jìn)行隔離和濾波處理，去掉低頻干擾信號(hào)，然后將處理后的正弦波信號(hào)通過整形電路，整形為數(shù)字電路可以識(shí)別的方波信號(hào)，再取方波信號(hào)的上升沿或者下降沿作為邊界，構(gòu)成測(cè)頻計(jì)數(shù)的窗口。通過選用控制器內(nèi)部?jī)?nèi)置的與硬時(shí)鐘相關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)頻率作為測(cè)量基準(zhǔn)頻率，然后用測(cè)量基準(zhǔn)頻率對(duì)測(cè)頻計(jì)數(shù)窗口進(jìn)行計(jì)數(shù)。最后將窗口計(jì)數(shù)值換算成目標(biāo)方波的周期，再將周期換算成目標(biāo)方波的頻率。

2.2 齒盤測(cè)頻

齒盤測(cè)頻由安裝在大軸上的齒盤與電磁式接近開關(guān)組成，它是一種直接測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速的方式，其可靠性和可信度明顯優(yōu)于殘壓測(cè)頻，然而其測(cè)量精度受齒盤的加工精度、機(jī)組擺動(dòng)和齒距的不均勻性等機(jī)械因素的影響較大，難以達(dá)到調(diào)速器對(duì)頻率測(cè)量的精度要求[5]。齒盤測(cè)頻可分為單探頭和雙探頭，目前該巨型電站調(diào)速器均采用單探頭測(cè)頻，機(jī)組磁極對(duì)數(shù)都是40，齒盤齒數(shù)均為80，齒數(shù)選擇是發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)的兩倍，既能保證安裝精度的控制，又能方便測(cè)量信號(hào)的處理（只需對(duì)測(cè)量頻率做一個(gè)倍頻的處理即可），可靠且易實(shí)現(xiàn)

當(dāng)機(jī)組大軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)齒盤同軸旋轉(zhuǎn)，固定在支架上的測(cè)速探頭就產(chǎn)生一個(gè)個(gè)階躍信號(hào)，該信號(hào)的幅值與機(jī)組的轉(zhuǎn)速無關(guān)，頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)速成正比。若測(cè)量頻率為f1，齒盤齒數(shù)為n，發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)p，則機(jī)組轉(zhuǎn)速r和機(jī)組頻率為f可由下列計(jì)算式得到：

從測(cè)頻響應(yīng)的角度來看，齒盤齒數(shù)越多，測(cè)頻響應(yīng)越快；從測(cè)頻精度來看，齒盤齒數(shù)越少，加工誤差越容易控制，且能減小大軸擺動(dòng)等因素對(duì)測(cè)量的干擾，測(cè)頻精度會(huì)越高。

3 貝加萊PCC 頻率處理

3.1 測(cè)頻原理

該巨型電站調(diào)速系統(tǒng)通過使用貝加萊PCC 中的X20DS1319 高速計(jì)數(shù)模塊對(duì)不同頻率信號(hào)進(jìn)行了計(jì)算測(cè)量、濾波處理和優(yōu)先級(jí)選擇等。B&R X20DS1319 利用邊緣檢測(cè)（Edge detection）功能及上升沿或下降沿的檢測(cè)功能可以檢測(cè)輸入信號(hào)的上升沿或者下降沿出現(xiàn)時(shí)的時(shí)標(biāo)（時(shí)間計(jì)數(shù)值）以及邊緣信號(hào)之間的時(shí)間差，從而進(jìn)行頻率測(cè)量和相位差測(cè)量。

X20DS1319 模塊能夠?qū)r(shí)間軸切割為均勻的時(shí)間片段，然后去計(jì)算時(shí)間軸上兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間這些均勻的時(shí)間片段的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)周期和頻率。其中一個(gè)均勻的時(shí)間片段叫一個(gè)Tick，X20DS1319 的一個(gè)Tick 可以設(shè)置為1 μs 或者1/8 μs（程序中殘壓頻率和電網(wǎng)頻率程序設(shè)置Tick 時(shí)間為1/8 μs，2 個(gè)齒盤測(cè)頻設(shè)置Tick 時(shí)間為1 μs。）。在時(shí)間軸上，記錄master time 與slave time 2 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的Tick 數(shù)量，取2 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的差值Difference，即在2 個(gè)上升沿之間的Tick 的個(gè)數(shù)。

待測(cè)波形的周期T=Difference×Tick。

待測(cè)波形頻率F=1/T=1/（difference×Tick）。

圖1 X20DS1319 測(cè)頻原理圖

3.2 頻率測(cè)量

貝加萊AB 套調(diào)速器均有2 個(gè)X20DS1319 模塊，第一個(gè)DS 模塊輸入殘壓頻率和電網(wǎng)頻率的上升沿和Difference 數(shù)值，另一個(gè)DS 模塊輸入2 個(gè)齒盤測(cè)頻的上升沿和Difference 數(shù)值。freqcency 程序由4個(gè)功能塊組成，2 個(gè)功能塊一組分別對(duì)應(yīng)2 個(gè)X20 DS1319 模塊，圖2 所示為齒盤測(cè)頻1 功能塊。

圖2 齒盤測(cè)頻1 功能塊

功能塊通過程序計(jì)算將輸入的齒盤上升沿和檢測(cè)次數(shù)即Difference 數(shù)值輸出為sensor_gear_one 的結(jié)構(gòu)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(xù)不間斷）、b_hop_hop（頻率值是否跳變）。通過分析測(cè)頻程序知其具體步驟為：通過2 個(gè)上升沿之間EdgeDelect_Time 即Tick 個(gè)數(shù)和設(shè)置的Tick 時(shí)長(zhǎng)從而計(jì)算出頻率值；然后依據(jù)freq_DI 上升沿計(jì)數(shù)確認(rèn)頻率是否連續(xù)；接著在連續(xù)不間斷的基礎(chǔ)上再通過2 次頻率值之差值大小確認(rèn)是否有跳變；最終依據(jù)是否連續(xù)及是否有跳變進(jìn)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(duì)4 種freqcency 程序的輸出頻率值di_value 再次進(jìn)行了濾波處理，使其更加準(zhǔn)確穩(wěn)定，功能塊中表決數(shù)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(shù)組，然后去除數(shù)組前10 個(gè)元素中最大與最小的頻率值，再求取剩余8 個(gè)頻率值的平均值，從而達(dá)到濾波的作用。

3.3.2 頻率選擇

頻率選擇首先是對(duì)齒盤頻率的齒盤1 和齒盤2進(jìn)行優(yōu)先級(jí)選擇，然后通過判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)對(duì)殘壓頻率和齒盤頻率進(jìn)行優(yōu)先級(jí)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(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋寒?dāng)齒盤1 配置正常且齒盤1 輸出無故障時(shí)，齒盤頻率優(yōu)先選擇齒盤1 頻率且齒盤頻率可用；當(dāng)齒盤2 配置正常且齒盤2 輸出無故障時(shí)，齒盤頻率備用選擇齒盤2 頻率且齒盤頻率可用；當(dāng)兩者都不可用時(shí)，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(jī)組在空載或負(fù)載態(tài)時(shí)，優(yōu)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(bào)頻率故障；機(jī)組在開機(jī)過程或停機(jī)過程時(shí)則相反，優(yōu)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(bào)頻率故障；機(jī)組停機(jī)備用態(tài)則所有狀態(tài)復(fù)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(jié)論

依據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況與貝加萊頻率測(cè)量方式可歸納殘壓頻率與齒盤頻率的優(yōu)缺點(diǎn)及選擇優(yōu)先級(jí)如表1。

表1 殘壓頻率與齒盤頻率對(duì)比

當(dāng)機(jī)組處于開機(jī)過程的開始階段時(shí)，殘壓測(cè)頻的信號(hào)幅值較低，不能滿足測(cè)頻的需要，因此采用齒盤頻率作為機(jī)組頻率，當(dāng)調(diào)速器轉(zhuǎn)入空載之后，殘壓測(cè)頻的信號(hào)幅值已經(jīng)大于200 mV，采用殘壓頻率作為機(jī)組頻率；機(jī)組空載或者負(fù)載運(yùn)行的過程中，發(fā)生殘壓機(jī)頻故障時(shí)，取齒盤頻率作為機(jī)組頻率，如主用機(jī)殘壓機(jī)頻故障和齒盤測(cè)頻故障同時(shí)發(fā)生，則判為調(diào)速器頻率大故障且機(jī)組頻率強(qiáng)制輸出50 Hz。