（电气工程专业论文）比例数字阀全冗余可编程调速系统的控制方法研究与系统实现.pdf

摘要 比例一数字阀全冗余可编程调速系统 的控制方法研究与系统实现 学科名称：电气工程 作者：闻健 导师：曾光教授 雷大俊高工 作者签名； 导师签名： 答辩日期： t 4 红 摘要 本文首先提出了研究本课题的主要意义和目的，综述了调速系统的发展概况，简要分析了水轮 机调节系统的控制原理在深入分析改造原因后提出乌江渡发电厂增容改造调速系统改造总体方 案针对比例数字阀全冗余可编程调速系统的控制特点，进行整个系统结构的组成，对水轮机调 速系统的控制流程进行控制设计，对于其测频处理采用残压齿盘测频双冗于的设计进行了分析， 并对于油开关等现场接线进行7 合理设计，对于停机联锁等关键回路进行了防误设计并根据现场 仿真试验。来选定系统控制参披。通过试验录波来验证其满足国家标准要求总的看来，此次调速 系统的控制方法研究满足了乌江渡发电厂设备改造的技术要求，具有一定的先进性和合理性，应用 于与工程实践取得了良好的效果 关键词：比例数字阔；可编程；残压齿盘测频t 控制流程设计 差 a t ) s t r a c t p r o p o r t i o n - - d i g i t a lv a l v ee n t i r ed u a lp r o g r a m m a b l e g o v e r n o rs y s t e mc o n t r o lm e t h o dr e s e a r c ha n ds y s t e m r e a l i z a t i o n s u b j e c t ：e l e c t r i ce n g i n e e r i n g a u t h o r ：j i a nw e n t u t o r ：g u a n gz e n g 。 d a j u nl e - m i n i s t r a t i o n ：p r o f e s s o r j m l 心肌 锄硼 阢 她幽 a n s w e rd a t e ： a b s t r a c t 1 1 1 i sa r t i c l ef i r s tp r o p o s e dt h em a i ns i g n i f i c a n c ea n dt h ea i mo fs t u d y i n gt h i s t o p i c ，s u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n ts u r v e yo ft h eg o v e r n o rs y s t e m a n da n a l y z e d t h eh y d r a u l i ct u r b i n et r a n s i e n ts y s t e mc o n t r o lp r i n c i p l eb r i e f l y t h et r a n s f o r m a t i o n o v e r a l l p l a n o ft h eg o v e r n o r s y s t e mw a sp u tf o r w a r d a l t e r a n a l y z i n gt h e t r a n s f o r m a t i o nr e a s o nt h o r o u g h l yi nt h ec a p a c i t ye n l a r g e m e n tp r o j e c to ft h ew u j i a n g h y d r a u l i cp o w e rs t a t i o n i nv i e wo ft h ep r o p o r t i o n d i g i t a lv a l v ee n t i r ed u a l p r o g r a m m a b l eg o v e r n o rs y s t e mc o n t r o lc h a r a c t e d s t i c ，c a r r i e s0 nt h eo v e r a l ls y s t e m s t r u c t u r et h ec o m p o s i t i o n ，a d d st h et u r b i n eg o v e m o rs y s t e mc o n t r o ls e q u e n c et o c a m o nt h ec o n t r o ld e s i g n 。a n a l y s i st ot h ed e s i g no ft h er e m n a n tp r e s s u r ea n dt o o t h g e a rf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tr e g a r d i n gi t sf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tp r o c e s s i n g ，a n d r e g a r d i n gs c e n ew i d n gf o rt h eo i l b r e a ks w i t c he t ch a sc a r r i e do nt h er e a s o n a b l e d e s i g n 。a n dt h es t o pi n t e r l o c ke t cp i v o t a ll o o ph a sg u a r d e da g a i n s td e s i g n sb y m i s t a k e a n ds e l e c tt h es y s t e m sc o n t r o lp a r a m e t e ra c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n ta ts i t e ，c o n f i r mi tt os a t i s f yt h en a t i o n a ls t a n d a r dr e q u e s tt h r o u g ht h e e x p e r i m e n to fr e c o r d i n gt h ew a v e t h i sg o v e r n o rs y s t e mc o n t r o lm e t h o dr e s e a r c h s a t i s f i e dt h es p e c i f i c a t i o nf o rt h ee q u i p m e n tt r a n s f o r m a t i o n ，h a dc e r t a i np r i o r i t ya n d 。t h er a t i o n a l i t y , a n dh a so b t a i n e dt h eg o o de f f e c ta p p l y i n gi nt h ep r o j e c tp r a c t i c ei n s u m k e yw o r d s ：p r o p o r t i o n - d i g i t a lv a l v e ；p r o g r a m m a b l e ；r e m n a n tp r e s s u r ea n d t o o t hg e a rf r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ；c o n t r o ls e q u e n c e d e s i g n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：! 薹 诬一妒裤，口月z 学位论文使用授权声明 本人! 磊j 绌一。在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：拟。 导师签名：? 一7 年加月2 z 日 1 概迷 1 概述 1 1 研究本课题的主要意义和目的 乌江渡发电厂位于贵卿省遵义乌江下游，距遵义4 5 k m ，电站设计装机规模为 6 3 0 m l f ，安装3 台单机容量2 1 0 m w 水轮发电机组该电站与贵州电力系统联网，向贵 州全省供电。电站在系统中的主要作用是调峰、调频，承担系统事故备用，是一项 以发电为主的综合利用工程。本次增容改造工程将原电3 台单机容量2 1 0 m w 水轮发 电机组改造增容至2 5 0 m w ，相应需要改造或更挟调速系统增容改造后的电站按无人 值班( 少人值守) 设计，改造后的调速系统性能应满足无人值班( 少人值守) 的要 求乌江渡发电厂增容调速系统更换为比例一数字阀全冗余可编程调速系统，目前 将这两种电液转换形式同时运用到调速系统机械液压系统组成全冗余机械液压系统 是一种先进的、高性能的控制方式该调速系统使机组在各种工况下稳定运行， 可实现机组自动或手动开、停机，并网运行，机组负荷调节，事故紧急停机等功能 对于该项目的实旌人员，为了顺利完成调速系统的改造任务，需要认真分析其控制 方法，研究其具体的实施方法，并通过试验方法来检验其效果，以达到对该系统的 调节性能可靠实现。 1 。2 调速系统的发展过程 1 2 1 机械液压调速系统 最早的水轮机调速系统为机械液压调速系统，它是随着水电建设发展而在2 0 世 纪初发展起来的，它能满足带独立负荷和中小型电网中运行的水轮发电机组调节的 需要，有较好的静态特性和动态品质，可靠性较高但是，面临大机组、大电网提 出的高灵敏度、高性能和便于实现水电站自动化的要求。机械液压调速系统固有的 采用机械液压方法进行测量、信号综合和稳定调节的功能就露出明显的缺陷。现在， 新建的大型水轮发电机组几乎均不采用机械液压调速系统，只有中小型机组仍有相 当一部分采用机械液压调速系统，而且大部分电厂已经改造为现代新型调速系统。”1 1 2 2 电气液压调速系统 测速、稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电气液压放 大部分驱动水轮机接力器的调速系统，称为电气液压调速系统。2 0 世纪5 0 年代以后， 电气液压调速系统获得了较为广泛的应用从采用的元件来看，它又经历了电子管、 磁放大器、集成电路等几个发展阶段。2 0 世纪8 0 年代末期，出现了水轮机微机调速 西安理工大擘工程硕士学位论文 系统并被广泛采用 我国第一代调速系统经历了单微机控制器和双微机控制器的发展过程，由于当时采 用自行设计的专用控制机，且生产量小，导致生产厂家不能保证其质量、可靠性低因而 采用了双微机冗余结构 1 2 3 数字式电液调速系统 2 2 0 世纪9 0 年代初，采用技术先进，可靠性高的p l c ，并以系统集成方式构成的微 机调速系统的第二代调速系统可靠性大大提高我国数字式( 微机) 调速系统在技术性 能和功能上大体与国际先进水平同步，提高国产数字式调速系统的可靠性和工艺水平， 是国内调速系统生产厂家的重要任务采用技术先进、可靠性高、标准化的工业控制器 ( p l c 、i p c 、) 以及用系统集成技术构成数字式调速系统的微机调节器，是发展的必 然趋势。微机调速系统由微机调节器及电液随动系统构成，微枧调节器以高可靠性的控 制器为核心，采集频率信号及控制信号，用计算机程序实现复杂的运算及控制功能，并 以一定的方式输出控制结果作为电液随动系统的输入微机调速系统具有可靠性高、外 围电路少、编程方便、功能扩展性好等特点。随着1 9 7 1 年微处理机的问世，世界各国 在2 0 世纪8 0 年代初都开始研制微机( 液压) 调速系统。适应式变参数微机调速系统研 制成功了，随后又开发生产了双微机单调节微机调速系统和双微机双调节微机调速系 统。3 1 针对自行研制开发的微机系统存在着由非计算机专业人员设计和生产、批量过 少而导致可靠性不高的问题，我国1 9 9 3 年提出并完成了可编程控制器( 液压) 调速 系统的开发和生产，至2 0 0 0 年底，据不完全统计已有近6 0 0 台可编程控制器( 液压) 调速系统在国内外水电站运行成为我国当前水轮机微机调速系统的微机调节器主 导产品从2 0 0 0 年下半年开始，开始研制新一代的水轮机调速系统的微机调节器一 一基于现场总线的全数字微机调节器。显然，随着微机技术、网络技术、总线技术 的发展，水轮机微机调速系统的微机调节器将会得到不断的完普和发展。 与微机调节器的发展同步。水轮机调速系统的电液转换装置也由原来的单一的 电液转换器和电液伺服阀，发展成为由电磁阀、比例阀或者步进电机，伺服电机构成 的电液转换装置。同时，还研制成功了三态多态阀式的机械液压系统 在我国，可编程调速系统作为微机调速系统硬件核心国内外应用已很成熟，比例 数字阀全冗余可编程调速系统，由于其控制方式处理比较新颖，控制的可靠性高，并且 其优良的静、动态性能使得该调速系统已成为目前调速系统控制方式的首选目标。 水轮机调速系统从整体上讲是一种机电体化产品，机械执行部分我们采用液 压控制根据电液转换方式来划分，可分为数字式( s l t ) 、步迸电机式( b w t ) 、比 例式( p s w t ) 调速系统。有时数字式和比例式结合在一起使用。数字式调速系统利 用电磁阀用数字脉冲控制阀的开关，达到控制接力器开关的效果。而步进式调速系 统利用电流驱动步进电机正反转，产生竖直方向位移，协同主配压阀控制接力器的 开关。比例阀通过比例控制器和主配压阀完成电液转换一般来说，小型调速系统 都采用数字式大、中型调速系统根据客户要求以及实际情况有多种形式，如数字 式，步进式以及比例式或者各种形式的结合。根据控制部分的可编程控制元件l c 模块来区分，就目前我们的使用情况来讲，有三菱f x 2 n 系列，一般用于中小型数 字式调速系统，也有部分使用s i e m e n s 系列模块；有o m r o n 系列模块，一般用于中 型步进式或者小型冲击式调速系统；另外有部分大型调速系统，通常采用施耐德公 司的m o d i c o n 系列或者q u a n t u m 系列模块。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 2 、水轮机调节系统的控制原理 2 1 水轮机调节的基本任务 水轮发电机组把水能转变为电能供生产、生活使用。用户在用电过程中除要求 供电安全可靠外，对电网电能质量也有十分严格的要求按我国电力部门规定，电 网的额定频率为5 0 h z ( 赫兹) ，大电网允许的频率偏差为o 2 h z 对我国的中小电 网来说，系统负荷波动有时会达到其容量的5 1 0 ；而且即使是大的电力系统， 其负荷波动也往往会达到其总容量的2 3 电力系统负荷的不断变化，导致了 系统频率的波动电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动。因此，不断 地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组的转速( 频率) 在额定转速( 频率) 的 规定范围内，就是水轮机调节的基本任务。”。 其工作过程如下：电信号与接力器位置反馈信号在综合放大器内比较并放大， 放大器的输出信号使电液转换器产生与其成比例的位移，由于电液转换器与引导阀 直接连接，引导阀同时产生位移并通过液压放大器使主配压阀活塞也产生相应的位 移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动，直到主接力器位置信号与电气的信 号数值相等为止见图2 - 2 其工作原理如下( 见图2 - 1 ) ： f 矗 f c t c p c 4 图2 - 1 调节系统图 f i g 2 - 1t r a n s i e n ts y s t e m 2 水轮机调节系统的控制原理 由高速计数模块测量机、网频率，送至输入模块，由中控室及二次回路发出的 开关量指令经输入模块送至p l c 的c p u 模块，当p l c 扫描到这个指令进行相应的操 作，并且将操作、运算、处理后的结果经输出模块至比例伺服阀和数字球阀来控制 机械液压随动系统的开或关，也就达到控制水轮机组导水叶的开度，实现控制机组 转速或者负荷的目的。 图2 - 2 比例伺服阀数字球阀冗余机械液压系统 f i g 2 - 2p m p o r t i o n d i g i t a lb a l lv a l v ed u a lh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m 由a d 模块输入水头信号、导叶开度信号、功率信号。参与开度调节或功率调节 水轮机调速系统是水电站发电机组的重要辅助设备，它与电站那二次回路或计算机监 控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务水轮 机调速系统还可以与其他装置一起完成自动发电控制( a g c ) 、成组控制、按水位调节 等任务 水轮发电机组转动部分的运动方程为： j d d t = m 。一m ( 1 1 ) 式中： 卜机组转动部分的惯性矩( k g m i ) ； d = 耳n 3 卜机组转动角速度( r a d s ) ； n 一机组转动速度( r m i n ) ； m 。一水轮机转矩( n m ) ； 虬一发电机负荷阻力矩( 负载转矩) ( n m ) 上式表明，保持机组转速( 频率) 为恒值的条件是d o d t = o ，即要求m i = i d i ， 否则就会导致机组转速( 频率) 偏离额定值，从而出现转速( 频率) 偏差。 水轮机转矩m 。= p q h i i 。 ( 1 2 ) 式中： q 通过水轮机的流量( m | s ) ： i 卜一水轮机净水头( m ) ； r i 广水毪舢效率； 西安理工大学工程硕士学位论文 p 水的密度( k g m ) 只有不断地调节流量q 和效率i l 。才能调节水轮机转矩m t ，达到m t = m l 的目的 从最终效果来看，水轮机调节的任务是维持水轮发电机组转速( 频率) 在额定值附 近的允许范围内然而，从实质上讲，只有当水轮机调节器相应地调节水轮机导水 机构开度( 从而调节水轮机流量q ) 和水轮机轮叶的角度( 从而调节水轮机效率q 。) ， 使m 。= 也，才能使机组在一个允许的规定转速( 频率) 下运行 因此，水轮机调节的实质：根据偏离额定值的转速( 频率) 偏差信号，不断地 调节水轮机的导水机构和轮叶机构，维持水轮发电机组功率与负荷功率的平衡。”。 2 2 水轮机调节系统的结构 水轮机调节系统是由水轮机控制设备( 系统) 和被控制系统组成的闭环系统。 水轮机、引水和泄水系统、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网称为水轮机 调节系统的被控制系统；用来检测被控参量( 转速、功率、水位、流量等) 与给定 量的偏差，并将其按一定的特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合成为水轮 机控制设备( 系统) ”。水轮机调速系统则是由实现水轮机调节及相应控制的电气控 制装置和机械执行机构组成。 水轮机调节系统的工作过程为：测量元件把机组转速n ( 频率f ) 、功率p | 、水 头h 、流量q 等反映机组运行工况的参数测量出来作为水轮机调速系统的反馈信号， 与给定信号闭环综合后，经放大校正元件控制执行机构，执行机构操纵水轮机导水 机构和桨叶机构 ， 2 3 水轮机调节系统的特点 水轮机调节系统是一个自动调节系统，它具有一般闭环控制系统的共性，但是 水轮机调节系统是一个复杂的非线性控制系统 水轮机发电机组由多种工作状态= 机组开机、机组停机、同期并网前和从电网 解列后的空载、孤立电网运行、以转速控制和功率控制并列于大电网运行、水位和 流量控制等 水轮机控制设备是通过很大的动力来调节水轮机导水机构和桨叶机构来调节水 轮机流量及其流态的，因此，即使是中小型调速系统也大多要采用机械液压执行机 构，且常常采用有一级或二级液压放大的液压执行机构 水轮机过水管道存在这水流惯性，通常用水流惯性常数t f 来表述： t - = ( q , g h , ) l a = l v g h( 2 1 ) 式中： 。 每段过水管道的截面积( 时) ； 6 2 水轮嘲调节系统的控制原理 l 一相应每段过水管道的长度( m ) v 一相应每段过水管道内的流速( 皿s ) g 重力加速度( m s 2 ) t _ 一水流惯性时间常数( s ) 从自动控制理论的观点来看，过水管道水流惯性使得水轮机调节系统成为一个 非最小相位系统( 非极小相响应) ，其特点为：由于水的惯性，当改变导叶方向时， 首先引起水轮机转矩在反方向作用，然后再回到与导叶运动相同的方向对系统的 动态稳定和响应特征会带来十分不利的影响”1 通常所说的水锤效应( 或水击效应) 就是对这种水流惯性的一种形象的表述。 水流惯性时间常数t - 的物理概念是：在额定水头h f 作用下，过水管道内的流量 q 由0 增大至额定流量瓴所需要的时间 水轮发电机组存在着机械惯性，可用机组惯性时间常数t 来表述： t = j 。，u , = g d 2 n 3 5 8 0 p ， ( 2 2 ) 式中： j 。，一额定转速时机组的惯性矩( k g 时) 毗一机组额定转矩( n m ) 。g d 2 - 一机组飞轮力矩( k n 酊) 。n r 一机组额定转速( r m i n ) 跨一机组额定功率( k 胃) t i - 机组惯性时间常数( 薯) 机组惯性时间常数t i 的物理概念是：在额定力矩m r 作用下，机组转速n 由o 上升至额定转速n f 所需要的时问。 7 西安理工大学工程硕士学位论文 3 乌江渡发电厂调速系统改造总体方案的提出 乌江渡发电厂三台2 1 0 m w 的机组进行增容改造，已于2 0 0 3 年1 0 月份正式开工 机组容量由2 1 0 m w 增容至2 5 0 m w ，接力器及油压系统将全部更换，油压等级由2 5 m p a 提高到4 o m p a ，因此调速系统必须经过改造才能适应新机组运行的要求 3 i 改造的必要性 调速系统机械液压系统已投运多年，调速系统原设计的油压等级是2 5 m p a ，现 在机组油压等级提高到4 o m p a 。乌江渡发电厂又是调峰、调频机组，因此调速系统 机械液压系统长期处于一个不断运动的状态，自然磨损较大，同时改造后油压等级 提高了3 7 秭，必然会加大调速系统的内泄漏量，这将会导致机械自动零位难以整定， 产生漂移现象等问题的出现。 乌江渡发电厂原使用的调速系统是采用步进式电液转换器步进电机运行效果 很好，但经长期运行后步进电机由于自身原因将存在以下问题：l 、步进电机由静止 到运动有一时问要求，因此生产厂家一般采用增大步进电机的运行电流，这将造成 步进电机发热，给要求长期稳定运行的步迸电机带来事故隐患；2 、调速系统工作时 需要给步进电机产生一振荡信号，使步进电机长期工作在运行工况，任何设备不可 能长期工作而不出一点问题；3 、由于油温的影响使步进电机温度升高，以至步进电 机总是在较高温度下运行；4 、如果长期运行，调速系统压力油油气会进入电机，致 使不断运行的电机产生油泥，影响步进电机的性能和工作寿命”。 综上所述，由于接力器的更换和油压等级的提高，为适应新机组运行的要求调 速系统机械部分需全部更换。现在的电气部分因与我厂计算机监控系统接口不相匹 配，同时为适应改造后的调速系统机械部分的要求，以及做到满足今后。无人值班、 少人值守”的运行要求，调速系统电气部分亦须作全面改造 3 2 改造后的先进性 8 当前国内外水轮机调速系统都在使用标准化的工业大生产的液压元件，特别是 比例伺服阀和高速电子球阀，已逐步替代电液伺服阀。目前采用这种形式的产品已 大量在电站调速系统中使用，已取季导非常满意的效果。比例阀是连续控制方式，系 统输出平稳，特别是微信号，低速运动中，能保持输入与输出成比例的线性关系， 静、动态性能高。高速数字阀是断续脉变调制( p 啊) 控制。采用非线性搭叠窗口和 脉冲补偿方式，可靠性极高目前将这两种电液转换形式同时运用到调速系统机械 液压系统组成全冗余机械液压系统是一种先进的、高性能的产品，目前己在湖南大 东江、广东流溪河、风滩等电厂投入运行，真正做到了“少人值守、无人值班”的 要求。 3 乌江黻电厂调速系统改造恶体方案的提出 3 3 具体改造方式 调速系统机械液压系统更换为p s w t - 1 5 0 型全冗余机械液压系统。导叶单调调节 方式。比例阀采用德国原装进口的d s p 0 8 1 1 4 0 4 0 3 3 ，由德国b o c h 公司生产。高速 电子球阀采用德国n g z 3 - 1 l g 2 4 ，由德国h a w e 公司生产。调速系统是具有并联补偿自 适应p i d 调节规律的可编程调速系统。p l c 控制器采用法国旆耐德公司m o d i c o nt s x q u a n t u m1 4 0c p u1 1 30 2 c 为调节控制中心。具有有功功率闭环自动控制、转速控制、 开度控制、水位控制、频率自动跟踪、稳定运行等功能。液压随动系统采用比例阀+ 高速电子球阀一引导周一辅助接力器一主配压婀一主接力器一导时反馈的结构形 式。液压元件采用进口产品或引进技术生产的合资产品 液压随动系统通过采甩比例阀+ 数字阀的冗余容错主配压阀控制系统，比例阀和 数字阀两套电液转换装置作为先导级，对主配压阀实行裕度控制，即可分别用比例 阀或数字阀进行控制，两者互不干扰，互为热备用，大大提高整个系统的安全可靠 性同时保留了现场正常的纯手动开、停机操作，增减负荷及紧急停机功能。 般调速系统的机械液压系统普遍采用自动运行方式和手动运行方式而机械 手动般用在电气事故、停电、电液转换环节故障、试验、大修后第一次开机等工 况，使用率非常低，而且需要人为监护操作，难以准确定位，操作很不方便。所以 我们将机械手动改为数字球阀来实现开、关机操作，它不但可以人为操作，也可以 用电气来进行自动控制，以及远方操作，实际上它也是一个电液转换环节该系统 具有以下几种操作方式； ( 1 ) 比例阀自动，高速数字球阀为手动方式当电气检测到比例阀出现故障， 包括断线、控制环节故障等，自动将数字球阀作为自动方式运行，比例阀作为手动 运行方式。 ( z ) 高速数字球阀自动，比例阀电转为手动方式当电气检测到数字球阀出现 故障，包括断线、控制环节故障等，自动将比例阀电转作为自动方式运行，数字球 阀作为手动运行方式 通过对电气部分进行改进。增加彩色触摸屏，实现人机对话窗口，增强软件功 能，特别是在触摸屏增加调速系统中的计算机辅助功能。这些功能包括调节参数整 定、机组必要参数的预置、在线、离线调整和各种参数、系数的调整、内置事件记 录功能、操作帮助功能、故障诊断和判断功能、内置诱速系统自动试验功能，显示 方式为全中文菜单、表格、图形、文字等选显方式。 在通讯方面接口共三路，路为触摸屏通讯；一路为计算机编程，程序调整修 改；一路为计算机监控通讯，通讯规范为当今世界上最流行的m o d b u s ( m b ) 或m o d b u s p l u s ( 哪+ ) 接口 9 西安理工大学工程硕士擘位论文 3 4 增容改造后机组参数( 见表3 - 1 ) 表3 - 1 机组参数表 单机容量2 5 0 m w 一 最大水头 1 3 1 9 m 加权平均水头 1 2 3 5 m 额定水头 1 1 6 o m 最小承头 1 0 4 0 m 水轮机型号 h u p 0 8 3 d 水轮机转轮直径5 2 0 1 机组额定转速1 5 0 r ，r a i n 机组飞逸转速2 8 5 r m i 机组转动惯量 ，3 6 6 0 0 t m 2 机组安装高程( 导盱中心线) 6 2 2 5 0 m 3 5 调速系统的配置： 3 5 1p l o 模块配置( q u a n t u m 见表3 - 2 ) 表3 _ 2p l c 模块配置表 t a b 3 - 2p l cm o d u l ed i s p o s i t i o nt a b l e 模块名称型号数量点数生产厂家 电源模块 1 4 0 c p s2 1 4 0 0li l o d i c o n c p i j 模块 1 4 0 c p u1 1 3 0 2 clh o d i c o n 模拟量输出 a v o0 2 0 0 013 2h o d i c o n 模拟量输入 a v l0 3 0 0 011 6h o d i c o n 开关量输入 1 4 0 d d i8 4 1 0 0l3 2i ( o d i c o n 开关量输入 1 4 0 d d i1 5 3 1 013 2m o d i c o n 开关量输出 1 4 0 咖8 4 3 0 0l 3 2 i l o d i c o n 该q u a n t u mp l c 具有多处理器并行工作，速度快，扫描周期小于1 0 m s ；i 0 模块 采用光电隔离及软件滤波，具有高抗干扰能力。调速系统功能由p l c 控制，能满足 规定的控制要求，在环境条件范围内运行而不发生各种漂移。为了满足计算机监控 系统远方控制的需要，提供与监控系统机组l c u 的通迅接口，接口采用 o 型式和 3 乌江渡发电厂调速系统改造6 - 体方案的提出 m o d 叫sp l u s ( m b + ) 通信接口两种方式 m b + 接口是本地局域网络的高速对等通讯网络，任何一个具有m b + 接口的设备 可作为m o d b u s + 网络上的一个接点，任何一个采用m b + 接口的设备可对其它采用 m b + 接口设备的数据进行直接查询修改，使得计算机对调速系统的数据采集和控制 可以是多点查询方式。而且具有如下优点。通讯速度为i m b 秒，通讯方式为令牌传 递形式，实现点对点及网络广播通讯方式，通讯介质为屏蔽双绞线，可以通过编程 软件中的m s t r 功能块指令实现网络上各节点问的数据交换，每次扫描传输量最大 为4 0 0 个寄存的内容，通过执行m s t r 功能块指令，就可完成m b + 网络的所有通讯 功能m b + 通讯总线可以与至少3 个终端通讯：工作机、热备机、计算机监控系统。 3 5 2 软件 调速系统采用c o n c e p t 2 6 编程软件进行编程，调速系统软件采用模块化设计， 由多个运行工况子程序和通用程序组成常驻程序和过程程序，具有一个断电保持的 数据寄存器区存放调速系统的各种参数和机组的参数，对每个输入开关量进行数字 滤波，对测频和a d 转换采用逐次逼近方式。用户能通过肺+ 口外挂移动笔记本对软 件程序进行阅读和检查，及修改程序，也可根据实际情况改变数据寄存器区的内容， 就可以方便用户进行日常的维护、检修和调试该编程软件使用方便，维护容易 3 5 a 触摸屏配置 采用日本d i g i t a l 公司g p 2 5 0 0 型1 0 4 寸的触摸屏，触摸屏具有友好的人机对 话窗口，可通过触摸屏对微处理器参数及存贮单元内存参数进行调整、修改、设置， 并可对调速系统进行监视、数据显示、试验及操作。能方便地进行现场或模拟试验， 如空载试验等。也可外接h g 9 8 试验装置进行试验，并能用计算机存储、显示、打印 试验数据或图像。 3 5 4 比例伺服阀及高速数字球阀的配置 比例伺服阀型号：0 8 1 1 4 0 4 0 3 3德国b o s c h 生产 高速数字球阀型号：n g z 3 i l g 2 4德国h a w e 生产 3 6 电源 调速系统自带电源装置，采用交直流供电，一回为d c 2 2 0 v ，取自机旁动力盘直 流控制电源系统；一回为a c 2 2 0 v ，取自厂用电系统机旁动力盘交流控制电源，输出 d c 2 4 v 用于装置。实现了电源的冗于，互为热备用，无扰切换，保证装置电源的可靠 供电。 西安理工大学工程硕士攀位论文 3 6 1 供电电源 采用交直流双电源互为备用的供电形式，交流电源采用隔离变压器隔离后输入 到交流高频开关电源，直流电源输入直流高频开关电源，两开关电源的输出经二极 管后并联，实现了真正的交直流双电源互为热备的冗余结构，保证了电源的可靠性。 其电源原理图见图3 - i ，开关电源采用台湾明伟系列的产品 调速系统系统的控制及信号电源采用d c 2 4 v 供电。调速柜及调速系统控制柜内分 别装设冗余的带滤波器及抗干扰装置的双电源变换模块，每个电源模块采用交直流 并列供电( c 2 2 0 v 、d c 2 2 0 v ) ，两个电源模块的输出经过隔离装置后汇接在一起形成 直流小母线，分别向微机调速系统、转速探测和速度监控系统及紧急停机操作系统 等提供相互独立的供电回路。外供的交流或直流电源之一消失时或2 套冗余的电源 模块退出时，均不影响调速系统正常工作 图3 1 冗余供电电源原理图 r g 3 - 1d u a lp o w e rs u 御l l yp n n c i p b 交流电源输入；a c 2 2 0 v 士1 0 4 7 h z 5 2 h z 直流电源输入；d c 2 2 0 v 士1 傩 3 6 2 电源监视 调速柜及调速系统控制柜内装设电压监视继电器，对输入电源、输出电源等进行 监视。盘面装设相应的电源投入信号指示灯，并提供独立的电源投入( 常开接点) 、电 源消失( 常闭接点) 监视信号至电站计算机监控系统 3 乌江渡发电厂调速系统改造总体方案的提出 3 7 测频装置( 残压+ 齿盘冗余式测频技术说明) 3 7 1 机频的采集 机频一路取自机端电压互感器，额定电压i o o v 。具有频率测量变换器及隔离变 压器用于抗干扰。枧额另一路取自齿盘测速装置，齿盘测速能保证澳l 速范围在“0 转 速”到2 n c 内准确可靠，精度为0 i h z 。网频取自主变高压侧母线p t ，机组只 有在g c b 、t c b 都合闸时调速系统才认为机组在并网发电方式运行。5 1 通过软件进 行频率比较自动识别大小电网，并具有断线保护功能。 3 7 2 测频环节的比较 测频环节的可靠性、稳定性以及精度和实时性是保证调节品质的关键所在，因为 它将直接影响调速系统的调节品质和整机的运行状况： | - 机频采自p t 信号的优缺点 测频装置是决定水轮发电机组及调速系统安全、稳定运行极为关键的部件目前， 国内水轮发电机组微机调速系统的测频信号均取自于发电机机端电压互感器( p d 信 号。优点是成本低、安装简单，但也存在着缺点，主要体现在如下几个方面： 第一、干扰源复杂且难以排除，部分表计、励磁调节器、保护装置大多与测频 装置取自于同一p t 的信号，无法隔开，而且各个部分引入p t 信号的线路环境各异， 走线复杂，彼此间相互干扰。即使采用屏蔽线、硬件抗干扰、软件滤波等措施均难 有效地消除干扰，特别是在残压比较低时更是如此。 第二、低转速时残压信号严重失真，根本无法通过残压信号正确测量出机组频 率 第三、若p t 的保险炸裂、接触不良或断线等 b 机频采自齿盘信号的优点 采用齿盘测频( b p 采用接近开关和齿盘) 检测机组频率，其信号的电压幅值稳定， 且为独立的系统，不易受现场干扰，是可靠的测频信号源。 齿盘测频的频率信号源是通过一对电磁感应式的进口的接近开关取自于安装在 机组大轴上齿盘装置，该信号系统是一个独立系统，其幅值与机组转速无关，可靠 性高。该装置从根本上解决了频率信号的干扰问题。 c j 测频的处理 测频环节是决定水轮发电机组调速系统安全、稳定运行极为关键的部分，采用 齿盘测频和残压测频形式的双路测频是最可靠的方案。双路测频互为热备用，一旦 西安理工大学工程硕士学位论文 某路故障，立即无扰动切换到另一路，并发故障信号 齿盘测频结构示意图与工作过程： 齿盘测频由齿盘、接近开关和微机测频单元组成，如图3 2 所示： 图3 - 2 齿盘测频由齿盘、接近开关和微机测频单元组成 f i g 3 - 2t o o t hg e a rf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tc o n s i s to ft o o t h9 酗叽a d j a c e n ts w i t c h ，m i c r o - c o m p u t e r f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t 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一起组成了频率信号 产生单元。由信号整形电路、滤波电路、单片机和机频信号输出电路一起构成了频 率信号测量单元。频率测量单元将测量出的机组频率以方波或数字量形式送到调速 系统。当机组大轴转动时带着齿盘一起旋转，固定在支架上一对电磁式接近开关就 产生了两个信号，通过单片机将这两个信号组合、滤波、计算等处理后得一个与机 组频率成正比的值，并将这个值以方波或数字量形式送到微机调速系统。 采用该形式的齿盘测频，在保证实时性的要求下，其测频误差： o ：o f f - 一f 0 。f c 一f - f j 4 - - - + - - - 一 1 0 0 3 2 f 0 3 1 1 i +4- f 0 0 0 1 i + - - - - - - + 元清0 + _ + 转换成f j d 并保存 图3 - 1 0 机频测量子程序分 r g 3 10g e n e r a t o ru n i tf r e q u e n c ys u r v e ys u b r o u t i n e8 释：l 、f 测量值放大了5 倍，且默认2 位小数，故频给f c , = 5 0 0 0 h z 的基数是2 5 0 0 0 2 、并网前，f _ f t - f j ，在还原成机频时，因f - 实际变化不大，为了便于还原成机频的计算， 故用f g 代替。f 0 ，f j = f g 一f ；f 0 ，f j = f c + f 。所以，实际还原出的机频是一个比较 接近真实值的数，不是绝对真实的机频。而且，跟随网频变化 搿+ s 一 一 一 +i+i+i 一3 o 9 一 鲫 旧 一o o s o+4lof掣 1+l+ i1+i 一似 b 一3 o u 3 一o o s 0+4i*”i4 +i+i+i 1 2 3 存一 一 一 一 霉1卜叫奸f|豳俨娅竺黑钏吾=+_l掣r 躲鬯 叶川l+“叫l卅叫1_一 篇+ 嚣竺 3 8 个反 馈侣 位秘 一卟 图3 1 1 导叶反馈电气图 f i g 3 - 1 1e l e c t r i c a lg u i d ev a r l ef e e d b a c kn a p 3 9 分段关闭装置、过速限制器 臻 置采用两 咔开度反 1 拉杆式 歼度加装 调速系统系统配有导水叶分段关闭装置，该装置动作可靠，便于调整。调速系 统配有过速限制器，机组甩负荷时，当具备了调速系统拒动和转速升高到1 1 5 额定 转速两个条件后，过速限制器能在压力油作用下迅速关闭导叶。转速装置采用齿盘 测速，齿盘安装于主轴连接法兰上部，即发电机下端轴上，下端轴直径为o1 4 2 0 ， 轴转速为1 5 0 转分。1 0 1 3 1 0 运行工况转换 其运行工况如图3 - 1 2 所示进行转换 西安理工大擘工程硕士学位论丈 圈3 1 2 运行工况转换 r g 3 - 1 2o p e r a t i o nm o d ec h a n g e 永轮机调速系统具备自动、电手动和机械手动三种操作方式调速系统具有速度与 加速度检测、转速控制、开度控制、功率控制、电力系统频率自动跟踪、快速同步、导 叶电气开限、参数自适应、在线自诊断、容错及故障处理、故障滤波等功能。”调速 系统能现地和远方进行机组的手自动开停机和紧急停机：能以数字量通讯和开关量接 点两种形式接收电厂监控系统的控制信号，并向电站监控系统实时传递调速系统有关信 息调速系统系统的电气部分采用高性能法国施耐德m o d i c 0 nt s x 系列或者日本三菱 f x 2 n 、a 系列可编程控制器p l c 。一般为单机系统，但是可根据用户要求配备成双机系 统，见图3 - 1 3 所示，电气输出具有步迸电机、比例伺服阀、数字阀、伺服阀四种可兼 容的输出型式。”机械部分主要包括冗余电液转换机构、机械手动操作机构、引导阀、 主配压阀、急停机电磁阀组成无明管、静态无油耗的脉宽、脉幅脉宽的控制型式 图3 - 1 3 电气系统结构图 r 9 3 - 1 3e l e c t d cs y s t e ms t r u c t u r e ：! 垒兰i 垦奎苎 塑垦墨苎! 垡墨堡查墨竺墨生 3 1 1 油开关接点的接入 如图3 1 4 所示，调速系统断路器开关量输入采用以下方式接入装置，能保证调 速系统不误动甩负荷注：监控d l 重复继电器接点采用g c b 与t c b 接点串接启动 输出 保护t 疆g 西辅 删接点 助接点 虢撺d l t 蕾爨电嚣接点 图3 - “油开关接线 f i g 3 - 1 4o i l b r a k