PLC在水电站频率测量上的应用.doc

PLC控制器在现代水力发电站调速器上的应用 作者：周建波 bojianzhou 蒲炜 weipu关键词：PLC 调速器 水力发电站 发电机频率 摘要：在现代水力发电站中，发电机频率是一个重要的参数。本文以PLC为核心控制器件，阐述发电机频率测量 发电机运行稳定性的实现。APPLICATION OF PLC CONTROLEER IN THE GOVERNOR OF MORDERN HYDROELECTRIC STATIONKEY WORDS：PLC GOVERNOR HYDROELECTRIC STATION FREQUENCY OF GENERATORABSTRACT：IN MORDERN HYDROELECTRIC STATION，FREQUENCY OF GENERATOR IS VERY IMPORTANT PARAMETER 。PLC AS NUCLEAR CONTROLLER IN THIS PAPER ，STATEMENT MEASUREMENT OF FREQUENCY OF GENERATOR ，REALIZATION OF GENERATOR RUNNING STABILITY前言：在水轮机微机电液调速出现以前，调速器的主要作用是根据发电机频率（转速）偏差，调节水轮机导叶开度，使发电机频率维持在50（正 负0.2）HZ。自19世后期，水轮机上采用了水力驱动的离心调速器，随后瑞士又采用了油压式离心调速器控制水轮发电机组。本世纪中期以来，随着自动调节技术和电子技术的飞跃发展，水轮机调节技术也在不断地改进和更新。1944年世界上第一台电气调速器首先在瑞士问世。近年来在国家政策的开放下，各地奋发图强大兴水利，调速器的研究与制造业得到了前所未有的发展。作者根具从事水电行业6年的经验写下本文。本文主要基于日本三菱公司FX2N系列PLC为核心控制器件在中小型水电站调速器上的实际应用情况。第一节 调速器的主要功能 水轮发电机组把水能变为电能供工业. 农业. 商业以及人民生活等使用。用户在用电过程中除要求供电安全可靠外，对电网电能的质量也有十分严格的要求。电力系统负荷的变化，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，维持频率在额定频率的规定范围内波动，就是调速度器的主要功能。 水轮发电机组转动部分的运动方程是： J dw/dt = Mt Mg （1 - 1） 式中： J 为机组转动部分的惯性力矩（kg.mm） w = pai n /30 机组转动的角速度（rad / s） n 机组转动速度（r / min） Mt 水轮机转矩 （N .M） Mg 发电机负载力矩（N .M）式1-1表明，机组转速（频率）保持恒值的条件是dw /dt = 0. 即要求Mt = Mg. 否则就会导致机组转速（频率）高于或者低于额定值，从而出现转速（频率）偏差。水轮机转矩: Mt = RQHY / W式中：R 为水的密度（KG / MMM） Q 为通过水轮机的流量（MMM / S） H 为水轮机净水头（M） Y 为水轮机效率所以，在一定的机组工况下，只有调节流量Q和效率Y才能调节水轮机转矩Mt,达到Mt =Mg的目的。 第二节 PLC微机调速器系统框图 系统原理框图 第三节 调速器主要功能1 调节规律调速器采用比例、积分、微分调节规律，以保证系统频率所规定的运行和性能；具有空载频率调节、负载频率调节、负载开度调节三种不同的控制参数适应调速器的控制要求。2 开机具有自动和手动开机(包括机手动、电手动)功能，并可实现现地和远方操作；机组启动前，须预先设定机组的空载开度。控制器接收到开机指令后，将控制导叶按负指数规律开启至空载开度位置，然后按小斜率线性关系逐点开启导叶并监视机组实际转速，当机组转速达到99%额定转速时，开机控制结束，控制器自动转入空载调节程序。断路器合闸前，机组自动跟踪系统频率，使机组频率迅速达到同期要求，实现快速并网。HZ50频率给定或网频实际开机频率引导开机曲线导叶开度T3 机组运行方式：具有机手动、电动(包括电手动和电自动方式)两种方式。电动(电手动和电自动)切换到机手动，或者机手动切换到电动(电手动和电自动)，均是无扰切换。调速器故障未复归时不能切回自动运行。手自动切换跟踪框图切换条件自动手动跟踪驱动器位移转换主配接力器机组电气反馈放大4 调节控制方式调速器具有两种调节控制方式：频率调节、开度调节。 频率调节采用PID(比例-积分-微分)调节规律，改善机组的空载频率调节特性或机组负载小电网运行状态时电网频率调节特性；开度调节采用PI(比例-积分)调节规律，并具有人工转速死区，用来改善机组负载运行时的接力器的运行特性,有效防止机组负载运行时接力器频繁调节；5 频率跟踪功能：机组空载运行时，机组频率可以选择跟踪网频或频率给定，此时不具备频率人工死区。机组负载运行时，机组跟踪频率给定，此时如果运行在频率调节方式，不具备频率人工死区；如果运行在开度调节或功率调节方式，具备人工频率死区。 PLC 输入与输出信号原理框图 第四节 PLC对发电机频率的测量频率的测量有两种方法可以实现。一种是测量周期法，一种是测量频率法。测频法是指：通过测量单位时间内被测信号的频率数来测量频率。显然，对于额定频率为50HZ的发电机来说，用这种方法是不合适的，它只适合于测量处于高频段的频率。被测机组的频率f和周期T的关系为：f =1/ T. （2 - 2）如果通过一定的方法，能够准确而迅速地测量出被测信号的周期T，那么，就可以根据式2-2求出频率。通过测量周期T进而求出频率的方法称为测周法。显然，测周法适合测量低频段的频率信号。测周法原理如下：图中被测频率信号为f1,经过放大整形和分频后得到f3方波信号。N为高频时钟信号，它提供一个稳定的振荡信号。N和f3信号经过与门后得到f4信号。对f4信号用脉冲信号的半波脉冲串计数，并记其值为Nt，则Nt在数值上正比于被测信号的周期T，通过下式可以计算到PLC微机内的测频值F： F = C / Nt (3 3)列如，取N = 2 x 10六次方HZ，则在被测量频率为50HZ时，其 T = 0.02S,Nt =40000;若取常数C = 2 x 10九次方，则由3-3得出测量结果为F = 50000；若被测信号频率为48HZ，则求得F = 48000。下图是频率测量的硬件原理图：三菱FX2N PLC XO X1 X2 X3输入口为高速计数口。采样最高频率为60KHZ。通过C235 ，C236环形计数器记录输入信号的个数。一路为发电机频率 一路为电网频率。在把测量的数据传送到D15和D35 数据寄存器内。具体程序如下： 第五节 PLC 模拟量输入模块水轮机导叶实际的开度位置，需要采样到微机显示和作为空载 停机的判据。采用2AD模块。支持4-20mA电流信号和 -10V +10V的电压信号输入。 第五节 PLC与上微机通讯程序 第六节 PID调节程序编程的公式：YPID(k) = YPI (k 1) + dYp(k) + dYI (k) + dYC / dPC(k) + YD(k) -(4-4)式中：YPI (k 1) 前一周期的比列 积分以及开环增/减分量之和，即PID调节的比列 积分作用及开环增/减分量；在开度调节或者功率调节模式下YPID(k) = YPI (k)。 第七节 开关量输出信号PLC经过PID控制运算后，得到一电气信号用于驱动电磁阀或者步进电机作为执行机构。当步进电机用于控制时，在驱动器上可做下列设定：步进电机驱动电流，加速/减速时间，细分步。我们实际选用的是日本RORZE五相电机和北京四通机电公司的两相电机。现以RORZE驱动说明：由“SPEED”和 “VR GND”送入直流电压信号控制步进电机的旋转速度。改变此电压值，可以使步进电机的转速在设定的低速和高速范围内变化。当发电机空载的时候由于液压系统的惯性和发电机组惯性。当频率差变得比较大（高于额定50HZ较多）的时候需要快速关闭进水装置即导叶。特别是在带满负荷运行突然甩负荷的情况下，避免发电机过速（过速按额定转速的百分之140整定）需要快速关闭导叶。然后维持发电机的空载运行。由“CCW/CW“（顺时针/逆时针）送入的开关量信号控制步进电机的旋转方向。即将PLC Y口输出的控制信号接到CCW/CW端子，PLC Y口的 COM接到CCW/CW的GND。 结语调速器在水力发电站中占据着不可替代的作用，担负着机组的稳定运行 电网的一次 二次调频率作用。是发电机能够稳定安全运行的先决条件。上文所论述的这套系统在国内 国外中小水电站中成功投运1000余台套。获得用户的一致好评，产生了巨大的社会经济效益。典型项目是亚洲第一高水头1074米的广西天湖电站调。云南玉溪洋发成电站2 x 6 MW 亚洲水头最高的（874米）单喷嘴卧式机组。作者简介：周建波 男 （1982-） 工程硕士 指导教师：电机系系主任 廖勇 教授 供职于重庆水轮机厂有限责任公司控制分公司，主要从事发电机励磁 调速器 微机监控保护方面工作， 工