CN101505129A - 数字式水轮发电机组综合调节装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明数字式水轮发电机组综合调节装置及其控制方法，装置包括控制器，控制器通过模拟量输入接口分别与霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、电流调理电路、电压调理电路A和电压调理电路B相连接，通过高速数字量输入接口分别与整形电路A、整形电路B、断路器辅助触点和整形电路C相连接，控制器通过高速数字量输出接口分别与脉冲放大电路和断路器相连接，控制器还分别与数字量混合模块和模拟量输入模块相连接。能够通过对电网和发电机参数的测量计算，对发电机组的动态性能进行控制调节。本发明装置集同期、调速和励磁于一体，具有控制性能高、响应时间短、编程容易、调试方便、执行速度快等特点，特别适用于中小型水轮发电机组的综合控制。

Description

数字式水轮发电机组综合调节装置及其控制方法

技术领域

本发明属于电力系统自动控制技术领域，涉及一种适用于中小型水轮发电机组的调节装置，特别涉及一种数字式水轮发电机组综合调节装置，本发明还涉及该装置的控制方法。

背景技术

水轮机调速器、励磁装置及自动准同期装置是水轮发电机组重要的控制设备。水轮机调速器主要用于调节发电机的频率与有功功率，维持电力系统的频率在规定的范围内；励磁装置主要用于调节发电机电压与无功功率；自动准同期装置通过调节调速器与励磁装置给定值改变发电机的电压和频率，当同期条件满足时发出合闸脉冲使发电机机组平稳的并入电网。这些控制设备的性能优劣和可靠性的高低直接影响着电力系统的安全运行。

目前，水电站均采用独立设置的励磁装置、水轮机调速器和自动准同期装置，通过中间继电器或通讯接口传递信号，完成对水轮发电机组的控制。不仅增加了电站设备的投资，而且对许多信号进行了重复性测量，增加了系统的响应时间，降低了控制系统整体的实时性，且信号传递采用物理接线方式，线路故障和外部干扰还会引起误操作，使系统可靠性降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字式水轮发电机组综合调节装置，用于中小型水轮发电机组的控制，解决了现有中小型水轮发电机组的控制装置各自独立控制导致的结构复杂、可靠性低和性能较差的缺点，缩短控制系统的响应时间、提高系统的实时性和可靠性。

本发明的另一目的是提供上述调节装置对中小型水轮发电机组进行综合调节的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种数字式水轮发电机组综合调节装置，包括控制器，控制器通过模拟量输入接口分别与霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、电流调理电路、电压调理电路A和电压调理电路B相连接，控制器还通过高速数字量输入接口分别与整形电路A、整形电路B、断路器辅助触点和整形电路C相连接，控制器通过高速数字量输出接口分别与脉冲放大电路和断路器相连接，控制器还分别与数字量混合模块和模拟量输入模块相连接，控制器为可编程计算机控制器IP161。

本发明所采用的另一技术方案是，一种利用上述综合调节装置进行控制的方法，按以下步骤进行：

步骤1：频率测量

1)电网频率测量

将用于测量电网频率的控制器(11)中时间处理单元TPU的通道A配以输入专用功能模块LTXditA()，该输入专用功能模块在时间处理单元TPU通道A输入方波的上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_a.Time1，在时间处理单元TPU通道A输入方波的下一个上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_a.Time2，该前后两个上升沿的时间差Wtime＝DIT_a.Time2-DIT_a.Time1，然后，根据下式计算电网的频率wfreq：

wfreq＝Fc/Wtime，

式中，Fc为时间处理单元TPU内部时钟的频率6291667HZ；

2)发电机频率测量

将用于测量发电机频率的控制器(11)中时间处理单元TPU的通道B配以输入专用功能模块LTXditB()，该输入专用功能模块在时间处理单元TPU通道B输入方波的上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_b.Time1，在时间处理单元TPU通道B输入方波的下一个上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_b.Time2，该前后两个上升沿的时间差Jttime＝DIT_b.Time2-DIT_b.Time1，则发电机频率Jfreq根据下式计算得到：

Jfreq＝Fc/JTtime，

式中，Fc为时间处理单元TPU内部时钟的频率6291667HZ；

步骤2：电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率测量

1)将电网电压信号通过电压调理电路B(5)接入控制器(11)模拟量输入接口的AI1通道，发电机电压信号通过电压调理电路A(4)接入控制器(11)模拟量输入接口的AI2通道，发电机电流信号通过电流调理电路(3)接入控制器(11)模拟量输入接口的AI3通道，发电机励磁电压信号通过霍尔电压传感器(2)接入控制器(11)模拟量输入接口的AI4通道，发电机励磁电流信号通过霍尔电流传感器(1)接入控制器(11)模拟量输入接口的AI5通道；

2)控制器(11)的初始化输入专用功能模块IP161ca()中设置的AD转换单元将模拟输入的各种信号转换为触发方式，指定用于AD转换结果的缓存区FIFO的地址和容量，在MODE属性中开启FIFO功能并设置为循环采样模式，设置时间处理单元TPU的通道F输出的方波信号为启动AD转换的触发信号；

3)时间处理单元TPU通道F能产生驱动6个AD通道同时采样的触发信号，将该通道F配以输出专用功能模块LTXdpwmF()，将该模块设置为脉宽调制方式，若AD每周期采样点数为n，则

DPWLF的高电平DPWLF.HighTicks＝Fc/n/Jfreq，

DPWLF的低电平DPWLF.LowTicks＝Fc/n/Jfreq，

其中，Fc为时间处理单元TPU内部时钟的频率6291667HZ，Jfreq为实时测得的发电机的频率，DPWLF.HighTicks与DPWLF.LowTicks的时间单位均为时间处理单元TPU内部时钟的周期；

4)在时间处理单元TPU的E通道配置输入专用功能模块LTXdilE()来读取缓存的状态，当DILE.DigIn＝1且缓存读取标志位flag＝1时，通过PCC的高速任务层的程序的程序将缓存前一半的数值存储取到数组AIG的前半部分，并置缓存读取标志位flag＝0，当DILE.DigIn＝0时且缓存读取标志位flag＝0时，通过PCC的高速任务层的程序将缓存后一半的数值存储取到数组AIG的后半部分，置缓存读取标志位flag＝1；

5)利用傅式算法对采样数值进行计算

当数组AIG存满后，利用傅式算法计算第一路的基频分量即为电网电压，利用傅式算法计算第二路的基频分量即为发电机电压，利用傅式算法计算第三路发电机电流，利用傅式算法计算第四路的直流分量即为发电机励磁电压，利用傅式算法计算第五路的基频分量即为发电机励磁电流，发电机的功率因数由第二路采样值和第三路采样值通过傅式算法计算，运用发电机的电压、电流和功率因数即可计算出发电机组的有功功率和无功功率；

步骤3：发电机与电网的相位差测量

1)将TPU通道A配以时间处理单元TPU的输入专用功能模块LTXditA()，将LTXditA()模块设置为电网电压信号上升沿到来时无延时地向B通道发出一个链接信号；

2)将时间处理单元TPU通道B配以输入专用功能模块LTXditB()，该模块设置为接到链接信号时读取时间处理单元TPU内部时钟的时间time0，同时在发电机电压信号上升沿时刻读取时间处理单元TPU内部时钟时间timel，则发电机与电网的相位差ΔT为：

ΔT＝timel—time0，

ΔT的时间单位为时间处理单元TPU内部时钟的周期；

步骤4：发电机频率、电压调整、合闸脉冲输出与断路器的合闸回路动作时间测量

1)控制器(11)接到同期令后，根据实测的系统频率调整发电机频率给定值，根据当前系统电压调整发电机的电压给定值，当频率差与电压差均满足准同期要求时，开始检查相位差是否进入180°～0°区间，并根据发电机一个电压周期的时间Δt与频率差ω_D计算发电机频率和电网频率差值的一阶导数

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_D}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_D-{\mathrm{\ω}}_{D}1}{\mathrm{\Δt}}$

式中，ω_D1是上一次的频率差，单位为赫兹/秒，

根据理想导前时间t_dq计算理想导前角φ_dq：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{dq}}={\mathrm{\ω}}_D{t}_{\mathrm{dq}}\×360+\frac{1}{2}\×\frac{{\mathrm{d\ω}}_D}{\mathrm{dt}}{t}_{\mathrm{dq}}^2\×360$

φ_dq的单位为度，

并计算发电机一个电压周期的相位差变化量Δφ＝ω_DΔt，Δφ的单位为度；

2)将用于合闸脉冲输出的时间处理单元TPU通道7配以时间处理单元TPU的输出专用功能模块LTXdol7()，当φ_dq<φ<Δφ+φ_dq时经过延时t发出合闸脉冲，延时t由下式计算得到

$\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{dq}}={\mathrm{\&omega;}}_{D}t+\frac{1}{2}\&times;\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_D}{\mathrm{dt}}{t}^2$

在编程时设置输出专用功能模块LTXdol7()的LoHiDelay＝t*Fc，HiFilter设置为HiFilter＝t_dp×2×Fc，同时在LTXdol7的输出为上升沿的时刻向TPU通道9发出一个链接信号，LoHiDelay的单位为时间处理单元TPU内部时钟的周期，时间HiFilter对应于合闸脉冲宽度，其时间单位为时间处理单元TPU内部时钟的周期；

步骤5：可控硅触发脉冲输出

控制器(11)高速数字量输出接口的数字输出通道DO0～5分别配以输出专用功能模块LTXdol0～LTXdol5，高速数字通道DO8配以输入专用功能模块LTXdil8()，当同步信号的上升沿到来时，输入专用功能模块LTXdil8()无延时的给输出专用功能模块LTXdol0()发送link信号，输出专用功能模块LTXdol0()经过一定时间的延时LTXdol0.LoHiDelay后输出高电平，该延时的时间由可控硅当前的触发角确定，输出专用功能模块LTXdol0()在发送脉冲信号上升沿时发送LINK信号到驱动高速数字通道DO1的输出专用功能模块LTXdol1()，输出专用功能模块LTXdol1()在发送脉冲上升沿时发送LINK信号到驱动数字通道输出专用功能模块LTXdol2()，依次类推。输出专用功能模块LTXdol1()～LTXdol5()在接收到来自同步通道的LINK信号后经过LoHiDelayl后输出跳变为高电平，保证高电平信号持续时间HiLoDelay，LoHiDelay是发电机电压波形60°角对应的时间内的时间处理单元TPU的周期个数。

本发明综合调节装置具有以下优点：

1.由调理电路、霍尔变送器、整形电路、放大电路和控制器配以软件实现对水轮发电机组的全数字化综合调节与控制，取代了传统的由励磁装置、调速器及同期装置分别完成的对水轮发电机组的调节与控制，提高了水轮发电机组的综合自动化水平以及系统的可靠性。

2.采用控制器PCC(IP161)作为综合调节装置的主控制器。在完成频率测量、同步检测和触发脉冲的基础上引入交流采样，实现了对同步发电机机端电压、电流、发电机功率与励磁电压电流等参数的准确快速测量，提高了调节装置的实时性，同时更好的完成了水轮发电机组励磁、调速和同期之间的协调控制，使水轮发电机组的动静态稳定有了明显的改善，调节品质也有很大提高。

3.将原水轮发电机组的励磁、调速、同期三个控制器设计为一个模块化的综合调节装置，不仅缩短开发周期和便于检修维护，同时大大降低电站对上述设备的投资。

4.采用触摸屏作为人机界面，操作简单方便，并具有存取大量数据、读取参数曲线和进行参数修改等功能。

附图说明

图1是本发明调节装置的结构示意图；

图2是本发明调节装置的电气原理图。

图中，1.霍尔电流传感器，2.霍尔电压传感器，3.电流调理电路，4.电压调理电路A，5.电压调理电路B，6.整形电路A，7.整形电路B，8.断路器辅助触点，9.整形电路C，10.模拟量输入模块，11.控制器，12.通讯接口，13.脉冲放大电路，14.数字量混合模块，15.人机界面，16.全控整流桥，17.断路器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明综合调节装置的结构，如图1所示。包括控制器11，控制器11通过模拟量输入接口的AI5通道、AI4通道、AI3通道、AI2通道和AI1通道分别与霍尔电流传感器1、霍尔电压传感器2、电流调理电路3、电压调理电路A4和电压调理电路B5相连接；控制器11通过高速数字量输入接口的DIA通道、DIB通道、DI9通道和DI8通道分别与整形电路A6、整形电路B7、断路器辅助触点8和整形电路C9相连接；控制器11通过高速数字量输出接口DO0～DO5与脉冲放大电路13相连接，控制器11通过高速数字量输出接口DO7与断路器17相连接；控制器11还分别与模拟量输入模块10、通讯接口12、数字量混合模块14和人机界面15相连接。

模拟量输入模块10采用AI350，数字量混合模块14采用DM486。

全控整流桥16为可控硅全控整流桥。

可编程计算机控制器PCC(IP161)具有可靠性高和速度快的特点，其独有的时间处理单元(TPU)，可应用交流采样对电网电压、发电机电压、电流和功率等量进行测量，可以满足励磁、调速器和同期装置的信号采集、触发脉冲及各控制命令的要求。本发明综合调节装置的控制器11采用可编程计算机控制器IP161，集处理单元CPU和时间处理单元TPU于一体，具有12个可自定义输入输出的高速数字量输入接口，可完成电网频率测量、发电机频率测量、同步信号、触发脉冲、电网电压与发电机压相位差测量等任务，具有六个可自定义输入输出的模拟量输入接口，通过交流采样完成对电网电压、发电机电压、发电机有功功率、发电机无功功率、励磁电压及励磁电流的测量，平均无故障时间(MTBF)可达50万小时。开机、停机、闭合断路器、灭磁和增减开度等信号开关量由带有16路输入/16路输出的数字量混合模块14进行收发，水位、接力器位移等模拟量信号通过模拟量输入模块10接入控制器11。通过控制器11的内部程序协调控制励磁、调速和同期装置，完成对水轮发电机组的控制。

电网电压信号分两路分别送入电压调理电路B5和整形电路A6，电压调理电路B5的输出接入控制器11模拟量接口的AI1通道，对电网电压进行交流采样并计算电压值，整形电路A6输出方波接入控制器11的高速数字量接口的DIA通道，对电网频率进行测量；发电机电压信号分两路分别送入电压调理电路A4和整形电路B7，电压调理电路A4的输出接入控制器11模拟量接口的AI2通道，对发电机电压进行交流采样并计算电压值，整形电路B7输出方波接入控制器11的高速数字量接口的DIB通道，对发电机频率进行测量；发电机电流信号送入电流调理电路3，电流调理电路3的输出接入控制器11模拟量接口的AI3通道，通过DIA通道和DIB通道测量电网频率与发电机频率的同时，完成电网电压与发电机电压相位差的测量，并利用单相电压、电流及二者的相位差计算发电机组的有功与无功；断路器辅助触点8的信号输出接入控制器11高速数字量接口的DI9通道，用来测量断路器17的时间；同步信号接入整形电路C9，整形电路C9将该同步信号变成方波信号后送入控制器11高速数字量接口的DI8通道，用于检测同步脉冲的上升沿。励磁系统可控硅触发脉冲由控制器11高速数字量接口的DO0～DO5通道输出，经脉冲放大电路13放大后输入全控整流桥16；控制器11高速数字量输出接口的DI7通道输出控制断路器17合闸的信号。励磁电压经霍尔电压传感器2接入控制器11模拟量输入接口的AI4通道，对励磁电压进行交流采样计算。励磁电流经霍尔电流传感器1输入控制器11模拟量接口的AI5通道，对励磁电流进行交流采样计算。接力器位移和水位等常规模拟量输入模拟量输入模块10。开停机命令、同期辅助接点信号、灭磁和增减开度等常规的输入输出开关量输入数字量混合模块14。通讯接口12用于与上位监控系统或其它设备进行通讯。人机界面15用于现场显示相关参数以及进行运行方式的设置。

本发明综合调节装置的电气原理示意图，如图2所示，励磁电流通过霍尔电流传感器1转换为电压信号送入控制器11模拟量输入接口的AI5通道进行交流采样并计算励磁电流；励磁电压通过霍尔电压传感器2转换为电压信号送入控制器11模拟量输入接口的AI4通道进行交流采样并计算励磁电压；发电机电流信号接入电流调理电路3中的电流互感器CT，电流互感器CT的一个输出端接地，另一输出端与运算放大器A11的正相输入端相连接，运算放大器A11的输出端与反相输入端相连接，运算放大器A11的输出端还与电阻R12连接，电阻R12与电阻R13串联，电阻R13还与运算放大器A12的反相输入端相连接，电阻R12与电阻R13之间并联有电容C1并，电容C1接地，运算放大器A12的反相输入端与输出端通过电阻R14和电位器RV相连，运算放大器A12的正相输出端通过电阻R15接地，电流互感器CT的两个输出端通过电阻R11连接，电流调理电路3的输出信号送入控制器11模拟量输入接口的AI3通道，进行交流采样并计算发电机电流。发电机电压信号输入电压调理电路A4中的电压互感器PT1，电压互感器PT1的一个输出端接地，另一输出端与运算放大器A21的正向输入端相连接，运算放大器A21的反相输入端与输出端相连接，运算放大器A21的输出端还与电阻R21相连接，电阻R21与电阻R22串联，电阻R22还与运算放大器A22的反相输入端相连接，运算放大器A22的反相输入端与输出端通过串联的电阻R23和电位器RV相连接，电阻R21和电阻R22之间并联有电容C2，电容C2接地，运算放大器A22的正相输出端通过电阻R24接地，电压调理电路A4的输出信号送入控制器11模拟量输入接口的AI2通道进行交流采样并计算发电机电压。电网电压信号输入电压调理电路B5的电压互感器PT2，电压互感器PT2的一个输出端接地，另一输出端与运算放大器A31的正相输入端相连接，运算放大器A31的反相输入端与输出端相连接，运算放大器A31的输出端还与电阻R31连接，电阻R31与电阻R32串联，电阻R32与运算放大器A32的反相输入端相连接，运算放大器A32的反相输入端和输出端通过串联的电阻R33和电位器RV相连接，电阻R31和电阻R32之间并联有电容C3，电容C3接地，运算放大器A32的正相输出端通过电阻R34接地，电压调理电路B5的输出信号送入控制器11模拟量输入接口的AI1通道进行交流采样并计算电网电压。电网电压信号输入整形电路A6中的电阻R41，电阻R41依次与电阻R42、电阻R43和运算放大器A4的反向输入端串联有，电阻R41和电阻R42之间并联有电容C41，电容C41接地，电阻R42和电阻R43之间并联有方向相反的两个二极管D41和二极管D42，电阻R43和运算放大器A4之间并联有电容C42，电容C42接地，运算放大器A4的输出端与电阻R45相连接，电阻R45接地，运算放大器A4的正相输入端接地，电容C42的接地端与运算放大器A4正相输入端之间连接有电阻R44，运算放大器A4输出的信号送入控制器11高速数字量输入接口的DIA通道与发电机电压比较来测量发电机电压和电网电压的相位差，作为交流采样的触发脉冲。发电机电压信号输入整形电路B7后，经整形电路B7处理并输入控制器11高速数字量输入接口的DIB通道。断路器辅助触点8的信号输入控制器11高速数字量输入接口的DI9通道，用来测量断路器的时间。同步信号输入整型电路C9，经整型电路C9处理后输入控制器11高速数字量输入接口的DI8通道，做为可控硅触发脉冲的同步信号，控制器11的高速数字量输入模块捕获到该同步信号的上升沿，经控制算法计算得到延时后，由控制器11高速数字量输出接口的DO0～5通道输出触发脉冲信号，该触发脉冲信号经过由三极管和脉冲变压器组成的脉冲放大电路13处理后，送到全桥整流桥16中可控硅的门极，通过控制可控硅的导通角控制发电机。整形电路A5、整形电路B6与整形电路C9的结构相同；控制器11高速数字量输出接口的DO7通道将断路器合闸信号输送至断路器17。控制器11通过RS232标准接口与人机界面15相连接，用于显示运行状态及输入命令和相关参数。

励磁电流信号经霍尔电流传感器1接入控制器11模拟量输入接口的AI5通道，并采用傅式算法计算励磁电流；励磁电压信号经霍尔电压传感器2接入控制器11模拟量输入接口的AI4通道，并采用傅式算法计算励磁电压；机端电流信号经电流调理电路3接入控制器11模拟量输入接口的AI3通道，并采用傅式算法计算发电机电流；机端电压信号经电压调理电路A4接入控制器11模拟量输入接口的AI2通道，采用傅式算法计算发电机电压，该发电机电压和发电机电流用傅式算法计算发电机功率因数；电网电压信号经电压调理电路B5接入控制器11模拟量输入接口的AI1通道，并采用傅式算法计算电网电压；电网电压信号经整形电路A6接入控制器11高速数字量输入接口的DIA通道用来测量电网频率；发电机电压信号经整形电路B7接入控制器11高速数字量输入接口的DIB通道用来测量发电机频率，并与高速数字量输入接口的DIA通道一起测量发电机电压和电网电压的相角差；断路器辅助触点8接入控制器11高速数字量输入接口的DI9通道用来测量断路器17合闸回路的动作时间；同步信号经整形电路C9接入控制器11高速数字量输入接口的DI8通道作为可控硅触发的同步信号；接力器位移信号、前池水位信号和尾水位信号输入模拟量输入模块10，用来测量导叶开度、前池水位和尾水位。本发明综合调节装置通过通讯接口12与上位机实现通讯；控制器11高速数字量输出接口的DO0～DO5通道发出的可控硅触发信号经脉冲放大电路13接到全控整流桥16实现对可控硅的控制；控制器11高速数字量输出接口的DO7通道发出的断路器合闸信号接入断路器17；数字量输入信号断路器辅助触点、励磁手自动切换、起励信号、灭磁、增加励磁、减少励磁、调速器锁定开、调速器锁定关、调速器开机令、调速器停机令、调速增加和调速减小等信号通过数字量混合模块14接入控制器11，数字量输出过电压指示、励磁故障指示、励磁事故指示、跳灭磁开关、合起励电源、调速器事故、调速器故障、开关阀左通、开关阀右通和同期令指令也由数字量混合模块14输出；人机界面15通过标准串口RS232与控制器11连接。

采用本发明综合调节装置对水轮发电机组进行控制的方法，按以下程序进行：

1.频率测量

1)电网频率测量

将用于测量电网频率的控制器11中时间处理单元TPU的通道A配以输入专用功能模块LTXditA()，该输入专用功能模块在时间处理单元TPU通道A输入方波的上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_a.Time1，在时间处理单元TPU通道A输入方波的下一个上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_a.Time2，该前后两个上升沿的时间差Wtime＝DIT_a.Time2-DIT_a.Time1，然后，根据下式计算电网的频率wfreq：

wfreq＝Fc/Wtime，

式中，Fc为时间处理单元TPU内部时钟的频率6291667HZ。

2)发电机频率测量

将用于测量发电机频率的控制器11中时间处理单元TPU的通道B配以输入专用功能模块LTXditB()，该输入专用功能模块在时间处理单元TPU通道B输入方波的上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_b.Time1，在时间处理单元TPU通道B输入方波的下一个上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_b.Time2，该前后两个上升沿的时间差Jttime＝DIT_b.Time2-DIT_b.Time1，则发电机频率Jfreq根据下式计算得到：

Jfreq＝Fc/JTtime，

式中，Fc为时间处理单元TPU内部时钟的频率6291667HZ。

2.电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率测量

1)电网电压信号通过电压调理电路B5接入控制器11模拟量输入接口的AI1通道，发电机电压信号通过电压调理电路A4接入控制器11模拟量输入接口的AI2通道，发电机电流信号通过电流调理电路3接入控制器11模拟量输入接口的AI3通道，发电机励磁电压信号通过霍尔电压传感器2接入控制器11模拟量输入接口的AI4通道，发电机励磁电流信号通过霍尔电流传感器1接入控制器11模拟量输入接口的AI5通道。

2)控制器11的初始化输入专用功能模块IP161ca()中设置的AD转换单元将模拟输入的各种信号转换为触发方式，指定用于AD转换结果的缓存区FIFO的地址和容量，在MODE属性中开启FIFO功能并设置为循环采样模式，设置时间处理单元TPU的通道F输出的方波信号为启动AD转换的触发信号。

3)时间处理单元TPU通道F能产生驱动6个AD通道同时采样的触发信号，将该通道F配以输出专用功能模块LTXdpwmF()，将该模块设置为脉宽调制方式，若AD每周期采样点数为n，则

DPWLF的高电平DPWLF.HighTicks＝Fc/n/Jfreq，

DPWLF的低电平DPWLF.LowTicks＝Fc/n/Jfreq，

其中，Fc为时间处理单元TPU内部时钟的频率6291667HZ，Jfreq为实时测得的发电机的频率，DPWLF.HighTicks与DPWLF.LowTicks的时间单位均为时间处理单元TPU内部时钟的周期。

4)在时间处理单元TPU的E通道配置输入专用功能模块LTXdilE()来读取缓存的状态，当DILE.DigIn＝1且缓存读取标志位flag＝1时，通过PCC的高速任务层的程序的程序将缓存前一半的数值存储取到数组AIG的前半部分，并置缓存读取标志位flag＝0，当DILE.DigIn＝0时且缓存读取标志位flag＝0时，通过PCC的高速任务层的程序将缓存后一半的数值存储取到数组AIG的后半部分，置缓存读取标志位flag＝1。

5)利用傅式算法对采样数值进行计算

当数组AIG存满后，利用傅式算法计算第一路的基频分量即为电网电压，利用傅式算法计算第二路的基频分量即为发电机电压，利用傅式算法计算第三路发电机电流，利用傅式算法计算第四路的直流分量即为发电机励磁电压，利用傅式算法计算第五路的基频分量即为发电机励磁电流，发电机的功率因数由第二路采样值和第三路采样值通过傅式算法计算，运用发电机的电压、电流和功率因数即可计算出发电机组的有功功率和无功功率。

3.发电机与电网的相位差测量

1)将TPU通道A配以时间处理单元TPU的输入专用功能模块LTXditA()，将LTXditA()模块设置为电网电压信号上升沿到来时无延时地向B通道发出一个链接信号。

2)将时间处理单元TPU通道B配以输入专用功能模块LTXditB()，该模块设置为接到链接信号时读取时间处理单元TPU内部时钟的时间time0，同时在发电机电压信号上升沿时刻读取时间处理单元TPU内部时钟时间time1，time1—time0即为相位差ΔT，其时间单位为时间处理单元TPU内部时钟的周期；

4.发电机频率、电压调整、合闸脉冲输出与断路器的合闸回路动作时间测量

1)控制器11接到同期令后，根据实测的系统频率调整发电机频率给定值，根据当前系统电压调整发电机的电压给定值，当频率差与电压差均满足准同期要求时，开始检查相位差是否进入180°～0°区间，并根据发电机一个电压周期的时间Δt与频率差ω_D计算发电机频率和电网频率差值的一阶导数

$\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_D}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_D-{\mathrm{\&omega;}}_{D}1}{\mathrm{\&Delta;t}}$

式中，ω_D1是上一次的频率差，单位为赫兹/秒，

根据理想导前时间t_dq计算理想导前角φ_dq：

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{dq}}={\mathrm{\&omega;}}_D{t}_{\mathrm{dq}}\&times;360+\frac{1}{2}\&times;\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_D}{\mathrm{dt}}{t}_{\mathrm{dq}}^2\&times;360$

φ_dq的单位为度，t_dq为导前时间，

计算发电机一个电压周期的相位差变化量Δφ＝ω_DΔt，Δφ的单位为度。

2)将用于合闸脉冲输出的时间处理单元TPU通道7配以时间处理单元TPU的输出专用功能模块LTXdol7()，在当前相位差φ处于φ_dq<φ<Δφ+φ_dq时经过延时t发出合闸脉冲，延时t由下式计算得到

$\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{dq}}={\mathrm{\&omega;}}_{D}t+\frac{1}{2}\&times;\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_D}{\mathrm{dt}}{t}^2$

在编程时设置输出专用功能模块LTXdol7()的LoHiDelay＝t*Fc，HiFilter设置为HiFilter＝t_dp×2×Fc，同时在LTXdol7的输出为上升沿的时刻向TPU通道9发出一个链接信号，LoHiDelay的单位为时间处理单元TPU内部时钟的周期，时间HiFilter对应于合闸脉冲宽度，其时间单位为时间处理单元TPU内部时钟的周期。

5.可控硅触发脉冲输出

控制器11高速数字量输出接口的数字输出通道DO0～5分别配以输出专用功能模块LTXdol0～LTXdol5，高速数字通道DO8配以输入专用功能模块LTXdil8()，当同步信号的上升沿到来时，输入专用功能模块LTXdil8()无延时的给输出专用功能模块LTXdol0()发送link信号，输出专用功能模块LTXdol0()经过一定时间的延时LTXdol0.LoHiDelay后输出高电平，该延时的时间由可控硅当前的触发角确定，输出专用功能模块LTXdol0()在发送脉冲信号上升沿时发送LINK信号到驱动高速数字通道DO1的输出专用功能模块LTXdol1()，输出专用功能模块LTXdol1()在发送脉冲上升沿时发送LINK信号到驱动数字通道输出专用功能模块LTXdol2()，依次类推。输出专用功能模块LTXdol1()～LTXdol5()在接收到来自同步通道的LINK信号后经过LoHiDelay1后输出跳变为高电平，保证高电平信号持续时间HiLoDelay。LoHiDelay是发电机电压波形60°角对应的时间内的时间处理单元TPU的周期个数。

本发明综合调节装置控制器11的内置软件程序通过专用功能模块实现对系统电压、机端电压、发电机电流、励磁电压、励磁电流、功率因数、有功功率、无功功率、频率和合闸时间的测量，完成触发脉冲、合闸脉冲、开关阀控制信号的发出，实现水轮发电机组励磁、调速及同期的综合控制；利用输入专用功能模块LTXditB()链接输出专用功能模块LTXdpwlF()实现同步采样，通过设置输出专用功能模块LTXdpwlF()函数的内部边沿计数器DPWLF.CmpCnt及根据实测机频设置DPWLF.HighTicks和DPWLF.LowTicks实现每周期定点数同步采样，通过输入专用功能模块LTXdilE()函数的DILE.DigIn的状态和一个标志位flag实现对缓存数据的顺序读取及励磁控制程序执行周期的控制；采用恒定越前时间的同期控制算法，利用输出专用功能模块LTXdol7()函数实现合闸脉冲发出，利用输入专用功能模块LTXdit9()函数实现导前时间的测量，利用输入专用功能模块LTXditA()和输入专用功能模块LTXditB()函数中DITa.Time1、DITb.Time1及DITb.Time0实现对系统频率、发电机频率及发电机与系统相位差的测量。

本发明调节装置的工作过程：

开机过程：该调节装置上电后自动对系统电压、系统频率等参数进行测量。得到开机令，本调节装置判断满足开机条件后，通过数字量混合模块14输出开关量，通过该开关量驱动数字阀调节接力器，使水轮机导叶开启，同时本发明调节装置对发电机频率进行测量，并通过调节程序调节接力器的开度，使水轮发电机频率跟踪电网频率；当发电机转速达到额定转速95％以上且本调节装置接到起励命令后，将励磁投入，本调节装置测量发电机的机端电压值，并通过调节程序控制可控硅的导通角的脉冲，调节励磁电流的大小，使发电机组的机端电压跟踪电网电压；开机过程各数据存入存储器中，通过人机界面15可以进行查询。

开机过程结束后，开始自动准同期过程，本调节装置同时监测发电机电压、频率和电网系统的电压、频率，当发电机电压和电网电压的相角差在180°～0°区间时，开始合闸时间计算，在发出合闸脉冲后检测导前时间，并记录从合闸脉冲发出到合闸后的一段时间的发电机电压、电流、电网电压、发电机频率、电网频率、发电机和电网的相角差的数据并存入存储器，作为同期数据通过人机界面15可以进行查询。

发电状态：发电机并入电网以后，发电机进入发电运行状态，通过人机界面输入发电机调速的调节模式，该调节模式包括功率调节模式、频率调节模式、开度调节模式和水位调节模式。当发电机频率超限时自动切换到频率调节模式。励磁的运行方式有恒机端电压运行方式、恒无功运行方式和恒功率因素运行方式。调速和励磁都可实现无扰动的手动、自动切换，本调节装置还带有励磁强励功能、防空载误强励功能、低频限制功能、伏赫限制功能、过励限制保护功能和过电压保护功能。

停机过程：当接到停机命令后，本调节装置逐渐将机组的有功功率和无功功率减小到零，再断开断路器17；然后，开始逆变灭磁，若逆变灭磁失败，则跳灭磁开关灭磁，同时将进一步关闭导叶开度到零，发电机的转速降低，停机过程结束。

紧急/事故停机：当系统发生事故或需要紧急停机，此时，继电器动作，本调节装置迅速跳开断路器17，跳开灭磁开关灭磁，将导叶关闭，使发电机组停机并记录各项数据。

本发明调节装置能够测量电网的频率、电压、电流和发电机的频率、电压、电流、功率以及发电机与电网的相位差；在自动准同期的过程中调整发电机电压和频率的给定值，根据发电机与电网的频率差及其频差的变化率和导前时间来计算捕获合闸脉冲的发出时刻，在合闸脉冲发出后进行一次合闸回路动作时间的测量，励磁控制根据实测的发电机电压和电压给定值计算出可控硅的触发角度，触发脉冲输出根据触发角度完成触发脉冲的输出，调速控制根据水轮机转速、功率和导叶开度计算出导叶开度的调节量，随动系统控制将导叶开度的调节量转化为开关阀控制信号；通讯完成对人机界面和上位机的通讯。

本发明装置将同期、调速和励磁综合到一起，省去了很多重复的测量和中间继电器，这不仅降低了整个系统的硬件成本还提高了控制性能，采用交流采样计算电压、电流，使得综合调节装置的响应时间更短，水轮发电机组的动态性能得到很好的保证，使用可编程计算机控制器PCC(IP161)作为水轮发电机组综合调节装置在具有高可靠性的同时，又具有编程容易、开发周期短、调试方便、执行速度快、成本低等特点特别适用于中小型水轮发电机组的综合控制。

Claims (6)

1.一种数字式水轮发电机组综合调节装置，其特征在于，包括控制器(11)，控制器(11)通过模拟量输入接口分别与霍尔电流传感器(1)、霍尔电压传感器(2)、电流调理电路(3)、电压调理电路A(4)和电压调理电路B(5)相连接，控制器(11)还通过高速数字量输入接口分别与整形电路A(6)、整形电路B(7)、断路器辅助触点(8)和整形电路C(9)相连接，控制器(11)通过高速数字量输出接口分别与脉冲放大电路(13)和断路器(17)相连接，控制器(11)还分别与数字量混合模块(14)和模拟量输入模块(10)相连接，所述的控制器(11)为可编程计算机控制器IP161。

2.根据权利要求1所述的综合调节装置，其特征在于，所述的控制器(11)与通讯接口(12)相连接。

3.根据权利要求1所述的综合调节装置，其特征在于，所述的控制器(11)与人机界面(15)相连接。

4.根据权利要求1所述的综合调节装置，其特征在于，所述的模拟量输入模块(10)采用AI350。

5.根据权利要求1所述的综合调节装置，其特征在于，所述的数字量混合模块(14)采用DM486。

6.一种利用权利要求1所述综合调节装置进行控制的方法，其特征在于，按以下步骤进行：

步骤1：频率测量

1)电网频率测量

将用于测量电网频率的控制器(11)中时间处理单元TPU的通道A配以输入专用功能模块LTXditA()，该输入专用功能模块在时间处理单元TPU通道A输入方波的上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_a.Time1，在时间处理单元TPU通道A输入方波的下一个上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_a.Time2，该前后两个上升沿的时间差Wtime＝DIT_a.Time2-DIT_a.Time1，然后，根据下式计算电网的频率wfreq：

wfreq＝Fc/Wtime，

式中，Fc为时间处理单元TPU内部时钟的频率6291667HZ；

2)发电机频率测量

将用于测量发电机频率的控制器(11)中时间处理单元TPU的通道B配以输入专用功能模块LTXditB()，该输入专用功能模块在时间处理单元TPU通道B输入方波的上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_b.Time1，在时间处理单元TPU通道B输入方波的下一个上升沿时读取时间处理单元TPU内部计数器的数值DIT_b.Time2，该前后两个上升沿的时间差Jttime＝DIT_b.Time2-DIT_b.Time1，则发电机频率Jfreq根据下式计算得到：

Jfreq＝Fc/JTtime，

式中，Fc为时间处理单元TPU内部时钟的频率6291667HZ；

步骤2：电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率测量

1)将电网电压信号通过电压调理电路B(5)接入控制器(11)模拟量输入接口的AI1通道，发电机电压信号通过电压调理电路A(4)接入控制器(11)模拟量输入接口的AI2通道，发电机电流信号通过电流调理电路(3)接入控制器(11)模拟量输入接口的AI3通道，发电机励磁电压信号通过霍尔电压传感器(2)接入控制器(11)模拟量输入接口的AI4通道，发电机励磁电流信号通过霍尔电流传感器(1)接入控制器(11)模拟量输入接口的AI5通道；

2)控制器(11)的初始化输入专用功能模块IP161ca()中设置的AD转换单元将模拟输入的各种信号转换为触发方式，指定用于AD转换结果的缓存区FIFO的地址和容量，在MODE属性中开启FIFO功能并设置为循环采样模式，设置时间处理单元TPU的通道F输出的方波信号为启动AD转换的触发信号；

3)时间处理单元TPU通道F能产生驱动6个AD通道同时采样的触发信号，将该通道F配以输出专用功能模块LTXdpwmF()，将该模块设置为脉宽调制方式，若AD每周期采样点数为n，则

DPWLF的高电平DPWLF.HighTicks＝Fc/n/Jfreq，

DPWLF的低电平DPWLF.LowTicks＝Fc/n/Jfreq，

其中，Fc为时间处理单元TPU内部时钟的频率6291667HZ，Jfreq为实时测得的发电机的频率，DPWLF.HighTicks与DPWLF.LowTicks的时间单位均为时间处理单元TPU内部时钟的周期；

4)在时间处理单元TPU的E通道配置输入专用功能模块LTXdilE()来读取缓存的状态，当DILE.DigIn＝1且缓存读取标志位flag＝1时，通过PCC的高速任务层的程序的程序将缓存前一半的数值存储取到数组AIG的前半部分，并置缓存读取标志位flag＝0，当DILE.DigIn＝0时且缓存读取标志位flag＝0时，通过PCC的高速任务层的程序将缓存后一半的数值存储取到数组AIG的后半部分，置缓存读取标志位flag＝1；

5)利用傅式算法对采样数值进行计算

当数组AIG存满后，利用傅式算法计算第一路的基频分量即为电网电压，利用傅式算法计算第二路的基频分量即为发电机电压，利用傅式算法计算第三路发电机电流，利用傅式算法计算第四路的直流分量即为发电机励磁电压，利用傅式算法计算第五路的基频分量即为发电机励磁电流，发电机的功率因数由第二路采样值和第三路采样值通过傅式算法计算，运用发电机的电压、电流和功率因数即可计算出发电机组的有功功率和无功功率；

步骤3：发电机与电网的相位差测量

1)将TPU通道A配以时间处理单元TPU的输入专用功能模块LTXditA()，将LTXditA()模块设置为电网电压信号上升沿到来时无延时地向B通道发出一个链接信号；

2)将时间处理单元TPU通道B配以输入专用功能模块LTXditB()，该模块设置为接到链接信号时读取时间处理单元TPU内部时钟的时间time0，同时在发电机电压信号上升沿时刻读取时间处理单元TPU内部时钟时间time1，则发电机与电网的相位差ΔT为：

ΔT＝time1—time0，

ΔT的时间单位为时间处理单元TPU内部时钟的周期；

步骤4：发电机频率、电压调整、合闸脉冲输出与断路器的合闸回路动作时间测量

1)控制器(11)接到同期令后，根据实测的系统频率调整发电机频率给定值，根据当前系统电压调整发电机的电压给定值，当频率差与电压差均满足准同期要求时，开始检查相位差是否进入180°～0°区间，并根据发电机一个电压周期的时间Δt与频率差ω_D计算发电机频率和电网频率差值的一阶导数

$\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_D}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_D-{\mathrm{\&omega;}}_{D}1}{\mathrm{\&Delta;t}}$

式中，ω_D1是上一次的频率差，单位为赫兹/秒，

根据理想导前时间t_dq计算理想导前角φ_dq：

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{dq}}={\mathrm{\&omega;}}_D{t}_{\mathrm{dq}}\&times;360+\frac{1}{2}\&times;\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_D}{\mathrm{dt}}{t}_{\mathrm{dq}}^2\&times;360$

φ_dq的单位为度，

并计算发电机一个电压周期的相位差变化量Δφ＝ω_DΔt，Δφ的单位为度；

2)将用于合闸脉冲输出的时间处理单元TPU通道7配以时间处理单元TPU的输出专用功能模块LTXdol7()，当φ_dq<φ<Δφ+φ_dq时经过延时t发出合闸脉冲，延时t由下式计算得到

$\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{dq}}={\mathrm{\&omega;}}_{D}t+\frac{1}{2}\&times;\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_D}{\mathrm{dt}}{t}^2$

在编程时设置输出专用功能模块LTXdol7()的LoHiDelay＝t*Fc，HiFilter设置为HiFilter＝t_dp×2×Fc，同时在LTXdol7的输出为上升沿的时刻向TPU通道9发出一个链接信号，LoHiDelay的单位为时间处理单元TPU内部时钟的周期，时间HiFilter对应于合闸脉冲宽度，其时间单位为时间处理单元TPU内部时钟的周期；

步骤5：可控硅触发脉冲输出

控制器(11)高速数字量输出接口的数字输出通道DO0～5分别配以输出专用功能模块LTXdol0～LTXdol5，高速数字通道DO8配以输入专用功能模块LTXdil8()，当同步信号的上升沿到来时，输入专用功能模块LTXdil8()无延时的给输出专用功能模块LTXdol0()发送link信号，输出专用功能模块LTXdol0()经过一定时间的延时LTXdol0.LoHiDelay后输出高电平，该延时的时间由可控硅当前的触发角确定，输出专用功能模块LTXdol0()在发送脉冲信号上升沿时发送LINK信号到驱动高速数字通道DO1的输出专用功能模块LTXdol1()，输出专用功能模块LTXdol1()在发送脉冲上升沿时发送LINK信号到驱动数字通道输出专用功能模块LTXdol2()，依次类推。输出专用功能模块LTXdol1()～LTXdol5()在接收到来自同步通道的LINK信号后经过LoHiDelay1后输出跳变为高电平，保证高电平信号持续时间HiLoDelay，LoHiDelay是发电机电压波形60°角对应的时间内的时间处理单元TPU的周期个数。

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