CN109001580B

CN109001580B - 一种发电机智能电气量变送装置

Info

Publication number: CN109001580B
Application number: CN201811118311.2A
Authority: CN
Inventors: 焦尚彬; 张洪嘉; 张青
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: CN109001580A

Abstract

本发明公开了一种发电机智能电气量变送装置，由输入信号调理模块、信号采集与处理模块、发电机电参量输入输出模块、人机交互模块和双电源供电模块组成。该装置基于ARM高性能32位处理器平台，能够快速、精确测量出发电机的输出频率、有功功率、电压、电流等电参量信息，并将测得的电参量变送为4‑20mA电流信号，供发电机功率自动调节AGC系统和DCS系统实现自动稳定调节。本发明将测得的频率应用于电压信号采样，保证了发电机输出频率发生较大波动时，功率等其它电参量的精确测量与变送。本发明提高了电力系统电参量调节精度和稳定性，以及发电机组电气量变送的集成化、智能化，对保证火电机组的经济稳定运行具有积极作用。

Description

一种发电机智能电气量变送装置

技术领域

一种发电机智能电气量变送装置，本发明涉及发电机电气量测量技术领域，具体涉及一种发电机智能电气量变送装置。

背景技术

频率和功率等电参量是电力系统和电气设备的重要运行参数，它们的精确测量是电力系统和电气设备运行、监测、控制以及继电保护的基础，也是电力系统稳定运行控制和调节的基础。在频率调节方面，目前很多火电机组一次调频实际响应中经常出现调频幅值不足和迟滞问题，造成实际转速反馈偏差较大且迟延时间较长，同时频率信号也经常因为干扰出现偏差，这些导致火电机组因一次调频响应电网负荷的不足造成大范围考核事件时常发生。在功率调节方面，近几年来，由于发电机组并网、跳闸、变压器空载合闸、电力系统故障等原因导致功率变送器输出发生畸变，从而直接导致机组跳闸或自动化装置退出的事故时有发生。传统的模拟变送器，存在响应时间长、抗干扰能力差的缺点，而且传统的变送器由于无法提供暂态信息，严重影响电力系统的稳定性。目前市场上有单独测量频率的数字频率变送器和测量功率的数字功率变送器，这些变送器大多数功能单一、集成度底、大多无上位机数据记录与分析功能，而且频率变送器易受谐波影响，其测量精度(大于0.005Hz)和响应时间有待进一步提高；功率变送器由于没有单独的频率测量单元，在发电机输出频率波动后，因电压采样频率不能及时跟随发电机输出频率的变化，导致功率测量出现较大偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发电机智能电气量变送装置,其集成度高(能实时测量和变送发电机各种电参量)、性能稳定且具有上位机数据分析功能，以解决上述不足。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：一种发电机智能电气量变送装置，由输入信号调理模块、信号采集与处理模块、发电机电参量输入输出模块、人机交互模块和双电源供电模块组成；所述的输入信号调理模块包括频率信号调理电路以及功率信号调理电路；所述频率信号调理电路和功率信号调理电路用于单独实现相应的信号调理功能且具备信号断线切换功能；所述的信号采集与处理模块用于输入信号采样、数字信号滤波与处理、模拟电压输出、开关量输出、RS232显示板通信、RS485上位机通信、IRIG-B码对时功能；所述的发电机电参量输入输出模块包括：电压转输出电流和输入电流转电压两部分，分别用于发电机调节系统给定值的输入和智能变送系统测量电参量的输出；所述的发电机电参量输入输出模块，提供2组共6路电参量信号输出功能和4路电参量信号输入功能，且所变送输出的电参量信号能根据用户需要自行设定；所述的人机交互模块包括：显示板人机交互和上位机人机交互两部分，显示板人机交互用于实时数据显示、系统参数设定、装置调试、测量校准、时间校准、输出设定功能；上位机人机交互用于实时数据显示、历史曲线、故障数据分析功能。

作为本发明进一步方案：所述频率信号调理电路是由滤波电路、过零比较电路、光耦隔离电路组成；所述功率信号调理电路将发电机二次侧输出的三相电流、电压信号经互感器、滤波电路转化为可供A/D转换的正弦信号。

作为本发明进一步方案：该装置采用双ARM的控制方式，主ARM芯片主要完成数据采集、处理、录波、开关量输出控制以及和主机进行数据交换；从ARM芯片主要完成实时数据显示、历史数据查询、故障报警等人机交互工作。

作为本发明进一步方案：所述的双电源供电模块为装置提供两路模拟5V、模拟-5V、数字5V、数字-5V、24V五个等级的电压信号，且两路电源相互独立，保证了系统在一路故障断电情况下继续运行。

作为本发明进一步方案：所述双电源供电模块的两路输入电压为满足工程实际需要，可适应220V交流输入或110V直流输入。

作为本发明进一步方案：该装置具有IRIG-B码对时功能，对装置提供准确的时间信息，方便异常故障分析。

作为本发明进一步方案：该装置具有2路RS485通信功能，方便装置与远程上位机平台和其它设备交换信息。

作为本发明进一步方案：该装置具有6路开关量输出功能，可根据检测到的电参量对DCS系统发出告警信号。

本发明的有益效果是：(1)本发明的装置具有高集成度；能快速、精确测量出发电机的有功功率、无功功率、功率因数、负序电流、频率、A相电压、B相电压、C相电压、AB相电压、BC相电压、CA相电压、负序电压、自产零序电压、A相电流、B相电流、C相电流、自产零序电流，并将上述测得的电参量变送为4-20mA的电流信号，供发电机功率自动调节系统和DCS系统使用。

(2)本发明的装置在发电机输出频率发生较大波动(45—55Hz范围内)时，仍能保证功率等其它电参量的准确测量与变送。采用了与其它电参量测量相独立的频率测量方法，将测得的频率应用于电压信号采样，解决了发电机输出频率波动后，因电压采样频率不能及时跟随发电机输出频率的变化，导致功率测量出现较大偏差这一工程实际问题。

(3)本发明的装置具有上位机人机交互平台，包括实时数据显示、历史曲线、故障数据分析等功能。

(4)本发明的装置增设有IRIG-B码对时功能，对装置提供准确的时间信息，方便异常故障分析。

附图说明

图1为本发明的发电机智能电气量变送装置总体设计框图；

图2为本发明的上位机与信号采集处理模块连接图；

图3为本发明的软件设计流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的阐述。

如图1-3所示，一种发电机智能电气量变送装置，由输入信号调理模块、信号采集与处理模块(CPU)、发电机电参量输入输出模块、人机交互模块和双电源供电模块组成；

所述的输入信号调理模块包括频率信号调理电路以及功率信号调理电路；所述频率信号调理电路是由滤波电路、过零比较电路、光耦隔离电路组成；所述功率信号调理电路将发电机二次侧输出的三相电流、电压信号经互感器、滤波电路转化为可供A/D转换的正弦信号。

所述频率信号调理电路和功率信号调理电路用于单独实现相应的信号调理功能且具备信号断线切换功能；

所述的信号采集与处理模块用于输入信号采样、数字信号滤波与处理、模拟电压输出、开关量输出、RS232显示板通信、RS485上位机通信、IRIG-B码对时功能；

所述的发电机电参量输入输出模块包括：电压转输出电流和输入电流转电压两部分，分别用于发电机调节系统给定值的输入和智能变送系统测量电参量的输出；

所述的发电机电参量输入输出模块，提供2组共6路电参量信号输出功能和4路电参量信号输入功能，且所变送输出的电参量信号能根据用户需要自行设定；

所述的双电源供电模块为装置提供两路模拟5V、模拟-5V、数字5V、数字-5V、24V五个等级的电压信号，且两路电源相互独立，保证了系统在一路故障断电情况下继续运行。所述双电源供电模块的两路输入电压为满足工程实际需要，可适应220V交流输入或110V直流输入。

所述的人机交互模块包括：显示板人机交互和上位机人机交互两部分，显示板人机交互用于实时数据显示、系统参数设定、装置调试、测量校准、时间校准、输出设定功能；上位机人机交互用于实时数据显示、历史曲线、故障数据分析功能。

该装置采用双ARM的控制方式，主ARM芯片主要完成数据采集、处理、录波、开关量输出控制以及和主机进行数据交换；从ARM芯片主要完成实时数据显示、历史数据查询、故障报警等人机交互工作。

该装置具有IRIG-B码对时功能，对装置提供准确的时间信息，方便异常故障分析。该装置具有2路RS485通信功能，方便装置与远程上位机平台和其它设备交换信息；该装置具有6路开关量输出功能，可根据检测到的电参量对DCS系统发出告警信号。

上位机平台负责数据存储、处理和人机交互，变送装置使用RS485硬件作为通信方式，通过MODBUS协议与之通信。开发的上位机界面拥有用户登录设定、参数显示表、实时趋势曲线、历史趋势曲线、故障数据等功能。参数显示表实现了将三相电压、三相电流、功率因数、频率等电参量数据的实时上位机显示，实时趋势曲线可以选定一项数据进行实时曲线的绘制，历史趋势曲线可以选定一项数据绘制出该曲线的历史趋势，故障数据功能可以方便的查询故障时的时间信息、三相电压电流数据以及故障波形。

为本发明的软件设计控制方法流程，其主要有初始化子程序、数据采集子程序、数据处理子程序、误差校正子程序、液晶屏显示子程序、通信子程序、IRIG-B码对时子程序和上位机软件程序等组成。由流程图可知，发电机电参量智能变送系统开始工作时，先进行初始化子程序，对系统时钟、A/D转换和定时器等进行初始化，然后读取FLASH中的定值，接着进行数据采样和处理子程序，并结合相应的数据滤波算法，计算出发电机各个电参量，将电参量变送为对应的4-20mA电流输出，供热工使用。最后，根据计算出的电参量和CT、PT等断线判据，判断是否发生故障或发电机二次侧波形是否存在扰动，并将结果通过人机交互通信在显示屏和上位机平台显示。

综上所述，本发明所揭示的发电机智能电气量变送装置，首先将交流电压信号经频率信号调理电路，输出为可供ARM器件识别的采样信号，同时将三相交流输入信号经三相隔离采样电路后，形成三相电流、三相电压信号的共地跟踪电压信号，通过高精度同步A/D转换器对其进行多点同步采样，采样得到的数据由ARM器件按电工原理计算出被测信号的输出频率、有功功率、无功功率、功率因数、电压、电流等电参量，再经D/A转换器把用户所需的电参量的数字信号转换为模拟量，由定标放大器放大、定标后，形成直流电压输出；输出电压经专用厚膜集成V/I变换器后形成4～20mA直流电流输出，供发电机功率自动调节系统和DCS系统使用。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种发电机智能电气量变送装置，其特征在于：由输入信号调理模块、信号采集与处理模块、发电机电参量输入输出模块、人机交互模块和双电源供电模块组成；所述的输入信号调理模块包括频率信号调理电路以及功率信号调理电路；所述频率信号调理电路和功率信号调理电路用于单独实现相应的信号调理功能且具备信号断线切换功能；所述的信号采集与处理模块用于输入信号采样、数字信号滤波与处理、模拟电压输出、开关量输出、RS232显示板通信、RS485上位机通信、IRIG-B码对时功能；所述的发电机电参量输入输出模块包括：电压转输出电流和输入电流转电压两部分，分别用于发电机调节系统给定值的输入和智能变送系统测量电参量的输出；所述的发电机电参量输入输出模块，提供2组共6路电参量信号输出功能和4路电参量信号输入功能，且所变送输出的电参量信号能根据用户需要自行设定；所述的人机交互模块包括：显示板人机交互和上位机人机交互两部分，显示板人机交互用于实时数据显示、系统参数设定、装置调试、测量校准、时间校准、输出设定功能；上位机人机交互用于实时数据显示、历史曲线、故障数据分析功能；上位机平台负责数据存储、处理和人机交互，变送装置使用RS485硬件作为通信方式，通过MODBUS协议与上位机平台通信。

2.如权利要求1所述的一种发电机智能电气量变送装置，其特征在于：所述频率信号调理电路是由滤波电路、过零比较电路、光耦隔离电路组成；所述功率信号调理电路将发电机二次侧输出的三相电流、电压信号经互感器、滤波电路转化为可供A/D转换的正弦信号。

3.如权利要求1所述的一种发电机智能电气量变送装置，其特征在于：该装置采用双ARM的控制方式，主ARM芯片完成数据采集、处理、录波、开关量输出控制以及和主机进行数据交换；从ARM芯片完成实时数据显示、历史数据查询、故障报警人机交互工作。

4.如权利要求1所述的一种发电机智能电气量变送装置，其特征在于：所述的双电源供电模块为装置提供两路模拟5V、模拟-5V、数字5V、数字-5V、24V五个等级的电压信号，且两路电源相互独立，保证了系统在一路故障断电情况下继续运行。

5.如权利要求4所述的一种发电机智能电气量变送装置，其特征在于：所述双电源供电模块的两路输入电压为满足工程实际需要，可适应220V交流输入或110V直流输入。

6.如权利要求1所述的一种发电机智能电气量变送装置，其特征在于：该装置具有IRIG-B码对时功能，对装置提供准确的时间信息，方便异常故障分析。

7.如权利要求1所述的一种发电机智能电气量变送装置，其特征在于：该装置具有2路RS485通信功能，方便装置与远程上位机平台和其它设备交换信息。

8.如权利要求1所述的一种发电机智能电气量变送装置，其特征在于：该装置具有6路开关量输出功能，可根据检测到的电参量对DCS系统发出告警信号。