CN201794708U - 实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，包括CPU板、电源板和信号处理板，其特征在于：所述CPU板分别与信号处理板的转速/频率测量处理电路、开关量输入/输出隔离电路、模拟量输入处理电路、模拟量输出处理电路及通讯接口相连，所述通讯接口与调试计算机相接，所述模拟量输出处理电路引出综合输出信号至比例伺服阀及功放，并引出模拟输出信号表示接力器行程；所述模拟量输入处理电路分别与主接力器位置信号线、主配压阀位置信号线、伺服比例阀位置信号线、控制器输出信号线相连；所述转速/频率测量处理电路与机组频率或转速信号线相连。本实用新型不需要引入机械反馈可实现调速器手动操作时主接力器的闭环控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种水轮发电机组调速系统，尤其是涉及一种实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，属于电力系统自动控制技术领域。
背景技术
上世纪八十年代以前，我国水电站调速器大多采用了带机械反馈的机械式手动操作机构，这种机构安装复杂，操作精度差，很难准确控制水轮机的转速和负荷。随着电子器件可靠性和集成度的提高，为简化调速器系统机构，逐渐开始改用电气开度限制和电气手动操作方式，由于这种方式取消了接力器的机械反馈装置，方便了调速器在电站中的布置。受到设计院和用户的欢迎，近十年来采用这种操作方式的调速器逐渐增多。目前国外调速器也大多采用这种方式，如已经投产的大型水电站：三峡、龙滩、百龙滩、鲁布革等。
相近似的技术方案：水轮机调速器的手动控制没有采用专门的控制模块，而是使用按钮或选择把手，操作员按动按钮时，增加或减少脉冲直接控制电磁阀(或进入控制器，通过控制器来控制电磁阀)，输出液压油控制主配压阀，从而控制主接力器动作。
现有水轮发电机组调速系统手动控制的缺点主要有：
1)早期带机械反馈的机械式手动操作机构，目前还有部分电站在使用，但已经不再推广，这种机构缺点是制造成本高，安装复杂，操作精度差，很难准确控制水轮机主接力器的位置。
2)现在使用的调速器电手动操作机构，是通过主配压阀自动回复中位来保证主接力器稳定在某个位置，是开环手动操作。操作时，主配压阀偏离中位，配油，主接力器动作，停止操作时，主配压阀回复中位，停止配油，主接力器保持当前位置。这种方式缺点是：由于没有引入主接力器反馈，手动控制是开环控制，若主接力器两腔有渗漏(一般都有)，就会产生位置漂移，危害机组安全；
另外，由于主配压阀的死区非常小(一般单边小于0.3mm)，每次动作结束不可 能完全回复到精确中位，稍有偏离，就可能造成主配压阀回复不到位，产生接力器漂移。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是取消机械操作机构、各类液压阀件，完成水轮机调速器的闭环手动操作，提高调速器手动控制的性能、可靠性，保障机组安全。
采用微控制器、电子传感元件等组成独立的智能手动闭环控制器，并引入主配压阀位置信号、转速测量信号、过速保护信号、液压元件故障检测信号等，
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，包括CPU板、电源板和信号处理板，其特征在于：所述CPU板分别与信号处理板的转速/频率测量处理电路、开关量输入隔离电路、开关量输出隔离电路、模拟量输入处理电路、模拟量输出处理电路及通讯接口相连，所述通讯接口与调试计算机相接，所述模拟量输出处理电路引出综合输出信号至比例伺服阀及功放，并引出模拟输出信号表示接力器行程(可用于仪表显示)；所述模拟量输入处理电路分别与主接力器位置信号线、主配压阀位置信号线、伺服比例阀位置信号线、控制器输出信号线相连；所述转速/频率测量处理电路与机组频率或转速信号线相连。
所述模拟输入处理电路包括模拟量单端输入处理电路和模拟量差动输入处理电路，其中主接力器位置反馈信号接入模拟量单端输入处理电路，主配压阀位置信号、伺服比例阀位置信号、控制器输出信号接入模拟量差动输入处理电路。
所述模拟量单端输入处理电路包括输入电压增益调整电路、二阶有源滤波电路、电压反向电路、二级管钳位电路，模拟信号经过电压增益调整电路(U12A，W1，R34，R33)变换到0到-5V范围，再通过二阶有源滤波电路(U12A，R33，C30，R35，C31)滤去高频信号，再经过电压反向电路(U12B，R37，R39)，变换为0到+5V，最后通过二级管钳位电路(D3，D4)，限制输入信号不超过钳位电压，保护AD输入，最后送到CPU的AD通道采集。
所述模拟量差动输入处理电路包括差动输入接口电路、反向增益调整电路、 偏置电路、二级管钳位电路，模拟信号经过差动输入接口电路(R63，R64，U16A及周边元件)，变换到+10V～-10V范围，再通过电压反向增益调整电路(R67，R69，U16B)，变换到-2.5V～+2.5V，再通过+2.5V偏置电路(R71及U15B组成)，变换为0～+5V，最后通过二级管钳位电路(D9，D10)，送到CPU的AD通道采集。
所述模拟量输出处理电路包括模拟量电压输出处理电路和模拟量电流输出处理电路，所述模拟量输出处理电路包括模拟量电压输出处理电路和模拟量电流输出处理电路，其中模拟量电压输出处理电路的电压输出表示综合输出信号，用于控制比例伺服阀功放，模拟量电流输出处理电路的电流输出表示接力器行程的模拟信号，用于仪表显示。其中电压输出表示综合输出信号(范围为-10V-10V)用于控制比例伺服阀功放，电流输出表示接力器行程的模拟信号(0-20mA)，用于仪表显示。
所述模拟量电压输出处理电路包括PWM波产生电路(由CPU采集各行程反馈信号，经过与设定值比较再综合变换后，通过片上集成的PWM通道产生)，PWM波滤波电路、电压增益调整电路。所述PWM波产生电路包括CPU片上集成的PWM通道，由CPU产生高频PWM波后，经过滤波积分电路(U23B，R94，R95，C64)，变换成0到-5V直流信号，再经过电压增益调整电路(U18及周边元件)，最后变换成0到+10V信号输出。
所述模拟量电流输出处理电路包括PWM波产生电路(由CPU采集接力器行程经过相应计算变换后，通过片上集成的PWM通道产生)、PWM波滤波电路、电压/电流变换电路、增益调整电路。电路连接如图5，由CPU产生高频PWM波后，先经过滤波积分电路(R89，R91，C60)，变换成0到-5V直流信号，再经过电压/电流变换(U19A，U19B，T1及周边电路)以及增益调整电路(W2)，最后变换成0到20mA信号输出。
所述转速/频率测量处理电路用于采集发电机转速或频率，包括二极管钳位电路、二阶有源滤波电路、过零点比较电路，光耦隔离电路。电路连接如图6，需要采集的信号先通过二极管钳位电路(Z1，Z2组成)，再通过二阶有源滤波电路(U10A及周边电阻电容组成)，滤去高频信号，然后经过过零点比较(U10B及周边电路)，变成方波后再通过光耦隔离电路(U9C)变成0-5V的标准方波信 号，通过上述变换，可将幅值不等的转速/频率脉冲或正弦信号转换成标准方波信号输入CPU的高速输入通道进行测量。
本实用新型所达到的有益效果：本实用新型主要解决了水电站水轮机调速器手动控制机组负荷或转速时，因主接力器或主配压阀的泄漏产生的漂移问题。本实用新型可操作主接力器于任意位置并保持其稳定性，具有较高的可靠性及控制精度，在手动操作时，若机组突然甩负荷，可自动操作主接力器至空载开度。
附图说明
图1为智能装置的基本组成及原理图；
图2为智能装置的模拟量单端输入处理电路图；
图3为智能装置的模拟量差动输入处理电路图；
图4为智能装置的模拟量电压输出处理电路图；
图5为智能装置的模拟量电流输出处理电路图；
图6为智能装置的转速/频率测量处理电路图；
图7为智能装置控制系统软件框图；
图8为伺服比例阀卡涩判断框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型的一种实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，包括CPU板、电源板和信号处理板，所述CPU板分别与信号处理板的转速/频率测量处理电路、开关量输入隔离电路、开关量输出隔离电路、模拟量输入处理电路、模拟量输出处理电路及通讯接口相连，所述通讯接口与调试计算机相接，所述模拟量输出处理电路引出综合输出信号至比例伺服阀及功放，并引出模拟输出信号表示接力器行程；所述模拟量输入处理电路分别与主接力器位置信号线、主配压阀位置信号线、伺服比例阀位置信号线、控制器输出信号线相连；所述转速/频率测量处理电路与机组频率或转速信号线相连。
由图1看出，智能装置需要的基本信号包括：
模拟量输入：主接力器位置信号、主配压阀位置信号、伺服比例阀位置信 号、控制器A(B)输出控制信号；
脉冲量输入：机组频率或转速信号；
开关量输入：手动切换、手动增加、手动减少、机组断路器位置；
开关量输出：故障报警、切换阀控制、手动状态；
模拟量输出：综合输出(控制伺服比例阀)、主接力器位置(给模拟表显示)；
通讯接口：具有一个标准RS232全双工串行异步接口。
电源输入：18-36VDC，宽电压范围输入，消耗电流：0.5A。
智能装置的模拟输入电路如图2、图3所示，其中单端输入电路由输入电压增益调整电路、二阶有源滤波电路、电压反向、二级管钳位电路组成，主要用于4-20mA(或0-5V)信号输入，如主接力器位置反馈等。差动输入由差动输入接口电路、反向、偏置电路、二级管钳位电路组成，主要用于-10V-+10V信号输入，如主配压阀、伺服比例阀位置反馈等。
智能装置的模拟输出电路如图4、图5所示。其中，电压输出电路由PWM波产生电路，PWM波滤波电路、电压增益调整电路组成，可输出-10V-+10V信号，用于伺服比例阀控制。电流输出电路由PWM波产生电路、PWM波滤波电路、电压/电流变换电路、增益调整电路组成，可产生0-20mA电流信号，形成主接力器位置信号输出。
转速/频率测量处理电路如图6所示，其中与发电机转速成比例的方波信号经过二极管钳位电路、二阶有源滤波电路、过零点比较电路，光耦隔离电路组成，最后输入CPU的高速输入口进行测量。
智能装置的软件设计
参见图7，软件主要分三部分：
第一部分是手动时导叶接力器闭环PID1控制和主配压阀闭环PID2控制，第二部分是伺服比例阀和主配压阀卡涩判断和报警，第三是过速保护。第一部分：自动情况下，导叶给定自动跟踪反馈，PID1模块不起作用。手动时，导叶给定在当前反馈基础上接受用户手动增减(速率可以设置)，通过导叶闭环PID1和主配闭环PID2模块调节导叶到要求位置，由于引入了主配反馈，控制系统的稳定性和动态响应得到了较大提高。
第二部分：伺服比例阀卡涩检测主要有两个方法(见图8)，一是检测在稳定状态下(主接力器不动，即伺服比例阀输出流量等于零或它的阀芯位移为中位时)伺服比例阀的输入电流的绝对值，如果大于设定的阀值则判断为伺服比例阀卡涩。二是在大幅度的调节过程，伺服比例阀的输入电流比较大，这时检测输入电流与阀芯位移之间的差值的绝对值是否超过设定的阀值。两种方法判据的具体的实现有所区别。
主配压阀的卡涩检测方法与伺服比例阀相同，若智能装置判断出伺服比例阀或主配压阀卡阻故障，则输出报警信号。
第三部分：过速保护主要考虑当手动时，机组现地或远方甩负荷，智能装置可自动关闭导叶接力器到空载开度，维持转速基本在额定转速附近。
该装置主要用于配合ZFL型及ZFL-FC型调速器液压调节装置的伺服比例阀控制、、主配压阀反馈控制及手动闭环控制。它引入了伺服比例阀反馈、主配压阀位置反馈、主接力器位置反馈，手动控制时采用主接力器位置反馈作为闭环，防止了调速器手动运行时主接力器的漂移。此外，该智能装置还具备伺服比例阀、主配压阀、主接力器三种位置反馈的在线监视、断线报警及保护功能，在伺服比例阀、主配压阀位置反馈断线时，可以根据需要切除伺服比例阀控制信号并输出报警信号。
采用该智能装置作为水轮机微机调速器的电气闭环手动控制器，可以大大简化调速器的布置和结构，不需要引入机械反馈，实现调速器手动操作时主接力器的闭环控制。另外，还可以大大丰富手动操作的功能，如过速保护、主要液压元件卡涩检测、主配压阀、导叶接力器位置监视、数字信息显示等，可以在很大程度上提高调速系统手动控制时的稳定性和调节性能。同时，采用微机及传感元件组成的闭环位置控制系统也是调速器机械部分逐步向电子化发展的一个方向。
相关技术术语的名词解释
水轮机调速器：水电站中，控制水轮发电机组转速及功率的控制设备。
调速器的自动控制：由电站监控系统根据电网要求发出开、停机、增减负荷等 指令给水轮机调速器，以达到控制机组负荷或转速的目的。
调速器的手动控制：由电站运行人员根据电网要求手动操作水轮机调速器，以达到控制机组负荷或转速的目的。
主配压阀：通过阀芯位置改变，对液压油流量、方向信号进行放大和转变的液压元件。
伺服比例阀：将输入的电流信号按比例的转换成液压流量信号的液压元件，且流量的方向也可以根据电流的大小来改变。
主接力器：导叶接力器，连接水轮机控制环，推动水轮机导叶，从而改变水轮机的输入流量的油缸和活塞。
以上已以较佳实施例公开了本实用新型，然其并非用以限制本实用新型，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，包括CPU板、电源板和信号处理板，其特征在于：所述CPU板分别与信号处理板的转速/频率测量处理电路、开关量输入隔离电路、开关量输出隔离电路、模拟量输入处理电路、模拟量输出处理电路及通讯接口相连，所述通讯接口与调试计算机相接，所述模拟量输出处理电路引出综合输出信号至比例伺服阀及功放，并引出模拟输出信号表示接力器行程；所述模拟量输入处理电路分别与主接力器位置信号线、主配压阀位置信号线、伺服比例阀位置信号线、控制器输出信号线相连；所述转速/频率测量处理电路与机组频率或转速信号线相连。
2.根据权利要求1所述的实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，其特征在于：所述模拟输入处理电路包括模拟量单端输入处理电路和模拟量差动输入处理电路，其中主接力器位置反馈信号接入模拟量单端输入处理电路，主配压阀位置信号、伺服比例阀位置信号、控制器输出信号接入模拟量差动输入处理电路。
3.根据权利要求2所述的实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，其特征在于：所述模拟量单端输入处理电路包括输入电压增益调整电路、二阶有源滤波电路、电压反向电路、二级管钳位电路，模拟信号经过电压增益调整电路变换到0到-5V范围，再通过二阶有源滤波电路滤去高频信号，再经过电压反向电路变换为0到+5V，最后通过二级管钳位电路限制输入信号不超过钳位电压，保护AD输入，最后送到CPU的AD通道采集。
4.根据权利要求2所述的实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，其特征在于：所述模拟量差动输入处理电路包括差动输入接口电路、反向增益调整电路、偏置电路、二级管钳位电路，模拟信号经过差动输入接口电路变换到+10V～-10V范围，再通过电压反向增益调整电路变换到-2.5V～+2.5V，再通过+2.5V偏置电路变换为0～+5V，最后通过二级管钳位电路送到CPU的AD通道采集。
5.根据权利要求1所述的实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，其特征在于：所述模拟量输出处理电路包括模拟量电压输出处理电路和模拟量电流输出处理电路，其中模拟量电压输出处理电路的电压输出表示综合输出信号，用于控制比例伺服阀功放，模拟量电流输出处理电路的电流输出表示接力器行程的模拟信号，用于仪表显示。
6.根据权利要求5所述的实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，其特征在于：所述模拟量电压输出处理电路包括PWM波产生电路，PWM波滤波电路、电压增益调整电路，所述PWM波产生电路包括CPU片上集成的PWM通道，由CPU产生高频PWM波后，经过滤波积分电路变换成0到-5V直流信号，再经过电压增益调整电路最后变换成0到+10V信号输出。
7.根据权利要求5所述的实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，其特征在于：所述模拟量电流输出处理电路包括PWM波产生电路、PWM波滤波电路、电压/电流变换电路、增益调整电路，由CPU产生高频PWM波后，先经过滤波积分电路变换成0到-5V直流信号，再经过电压/电流变换以及增益调整电路，最后变换成0到20mA信号输出。
8.根据权利要求1所述的实现水轮发电机组调速系统手动闭环控制的智能装置，其特征在于：所述转速/频率测量处理电路用于采集发电机转速或频率，包括二极管钳位电路、二阶有源滤波电路、过零点比较电路，光耦隔离电路，需要采集的信号先通过二极管钳位电路，再通过二阶有源滤波电路滤去高频信号，然后经过过零点比较电路变成方波后再通过光耦隔离电路变成0-5V的标准方波信号，输入CPU的高速输入通道进行测量。
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- 2010-04-13 CN CN2010201565849U patent/CN201794708U/zh not_active Expired - Lifetime
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