黄业华，潘熙和，孟佐宏，李 华

（1.长江科学院长江控制设备研究所，湖北 武汉 430010；2.湖南省电力公司科学研究院，湖南 长沙 410007；3.陕西电力科学研究院，陕西 西安 710054）

现代微机转速信号装置设计与功能完善探讨

黄业华1，潘熙和1，孟佐宏2，李 华3

（1.长江科学院长江控制设备研究所，湖北 武汉 430010；2.湖南省电力公司科学研究院，湖南 长沙 410007；3.陕西电力科学研究院，陕西 西安 710054）

分析了发电机组转速信号装置的现状，针对传统装置存在的问题和缺陷，研制出一种多功能新型可编程转速信号装置；介绍了该装置的软硬件设计思想、功能参数与特点以及抗干扰和防误措施。较常规转速信号装置而言，该装置原理简单、动作准确、可靠性高、抗干扰能力强、功能完善、特色明显。

发电机组；转速信号；测频；参数设置；高可靠性

1 引言

随着水电站自动化水平要求的日益提高，转速信号装置已成为水电机组自动控制系统中不可缺少的关键自动化装置之一，它直接参与机组工况转换流程的控制和机组的过速保护。所以，针对发电机的转速信号装置设计和功能配置显得非常重要，它决定着发电机能否安全运行，并及时地对发电机的异常运行状态做出反应，从而减少不必要的损失。因此，要求该装置工作灵敏、可靠、准确，在机组调速器调节失灵时能实现机组的末级过速保护，启动紧急关闭球阀或事故快速闸门，实现停机，以确保主机设备的安全可靠运行；在机组正常运行状况下，装置不应误发动作指令，不致使自动化系统误动作。

多功能可编程转速信号装置就是根据水电机组综合自动化的需求进行设计与研制的高性能、高可靠性产品，是现代微机转速信号装置设计与功能完善的范例。它采用现代测控技术，配以先进可靠的电气转速传感器和机械转速传感器，同时测量发电机机端电压频率和机械转速脉冲信号，准确反应水电机组的转速变化。根据机组不同的转速值发出不同的命令和信号，实现对发电机组的控制与保护。该装置具有良好的抗干扰措施，具有原理简单、可靠性高、动作准确、响应速度快、功能完善和性价比优越等特点。

2 问题的提出

发电机组的转速信号装置虽然是一个较小的设备，但却是一个非常关键的设备，它担负着发电机组顺序控制和过速保护的双重任务。所以，用于发电机组的转速信号装置必须满足下列要求∶①在各种工况下，必须能够采集到可靠的转速信号；②必须具有很强的抗干扰能力；③必须具备很高的可靠性和稳定性。目前尽管有不少生产厂家在研究开发此类设备，但所生产的设备在可靠性和稳定性方面还存在一定问题，尤其是对机组在低转速情况下的测量，还未能得到合理的解决。转速信号装置的过速保护出口直接作用于事故停机执行机构，如果该出口发生误动，则直接造成机组紧急停机；如果该出口拒动，则机组过速保护失效，有可能会造成飞车的特大事故。因此，该装置虽然原理简单，但对其可靠性要求非常高。

目前，使用最多的转速信号装置主要有两种∶一种由集成电路组成（集成电路型），另一种由单片机组成（单片微机型）。由于单片机工作电压为5V，其抗干扰能力差，由单片机构成的设备用于发电厂时，发生故障的次数比较多。单片微机型转速信号装置的硬件一般为自行设计制造，且各厂家均为小批量生产，故元件检测、筛选、老化处理、焊接及生产工艺等都受到限制，造成可靠性较低，运行中可能出现单片机死机，从而使转速信号装置的可靠性大大降低，难以满足大型水电机组运行保护的要求。集成电路型转速信号装置有它自身无法克服的缺点∶间隔周期计数致使信号反映时间延长，测量精度不高，准确度降低；采用集成D/A转换器，导致输出隔离电路复杂化；整定困难(设定值的准确整定只有在现场进行)，且动作值范围小(一般为35%～140%)；易漂移，动作不够准确，可靠性低；功能单一，且无法完成与上位机的智能通讯任务。集成电路型转速信号装置虽然抗干扰能力较强，但分立元件较多，影响装置整体的可靠性。

近期也有很多PLC或PCC的转速信号装置投入商业运行，据了解，它们可能在测频环节的可靠性方面处理得比较好，但在测频的精度和实时性关系、信号源、工作电源和测速方式的冗余、功能的完善等问题上处理得不够全面。

总结目前最终用户（如电厂）和试验研究单位（如电科院）等的反应，目前转速信号装置存在的主要问题有∶

（1）误发信号问题

有的转速信号装置重新上电后，初始化处理不好，继电器出现误动；在系统报警后，运行人员操作复归信号，也会引起继电器输出误动；信号跳变防干扰措施差，正常运行中出现误动，引起机组停机。

（2）实时性问题

对于转速信号装置测频问题，如果实时性很好，会出现因偶尔频率干扰造成误动的现象；如果滤波过多，会出现延时动作的现象。这是一个反映实时性可控的问题。如某装置在现场校核时，出现2～4s的延时，这是不恰当的，频率测量滤波一般不能超过100ms时间。

（3）多通道备用问题

由于转速信号装置为不经常维修产品，该设备故障时，电厂基本上不能处理，由于没有冗余通道备用，导致该保护设备退出运行。因此设计该产品时，应该考虑多通道冗余设计。

（4）对于115%转速输出问题

对于115%转速信号，涉及到水轮机的一级过速保护，非常重要。由于某些机组（如贯流机组）的特殊性，在甩负荷过程中，机组在115%转速下降沿时，正常调节会出现导叶打开或主配压阀回中现象，如果不做相应处理，会出现该接点保护错误的问题。

（5）目前市场上多数转速信号装置的输出接点容量和数量有限，需要外部扩展中间继电器；所装设的转速（频率）显示尺寸也较小，不便于观察。

（6）一般的转速信号装置不具备机组的蠕动检测与报警输出功能。

（7）现场各种原因造成转速信号装置动作错乱，由于现场没有校验装置，不能及时进行修正，影响了转速信号装置的正常运行。

基于以上多方面的问题，结合笔者多年从事电站自动化工作的经验，以及在频率测量精度与实时性、可靠性与抗干扰设计等方面研究的切身体会，在长控所原PLC转速信号装置的基础上，采纳多家电力试验单位的良好建议，我们开发了多功能可编程转速信号装置。

3 硬件设计

本装置在总体设计及硬件设计上均充分考虑了可靠性的要求，并在输出接点数、模拟量输出、通信等方面进行了详尽考虑。由于该装置对可靠性要求极高，因而硬件电路的抗干扰措施尤为重要，必须精心设计。

（1）可靠性极高的硬件设计

本装置工作电源由DC 220V和AC 220V同时提供，转速信号由机组电压互感器和齿盘传感器两类信号同时输入，采用进口高性能可编程控制器、触摸显示屏、工业大功率开关电源、高可靠性转速传感器和高可靠性驱动器件五部分组成，器件少、质量好，设备整体硬件可靠性很高。

（2）抗干扰能力强的硬件设计

本装置在原理设计、元器件选用、结构等方面充分考虑了抗干扰问题，转速控制出口及供仪表和其余装置的输出信号与逻辑回路完全隔离，即使外部发生故障，逻辑回路仍能正确运行，转速控制出口不会发生误动。

（3）多功能可编程转速信号装置系统方框图

图1 多功能可编程转速信号装置系统方框图

（4）机组PT测频信号调理回路设计

信号调理的准确与否直接决定了整个装置的工作性能，鉴于水电厂的现场运行状况，在设计信号调理电路时应着重考虑以下几个方面的因素∶

1）滤除现场的干扰信号，提高信号的信噪比。

当发电机转速很低时，残压很小，要准确地反映转速，测量装置必需有很高的灵敏度，但是，这样的输入回路又容易受干扰。为解决这一矛盾，我们在测量回路中加入1∶1的隔离变压器。

2）合理设计滤波和整形电路，并进行光电隔离，减少有用信号的衰减和波形的畸变。

图2 机组PT测频信号调理回路

该装置机组PT测频信号调理回路设计了两路通道，来自机组电压互感器的信号是正弦波，首先经过信号隔离变压器，然后进行滤波处理，滤波处理在电路中作用十分重要，滤波效果直接影响到所测机组频率的准确性。经过滤波的信号再通过整形电路和光电隔离电路处理后送往PLC的中断I/O口进行分析计算。

（5）该装置齿盘测速也设计了两路通道，采用齿盘测速时，感应信号常为方波，幅值为一恒定值（一般取24V）。测速装置是以齿盘探头感应到的频率来测量发电机转速的，所以低转速可以准确地测量，即使是机组的蠕动也能捕捉到。

（6）该装置可采集开机、停机和油开关三个开关量状态，协助装置根据机组工况，判断转速测量的正确性与出口继电器动作的正确性等。

（7）PLC选择

目前市场上具有本体测频的PLC很多，我们选择台湾丰炜VB系列PLC模块VB1-24MT-D（带VB-2DA时能提供两路频率4～20mA电流信号输出）作为控制器，主要是基于两方面的考虑∶一是它具有四路自动加载脉冲周期的测量功能（PLC自带可用于测频的内部时钟达到2M），测量通道丰富且测量精度高；二是品牌过硬、性价比高。

（8）人机界面

根据实际情况，该装置选用4.3寸触摸显示屏，便于修改参数及进行相应的画面显示。能够在画面上设定四个测频通道的投入及主用和备用关系；转速、频率及转速百分比可以自由切换及显示；自动记录每个继电器输出点及相应的动作时间，自动记录频率每次上升的最大值及动作的时间，所有记录值向前递推并能够自动保留100条。

（9）大功率开关电源

本装置采用台湾明纬功率大而体积小的交、直流开关电源，可直接由电厂直流220V电源和交流220V电源同时供电。

4 软件设计

（1）非常好地解决了PLC本体测频的瓶颈

我们采用PLC自带的内部时钟，利用其高速的智能处理功能，即自动加载脉冲周期的测量功能（采用PLC内部2M时钟进行脉冲宽度测量），测频精度达到0.00125Hz。这样，机组PT测量前置回路处理简单，仅需要将机组PT测量信号经隔离、滤波、放大、整形后的方波中断信号送至PLC高速输入口，稍作软件上的通道设置，通过调用测频功能块和运行测频程序，就可以获得不同通道频率的数值。同样，对于测频探头信号，由于其本身就为24V的方波信号，无需进行隔离或放大，直接将其送入PLC高速输入口即可。

该PLC自带四路高速输入口，刚好满足我们转速信号装置四路测频的要求。

（2）在程序设计中针对现场干扰的因素做了一些处理。

比如，机组的频率是惯性变化的，不可能产生大的突变，因此在程序计算过程中如果计算值产生了突变，就认为这个值是个干扰值，将它舍去，同时将上一时刻的频率值作为这一次的计算值输出。

（3）优化软件功能处理测频值

对于同一测频中断信号，采用测脉冲周期（测频精度高、实时性强）和测脉冲个数（不易突跳）两种方式同时测频，两种测频模式互相比较，互为冗余。

由于装置同时提供四路测频通道（两路机组PT，两路齿盘），测频通道的有效输出可以由显示屏自由选取，每路测频通道互为比较和冗余。由于齿盘测频可采用双探头方法测量，确保了齿盘测频值的稳定性和可靠性。

（4）保护出口原理

如果装置选择测速方式为电气测速，则实际转速的百分比用PT采集的转速百分比参与出口判断；如果装置测速方式为机械测速，则实际转速的百分比用齿盘测速的转速百分比参与出口判断；如果测速方式选择两者结合，则在电气测速和机械测速的差小于0.5Hz时，选择电气测速百分比参与出口判断，如果两者的差较大则闭锁出口直至二者差小于0.5Hz时解除闭锁。如果双回路时有某一回路断线或者没有接入，则装置自动选择另一个回路进行出口判断。

（5）115%转速输出处理

由于某些机组特殊性，机组甩负荷至115%转速时，正常调节会出现导叶打开或主配压阀回中的现象，因此，我们在此处考虑加入频率的微分处理，以判断机组动作的方向，当转速在下降时闭锁115%转速信号输出（此功能在人机界面可以人为投入或退出，以适应某些特殊机组）。

（6）低转速及蠕动测量功能处理

当PLC测得的机组齿盘频率信号范围在5.0～0.02Hz时，根据该频率信号的微分特征及低转速持续的时间（该时间根据机组特征可现场设置），发低转速报警信号。当进行蠕动检测时，在机组停机完成后，根据机组爬行1.5°～2°即为蠕动的理论，只要齿盘齿数达到90个齿（对应360°/（90×2）=2°）以上，就能满足国标对蠕动监测的要求。从实际使用来说，现场很难满足齿数足够多的要求，所以，我们往往通过在机组大轴上刷均匀黑白的色带，通过测量感应色带的脉冲来实现，当测量到一个脉冲的上升沿和一个脉冲的下降沿时，可以认为机组出现蠕动，并发报警信号。

5 抗干扰和防误措施

电站的工作环境一般比较恶劣，现场干扰因素很多，如电机运转噪声，大型设备的强电磁干扰，温度、湿度的变化等都有可能造成对计算机系统工作的影响，为保证计算机系统连续可靠地工作，在进行装置设计时采取了一些抗干扰措施∶

（1）电源净化

由于电源干扰可能造成复位不正确，进而造成程序失控；同时，电源的干扰还可能通过其他途径对微处理机的工作造成影响，故电源净化是抗干扰的一个重要措施。本装置采用对电源进行滤波等净化方法。

（2）上电复位电路设计

由于工业现场的智能仪表大都要求上电后自动进入工作态，因此本装置也采用了上电自动复位电路（PLC内部实现）。

（3）光电隔离

转速信号装置的输入通道、输出通道以及通讯通道与计算机系统之间均进行了光电隔离（PLC内部实现），它可以使计算机系统与外界完全没有电的联系，从而大大提高了装置的抗干扰性能。

由于该装置一般安装在发电机旁的自动控制屏或调速器柜中，周围干扰源相当多，因此，除采用一般的接地和屏蔽等抗干扰技术外，还采取了以下独到的软件防误措施∶

（1）数据分析

对数据的合理性进行分析，决定取舍。由于发电机的转速不可能突变，因此如果两次(即几毫秒内)采样值之差大于5%，则将其视为非法数据。如果采样值大于过速保护整定值，则先判断该数据是否小于200%，结果为非，则为干扰所致，数据无效；结果为是，则连续采样5次，若5次均大于动作值，则数据有效，否则无效。实践表明，采用这种措施可以使装置动作的正确率达到100%。

（2）控制信号循环输出

无论输入值是否变化，程序每循环一次，均对8路输出置位，这样，一旦锁存器或寄存器受干扰而改变控制对象的状态时，程序可以立即纠正。由于继电器节点闭合时间一般大于10ms，因此，该方法可以大大降低误动的可能性。

当然，作为要求非常高的工业产品，装置的元器件选用军品或工业品，而且是经过严格的老化筛选后才使用，这也是保证可靠性和抗干扰能力的一项有力措施。

6 结语

新型可编程转速信号装置采用两路机组PT信号和两路齿盘脉冲信号两类四路输入作为测速信号源。通过PLC内部时钟和内部高速计数器直接测量脉冲宽度计算频率，硬件简单、可靠性高。任何一路频率（转速）信号故障均不会影响装置的正确动作。该装置除具备常规功能外，还能进行机组的蠕动检测与报警输出，配合频率发送仪模块，还可进行功能和结果校验。

该装置历经数次干扰冲击、工况变化实验，均能满足机组的测速要求。全数字化的设计，基本不需要校验和整定，给使用和维护人员带来极大的方便，自动记忆记录转速最大值，还为机组的过速试验和事故分析提供了依据。此外，它还可以作为机旁的周波表使用。由于该装置运行稳定，动作准确，因而可以有效地提高发电机组自身的运行安全，随着发电机单机容量的不断增大及电厂无人值班化的需要，其作用将更为显著。

该装置软件上利用成熟的保护算法并结合应用了现代日趋成熟的先进微机技术和信息技术，在实际应用中被越来越多用户青睐，因此具有广阔的应用前景。

[1]刘建峰.智能型转速信号装置的设计与应用[J].福建电力与电工，2000（6）.

[2]王德意，南海鹏，王 涛，等.水轮发电机组智能化转速信号装置[J].中国农村水利水电，2001（8）.

[3]黄秉铨.采用双通道的机组转速信号装置[J].水电站机电技术，2006（2）.

[4]郭智俊，程远楚，贺秀儒，等.水电机组PLC转速信号装置[J].自动化与仪表，2006(3).

[5]党恩魁，吴罗长.数字式转速继电器及其实现方法[J].西北水力发电，2007（1）.

[6]潘熙和，严国强，李昌梅，等.水轮机微机调速器测频方式与测频方法的探讨[J].水力发电，2009（8）.

[7]张朝旭.ZKZ-3型转速监测装置在水电厂中的应用 [J].企业技术开发，2012（4,7）.

TP277

B

1672-5387（2014）02-0013-05

2013-10-21

黄业华（1976-），男，高级工程师，从事电站控制设备的研究。