CN201016985Y - 基于表决输出方式的水轮机可编程转速信号装置 - Google Patents

Abstract

一种基于表决输出方式的水轮机可编程转速信号装置，包括转速信号测量传感器，用于接收转速信测量信号并基于此信号而控制调节水轮机转速的控制器，其特征是：所述转速信号测量传感器有多路，为三路或五路，所述控制器是一种基于所测多路转速信号按照三取二或五取三多数原则表决输出控制信号的可编程控制器；转速信号测量传感器的信号输出端与可编程控制器的输入模块相连，可编程控制器的输出模块经其模拟量输出端口D/A及数字量输出端口D/D与水轮机保护装置、水轮机继电器控制接点相连。本实用新型提供至少三个独立的传感器来检测水轮机转速信号，采用三选二的多数输出原则，可以100％地保证输出可靠性和准确性，大大提高了水轮机组运行安全性。

Description

基于表决输出方式的水轮机可编程转速信号装置

技术领域

本实用新型涉及发电机组转速测量控制装置，尤其是一种基于表决输出方式的水轮机可编程转速信号装置。

背景技术

水轮发电机组转速是反映机组运行工况的一个主要标志。根据机组不同的转速值，转速信号装置就可以发出不同的命令和信号，以对机组进行自动操作或保护。例如：当机组转速达到额定转速的140％时，发出飞逸信号，命令机组事故停机操作，并关闭进水闸门；当机组转速达到额定转速的115％时，如调速器的主配压阀仍处于非关闭位置，则发出过速信号使过速保护装置动作，命令机组事故停机；在以自同期方式的开机并网过程中，当机组上升到额定转速的98％(根据不同电站要求而定)时，发出同期信号，使发电机断路器合闸，将机组投入系统；停机过程中，当机组转速下降到额定转速的35％时，发出制动信号，对机组进行制动等。由此可见，机组的转速信号装置是机组自动化操作和保护必不可少的环节。该装置的可靠性和稳定性直接影响着机组的安全运行。

目前使用的转速信号装置各有特色，按照信号源来源分为齿盘测频方式(SSG)和残压测频方式(PT)两种，按照控制核心又可以分为单片机方式和PLC方式，按信号源区分：SSG方式的最大的特点在于低转速测量(范围1～100Hz)，信号直接反映机组的转速，并且由于输出为脉冲量信号，不易受到干扰。但是，很重要的就是该型测速方式受探头的安装影响较大，特别是机组摆径向摆动较大时，对测频稳定性会产生影响。而且齿盘的加工精度直接到测速的精度。PT测量方式的特点在于信号通过PT采集，所测的信号的频率即为机组的转速，由于信号直接反映机组频率，故其测频精度高。但是其缺点在于低转速情况下，测量稳定性较差，特别是10HZ以下，不易测量准确。还有一点就是，当发电机处于失磁运行是无法检测其真实的机组转速。按控制核心分：单片机的最大有点在于价格便宜，通用型强。但其缺点在于抗干扰能力差、容易出现死机、程序跑飞、误动作等现象。PLC最大的特点在于为工业控制设计，充分考虑现场实际情况，抗干扰能力强，平均无故障时间高等诸多特点。

在国内使用的转速信号装置主要的工作方式为：控制核心+单探头，控制核心+双探头、控制核心+单探头+残压，控制核心+残压等等几种方式，显而易见的是其输出的判断依据仅仅只能来自于单信号源，当单信号源出现异常时，例如：残压测速方式下机组失磁、由于齿盘安装距离过远或过近就能使信号产生失真，造成装置的信号误报致使机组非正常停机。

发明内容

本实用新型提出的基于表决输出方式的水轮机可编程转速信号装置，提供至少三个独立的传感器来检测水轮机转速信号，采用三选二的多数输出原则，以期近于100％地保证输出可靠性和准确性，提高水轮机组安全性。

所述基于表决输出方式的水轮机可编程转速信号装置包括转速信号测量传感器，用于接收转速信测量信号并基于此信号而控制调节水轮机转速的控制器，其特征是：所述转速信号测量传感器有多路，为三路或五路，所述控制器是一种基于所测多路转速信号按照三取二或五取三多数原则表决输出控制信号的可编程控制器；转速信号测量传感器的信号输出端与可编程控制器的输入模块相连，可编程控制器的输出模块经其模拟量输出端口及数字量输出端口与水轮机保护装置、水轮机继电器控制接点相连。

所述转速信号测量传感器有三路，其中二路的信号采集点设于发电机主轴处，为齿盘测频传感器，一路信号采集点设于发电机绕组电压输出处，为残压测频传感器。

本实用新型采用可靠性极高的可编程控制器为核心控制元件，极大的提高了硬件的可靠性。通过齿盘获得的采样信号极好地消除了信号源干扰，最低可测转速达到1Hz左右；残压测频范围也大大改善，转速可测范围达到(7～90)Hz左右。该转速信号装置不仅具有良好的硬件基础，而且其软件功能也极为强大：面板上的四位数码管既能显示机组频率，还可根据用户需要通过面板上的频率/百分比切换开关显示机组转速百分比；信号指示灯分别指示转速信号装置的工作状态(1个电源指示灯，1个频率/百分比信号指示灯，多个继电器动作指示灯和1个故障指示灯)；面板上的6个触摸键分别用来整定转速信号装置的动作值和显示机组最大转速。将转速信号装置开发为大于三套的多输入信号，两路SSG+一路残压(PT)，可以发挥各自的优势达到精确输出的目的，采用三选二输出的多数原则几乎可以100％地保证输出的可靠性及准确性。从而可大幅减少大型和特大型机组因为转速信号装置的误动造成机组的非正常停机，不仅可给电站带来极大的经济经济效益，而且还给电网的稳定作出较大贡献，而且所耗成本极少。

附图说明

图1为本实用新型系统原理图；

图2为主控程序流程图。

具体实施方式

如图1示，所述基于表决输出方式的水轮机可编程转速信号装置20包括转速信号测量传感器，用于接收转速信测量信号并基于此信号而控制调节水轮机转速的控制器，其特征是：所述转速信号测量传感器有多路，为三路或五路，所述控制器是一种基于所测多路转速信号按照三取二或五取三多数原则表决输出控制信号的可编程控制器10；转速信号测量传感器的信号输出端与可编程控制器10的输入模块9相连，可编程控制器的输出模块11经其模拟量输出端口D/A 12及数字量输出端口D/D 18与水轮机保护装置、水轮机继电器控制接点13相连。

所述转速信号测量传感器有三路，其中二路的信号采集点设于发电机主轴3处，为齿盘测频传感器1、2，一路信号采集点设于发电机绕组19电压输出处，为残压测频传感器6。

所述转速信号装置采用可靠性极高的FX_2N系列作为可编程控制器10为核心控制元件，在系统原理图1中，1、2为齿盘测频传感器(SSG1、SSG2)，探测距离一般可为8mm，响应频率1KHZ，现场安装距离保证在4mm±0.5mm可以保证要求。6为残压测频传感器，设置在发电机出口，所取的电压信号，一般工作范围0.3V～150V间。PLC可编程序控制器10，为控制核心，控制程序在其内部完成。

频率测量原理。

无论是齿盘测频方式(SSG)还是残压测频方式(PT)其测量方式均采用的是测周法，即：SSG是测量探头经过齿与齿之间的时间，同例PT是一个周波的时间。具体的测量原理如下：

$f=\frac{1}{T/n}=\frac{n}{T}\left(\mathrm{Hz}\right)$

测量的原理在于：单位时间内(300ms)，采集到的中断数n(齿数或周波数)与其经过的时间T之商即为频率f。由于转速信号装置主要用于自动控制流程和保护用，而且受机组自身的Ta的影响，故300ms输出一次并不会影响设备的正常运行，不像调速器对响应时间和精度有极高的要求。

1、三选二表决系统的构成。

令SSG1(齿盘测频传感器1)探头的测量值为：Fssg1(Hz)

令SSG2(齿盘测频传感器2)探头的测量值为：Fssg2(Hz)

令PT(残压测频传感器6)的测量值为：Fpt1(Hz)

则SSG1与SSG2的运行时的测量偏差为：

ΔF1＝Fssg1-Fssg2

则SSG1与PT的运行时的测量偏差为：

ΔF2＝Fssg1-Fpt1

则SSG2与PT的运行时的测量偏差为：

ΔF3＝Fssg2-Fpt1

当机组处于正常稳定运行的时候：

由于受机组自身的Ta影响，转速在极限情况下的上升率不会超过一个值，我们将其设为：σ(Hz)

正常情况下：

-σ≤ΔF1≤σ；我们记为条件满足M1为真

-σ≤ΔF2≤σ；我们记为条件满足M2为真

-σ≤ΔF3≤σ；我们记为条件满足M3为真

则此时的输出：Ro＝M1‖M2‖M3，即三信号源均可作为正常的输出，判断结果正常。

非正常状态：

在此假设SSG2探头输出信号明显异常，则：根据上式可得：

ΔF1和ΔF2的数据会明显大于σ，则条件中的M1和M3为假。

式Ro＝M1‖M2‖M3＝M2

即：当探头SSG2出现采集数据异常时，输出就根据SSG1和PT输出的信号作为输出的依据，极大的能够保证装置工作的可靠性。

当信号输入源出现物理故障而没有输出是可以通过软件进行判断的，例如：SSG出现物理损坏，导致无脉冲信号输出、PT信号因为保险暴烈或断线都是可以通过软件判断出来的，而对于非正常输入信号通过表决系统是可以使设备正常工作的。故使用了表决系统的装置可以极大的提高装置的可靠性，可以极大的减少因转速装置造成的非正常停机。图2所示程序流程图说明了其检测、判断及控制过程。

所述装置采用交、直流双电源供电，单路掉电时可实现无扰动电源切换。背板上的红、绿两个开关分别为交流和直流的电源开关。

具体要求：

交流电源：AC220V(±10％)

直流电源：DC220V(±10％)

转速信号装置采用日本三菱FX_2N系列PLC作为核心控制元件，其基本配置如下：

项目

内容

环境温度	使用时0～55℃
			环境湿度	使用时35～85％RH(不结露)
抗振	JIS C0911标准，10～55Hz 0.5mm(最大2G)，3轴方向各2小时
			抗冲击	JIS C0912标准，10G 3轴方向各3次
抗噪声干扰	用噪声仿真器产生电压为1000V p-p，脉冲宽度为1μsec，频率为30-100Hz的噪声
			耐压	AC1500V 1分钟	所有端子与接地端之间
绝缘电阻	5MΩ以上(DC500V兆欧表)
		电源电压	DC24V±10％
允许瞬时断电时间	瞬时断电时间在10ms继续工作
			中断源	8个中断源，可以满足8路同时测量

除此之外，还有EEPROM卡盒FX-EEPROM-4(4K步)作为程序备份。其写入、改写时不需要专用的写入器，而且不需要后备电源。由于采用接插方式并内附保护电路，因此可靠性很高。

测速输入信号(如图1示)

(1)由2路齿盘测频传感器1、2(SSG1、SSG2)通过屏蔽电缆5输入的机组转速信号——测量24VDC开关量信号，可测转速范围1～100Hz。

(2)由残压测频传感器6(PT)输入的机组转速信号——可测信号范围0.3～150VAC，可测转速范围7～90Hz。

校验信号

校验齿盘测频信号时，使用信号发生器接转换接口，校验残压测频信号时，可将信号发生器信号直接接入相应残压测频端口。

输出信号

DC24V电源8(提供接近开关的工作电源)

继电器空接点输出(可根据客户要求调整。默认值：第1、2、3点为下越限动作，即小于整定值动作，第4、5、6、7点为上越限动作，即大于整定值动作)，常开接点输出，输出容量AC250V/5A

备用继电器空接点输出，常开接点输出(可选)

故障继电器空接点输出，一开一闭空接点输出，发生故障时继电器励磁，输出容量AC250V/5A

模拟量输出12。其中输出电压：(0～10V)对应(0～100Hz)；输出电流：(4～20mA)对应(0～100Hz)

故障报警

机组运行过程中，当测速输入信号之一故障时，自动切换至另一路测速输入信号控制输出，故障继电器动作接点开出，故障指示灯亮。故障复位之前，发生过故障的测频通道无效。

当转速信号装置测频输入信号均故障时，故障继电器动作接点开出，故障指示灯亮，显示和模拟量输出被复位，转速范围指示继电器保持故障前一时刻的状态。

安装要求

(1)齿盘4应通过螺栓连接固定在齿盘安装处，同时焊接牢固，轴向禁止串动。

(2)齿盘测频传感器1、2应安装牢固，其探头面应与齿盘4外切面平行，并与齿盘切面间隔不超出4.0mm～4.5mm，同时保证机组在整个运行过程中接近开关的探头面不超出齿盘的上、下端面。

(3)齿盘测频传感器1、2用三芯金属屏蔽电缆5连接到转速信号装置的机箱后板，金属屏蔽电缆的长度不大于100m，一端接地。

如果齿盘测频传感器1、2接线错误，将有可能导致齿盘测频传感器永久性损坏，这一点务必引起用户的注意。

如果用户接线正确，合上转速信号装置的工作电源，在机组运行过程中，将能观察到齿盘测频传感器1、2处的指示灯闪烁，同时转速信号装置的数码管显示机组频率，否则，应仔细检查齿盘和齿盘测频传感器的安装，确保无误。

(4)残压测频传感器6输入信号需要采用独立的屏蔽线。

(5)电源隔离变压器7安装在转速信号装置机箱外。电源进线引至隔离变压器，输出端接到转速信号装置。

图1中，14为开关量输入模块，15为面板显示，16为转速范围指示灯，17为频率数码显示器。

Claims (2)

1.一种基于表决输出方式的水轮机可编程转速信号装置，包括转速信号测量传感器，用于接收转速信测量信号并基于此信号而控制调节水轮机转速的控制器，其特征是：所述转速信号测量传感器有多路，为三路或五路，所述控制器是一种基于所测多路转速信号按照三取二或五取三多数原则表决输出控制信号的可编程控制器；转速信号测量传感器的信号输出端与可编程控制器的输入模块相连，可编程控制器的输出模块经其模拟量输出端口D/A及数字量输出端口D/D与水轮机保护装置、水轮机继电器控制接点相连。

2.如权利要求1所述的基于表决输出方式的水轮机可编程转速信号装置，其特征是：所述转速信号测量传感器有三路，其中二路的信号采集点设于发电机主轴处，为齿盘测频传感器，一路信号采集点设于发电机绕组电压输出处，为残压测频传感器。

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