專利名稱：實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)，尤其是涉及一種實現水輪發(fā)電機 組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置，屬于電力系統(tǒng)自動控制技術領域。
背景技術：
上世紀八十年代以前，我國水電站調速器大多采用了帶機械反饋的機械式手動 操作機構，這種機構安裝復雜，操作精度差，很難準確控制水輪機的轉速和負荷。隨著 電子器件可靠性和集成度的提高，為簡化調速器系統(tǒng)機構，逐漸開始改用電氣開度限制 和電氣手動操作方式，由于這種方式取消了接力器的機械反饋裝置，方便了調速器在電 站中的布置。受到設計院和用戶的歡迎，近十年來采用這種操作方式的調速器逐漸增 多。目前國外調速器也大多采用這種方式，如已經投產的大型水電站三峽、龍灘、百 龍灘、魯布革等。相近似的技術方案水輪機調速器的手動控制沒有采用專門的控制模塊，而是 使用按鈕或選擇把手，操作員按動按鈕時，增加或減少脈沖直接控制電磁閥(或進入控 制器，通過控制器來控制電磁閥)，輸出液壓油控制主配壓閥，從而控制主接力器動作?，F有水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動控制的缺點主要有1)早期帶機械反饋的機械式手動操作機構，目前還有部分電站在使用，但已經 不再推廣，這種機構缺點是制造成本高，安裝復雜，操作精度差，很難準確控制水輪機 主接力器的位置。2)現在使用的調速器電手動操作機構，是通過主配壓閥自動回復中位來保證主 接力器穩(wěn)定在某個位置，是開環(huán)手動操作。操作時，主配壓閥偏離中位，配油，主接力 器動作，停止操作時，主配壓閥回復中位，停止配油，主接力器保持當前位置。這種方 式缺點是由于沒有引入主接力器反饋，手動控制是開環(huán)控制，若主接力器兩腔有滲漏 (一般都有)，就會產生位置漂移，危害機組安全；另外，由于主配壓閥的死區(qū)非常小(一般單邊小于0.3mm)，每次動作結束不 可能完全回復到精確中位，稍有偏離，就可能造成主配壓閥回復不到位，產生接力器漂 移。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是取消機械操作機構、各類液壓閥件，完成水 輪機調速器的閉環(huán)手動操作，提高調速器手動控制的性能、可靠性，保障機組安全。采用微控制器、電子傳感元件等組成獨立的智能手動閉環(huán)控制器，并引入主配 壓閥位置信號、轉速測量信號、過速保護信號、液壓元件故障檢測信號等，為解決上述技術問題，本實用新型提供一種實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉 環(huán)控制的智能裝置，包括CPU板、電源板和信號處理板，其特征在于所述CPU板分 別與信號處理板的轉速/頻率測量處理電路、開關量輸入隔離電路、開關量輸出隔離電路、模擬量輸入處理電路、模擬量輸出處理電路及通訊接口相連，所述通訊接口與調試 計算機相接，所述模擬量輸出處理電路引出綜合輸出信號至比例伺服閥及功放，并引出 模擬輸出信號表示接力器行程(可用于儀表顯示)；所述模擬量輸入處理電路分別與主接 力器位置信號線、主配壓閥位置信號線、伺服比例閥位置信號線、控制器輸出信號線相 連；所述轉速/頻率測量處理電路與機組頻率或轉速信號線相連。所述模擬輸入處理電路包括模擬量單端輸入處理電路和模擬量差動輸入處理電 路，其中主接力器位置反饋信號接入模擬量單端輸入處理電路，主配壓閥位置信號、伺 服比例閥位置信號、控制器輸出信號接入模擬量差動輸入處理電路。所述模擬量單端輸入處理電路包括輸入電壓增益調整電路、二階有源濾波電 路、電壓反向電路、二級管鉗位電路，模擬信號經過電壓增益調整電路(U12A，Wl, R34，R33)變換到0到-5V范圍，再通過二階有源濾波電路(U12A，R33，C30, R35， C31)濾去高頻信號，再經過電壓反向電路(U12B，R37，R39)，變換為0到+5V，最后 通過二級管鉗位電路(D3，D4)，限制輸入信號不超過鉗位電壓，保護AD輸入，最后送 到CPU的AD通道采集。所述模擬量差動輸入處理電路包括差動輸入接口電路、反向增益調整電路、偏 置電路、二級管鉗位電路，模擬信號經過差動輸入接口電路(R63，R64，U16A及周邊元 件)，變換到+IOV -IOV范圍，再通過電壓反向增益調整電路(R67，R69，U16B)， 變換到-2.5V +2.5V，再通過+2.5V偏置電路(R71及U15B組成)，變換為0 +5V， 最后通過二級管鉗位電路(D9，D10)，送到CPU的AD通道采集。所述模擬量輸出處理電路包括模擬量電壓輸出處理電路和模擬量電流輸出處理 電路，所述模擬量輸出處理電路包括模擬量電壓輸出處理電路和模擬量電流輸出處理電 路，其中模擬量電壓輸出處理電路的電壓輸出表示綜合輸出信號，用于控制比例伺服閥 功放，模擬量電流輸出處理電路的電流輸出表示接力器行程的模擬信號，用于儀表顯 示。其中電壓輸出表示綜合輸出信號(范圍為-10V-10V)用于控制比例伺服閥功放，電 流輸出表示接力器行程的模擬信號(0-20mA)，用于儀表顯示。所述模擬量電壓輸出處理電路包括PWM波產生電路(由CPU采集各行程反饋 信號，經過與設定值比較再綜合變換后，通過片上集成的PWM通道產生)，PWM波濾 波電路、電壓增益調整電路。所述PWM波產生電路包括CPU片上集成的PWM通道， 由CPU產生高頻PWM波后，經過濾波積分電路(U23B，R94，R95，C64)，變換成0 到-5V直流信號，再經過電壓增益調整電路(U18及周邊元件)，最后變換成0到+IOV 信號輸出。所述模擬量電流輸出處理電路包括PWM波產生電路(由CPU采集接力器行程經 過相應計算變換后，通過片上集成的PWM通道產生)、PWM波濾波電路、電壓/電流變 換電路、增益調整電路。電路連接如圖5，由CPU產生高頻PWM波后，先經過濾波積 分電路(R89，R91，C60),變換成0到-5V直流信號，再經過電壓/電流變換(U19A， U19B，Tl及周邊電路)以及增益調整電路(W2)，最后變換成0到20mA信號輸出。所述轉速/頻率測量處理電路用于采集發(fā)電機轉速或頻率，包括二極管鉗位電 路、二階有源濾波電路、過零點比較電路，光耦隔離電路。電路連接如圖6，需要采集的 信號先通過二極管鉗位電路(Zl，Z2組成)，再通過二階有源濾波電路(U10A及周邊電阻電容組成)，濾去高頻信號，然后經過過零點比較(U10B及周邊電路)，變成方波后再 通過光耦隔離電路(U9C)變成0-5V的標準方波信號，通過上述變換，可將幅值不等的 轉速/頻率脈沖或正弦信號轉換成標準方波信號輸入CPU的高速輸入通道進行測量。 本實用新型所達到的有益效果本實用新型主要解決了水電站水輪機調速器手 動控制機組負荷或轉速時，因主接力器或主配壓閥的泄漏產生的漂移問題。本實用新型 可操作主接力器于任意位置并保持其穩(wěn)定性，具有較高的可靠性及控制精度，在手動操 作時，若機組突然甩負荷，可自動操作主接力器至空載開度。
圖1為智能裝置的基本組成及原理圖；圖2為智能裝置的模擬量單端輸入處理電路圖圖3為智能裝置的模擬量差動輸入處理電路圖圖4為智能裝置的模擬量電壓輸出處理電路圖圖5為智能裝置的模擬量電流輸出處理電路圖圖6為智能裝置的轉速/頻率測量處理電路圖圖7為智能裝置控制系統(tǒng)軟件框圖；圖8為伺服比例閥卡澀判斷框圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明。本實用新型的一種實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置，包括 CPU板、電源板和信號處理板，所述CPU板分別與信號處理板的轉速/頻率測量處理電 路、開關量輸入隔離電路、開關量輸出隔離電路、模擬量輸入處理電路、模擬量輸出處 理電路及通訊接口相連，所述通訊接口與調試計算機相接，所述模擬量輸出處理電路引 出綜合輸出信號至比例伺服閥及功放，并引出模擬輸出信號表示接力器行程；所述模擬 量輸入處理電路分別與主接力器位置信號線、主配壓閥位置信號線、伺服比例閥位置信 號線、控制器輸出信號線相連；所述轉速/頻率測量處理電路與機組頻率或轉速信號線 相連。由圖1看出，智能裝置需要的基本信號包括模擬量輸入主接力器位置信號、主配壓閥位置信號、伺服比例閥位置信號、 控制器A(B)輸出控制信號；脈沖量輸入機組頻率或轉速信號；開關量輸入手動切換、手動增加、手動減少、機組斷路器位置；開關量輸出故障報警、切換閥控制、手動狀態(tài)；模擬量輸出綜合輸出(控制伺服比例閥)、主接力器位置(給模擬表顯示)；通訊接口 具有一個標準RS232全雙工串行異步接口。電源輸入18-36VDC，寬電壓范圍輸入，消耗電流0.5A。智能裝置的模擬輸入電路如圖2、圖3所示，其中單端輸入電路由輸入電壓增益 調整電路、二階有源濾波電路、電壓反向、二級管鉗位電路組成，主要用于4_20mA(或0-5V)信號輸入，如主接力器位置反饋等。差動輸入由差動輸入接口電路、反向、偏置 電路、二級管鉗位電路組成，主要用于-10V-+10V信號輸入，如主配壓閥、伺服比例閥 位置反饋等。智能裝置的模擬輸出電路如圖4、圖5所示。其中，電壓輸出電路由PWM波產 生電路，PWM波濾波電路、電壓增益調整電路組成，可輸出-10V-+10V信號，用于伺 服比例閥控制。電流輸出電路由PWM波產生電路、PWM波濾波電路、電壓/電流變換 電路、增益調整電路組成，可產生0-20mA電流信號，形成主接力器位置信號輸出。轉速/頻率測量處理電路如圖6所示，其中與發(fā)電機轉速成比例的方波信號經過 二極管鉗位電路、二階有源濾波電路、過零點比較電路，光耦隔離電路組成，最后輸入 CPU的高速輸入口進行測量。智能裝置的軟件設計參見圖7，軟件主要分三部分第一部分是手動時導葉接力器閉環(huán)PIDl控制和主配壓閥閉環(huán)PID2控制，第二 部分是伺服比例閥和主配壓閥卡澀判斷和報警，第三是過速保護。第一部分自動情況 下，導葉給定自動跟蹤反饋，PIDl模塊不起作用。手動時，導葉給定在當前反饋基礎上 接受用戶手動增減(速率可以設置)，通過導葉閉環(huán)PIDl和主配閉環(huán)PID2模塊調節(jié)導葉 到要求位置，由于引入了主配反饋，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應得到了較大提高。第二部分伺服比例閥卡澀檢測主要有兩個方法(見圖8)，一是檢測在穩(wěn)定狀 態(tài)下(主接力器不動，即伺服比例閥輸出流量等于零或它的閥芯位移為中位時)伺服比例 閥的輸入電流的絕對值，如果大于設定的閥值則判斷為伺服比例閥卡澀。二是在大幅度 的調節(jié)過程，伺服比例閥的輸入電流比較大，這時檢測輸入電流與閥芯位移之間的差值 的絕對值是否超過設定的閥值。兩種方法判據的具體的實現有所區(qū)別。主配壓閥的卡澀檢測方法與伺服比例閥相同，若智能裝置判斷出伺服比例閥或 主配壓閥卡阻故障，則輸出報警信號。第三部分過速保護主要考慮當手動時，機組現地或遠方甩負荷，智能裝置可 自動關閉導葉接力器到空載開度，維持轉速基本在額定轉速附近。該裝置主要用于配合ZFL型及ZFL-FC型調速器液壓調節(jié)裝置的伺服比例閥控 制、、主配壓閥反饋控制及手動閉環(huán)控制。它引入了伺服比例閥反饋、主配壓閥位置反 饋、主接力器位置反饋，手動控制時采用主接力器位置反饋作為閉環(huán)，防止了調速器手 動運行時主接力器的漂移。此外，該智能裝置還具備伺服比例閥、主配壓閥、主接力器 三種位置反饋的在線監(jiān)視、斷線報警及保護功能，在伺服比例閥、主配壓閥位置反饋斷 線時，可以根據需要切除伺服比例閥控制信號并輸出報警信號。采用該智能裝置作為水輪機微機調速器的電氣閉環(huán)手動控制器，可以大大簡化 調速器的布置和結構，不需要引入機械反饋，實現調速器手動操作時主接力器的閉環(huán)控 制。另外，還可以大大豐富手動操作的功能，如過速保護、主要液壓元件卡澀檢測、主 配壓閥、導葉接力器位置監(jiān)視、數字信息顯示等，可以在很大程度上提高調速系統(tǒng)手動 控制時的穩(wěn)定性和調節(jié)性能。同時，采用微機及傳感元件組成的閉環(huán)位置控制系統(tǒng)也是 調速器機械部分逐步向電子化發(fā)展的一個方向。相關技術術語的名詞解釋[0049]水輪機調速器水電站中，控制水輪發(fā)電機組轉速及功率的控制設備。調速器的自動控制由電站監(jiān)控系統(tǒng)根據電網要求發(fā)出開、停機、增減負荷等 指令給水輪機調速器，以達到控制機組負荷或轉速的目的。調速器的手動控制由電站運行人員根據電網要求手動操作水輪機調速器，以 達到控制機組負荷或轉速的目的。主配壓閥通過閥芯位置改變，對液壓油流量、方向信號進行放大和轉變的液 壓元件。伺服比例閥將輸入的電流信號按比例的轉換成液壓流量信號的液壓元件，且 流量的方向也可以根據電流的大小來改變。主接力器導葉接力器，連接水輪機控制環(huán)，推動水輪機導葉，從而改變水輪 機的輸入流量的油缸和活塞。以上已以較佳實施例公開了本實用新型，然其并非用以限制本實用新型，凡采 用等同替換或者等效變換方式所獲得的技術方案，均落在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置，包括CPU板、電源板 和信號處理板，其特征在于所述CPU板分別與信號處理板的轉速/頻率測量處理電 路、開關量輸入隔離電路、開關量輸出隔離電路、模擬量輸入處理電路、模擬量輸出處 理電路及通訊接口相連，所述通訊接口與調試計算機相接，所述模擬量輸出處理電路引 出綜合輸出信號至比例伺服閥及功放，并引出模擬輸出信號表示接力器行程；所述模擬 量輸入處理電路分別與主接力器位置信號線、主配壓閥位置信號線、伺服比例閥位置信 號線、控制器輸出信號線相連；所述轉速/頻率測量處理電路與機組頻率或轉速信號線 相連。
2.根據權利要求1所述的實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置，其特 征在于所述模擬輸入處理電路包括模擬量單端輸入處理電路和模擬量差動輸入處理電 路，其中主接力器位置反饋信號接入模擬量單端輸入處理電路，主配壓閥位置信號、伺 服比例閥位置信號、控制器輸出信號接入模擬量差動輸入處理電路。
3.根據權利要求2所述的實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置，其 特征在于所述模擬量單端輸入處理電路包括輸入電壓增益調整電路、二階有源濾波電 路、電壓反向電路、二級管鉗位電路，模擬信號經過電壓增益調整電路變換到0到-5V范 圍，再通過二階有源濾波電路濾去高頻信號，再經過電壓反向電路變換為0到+5V，最后 通過二級管鉗位電路限制輸入信號不超過鉗位電壓，保護AD輸入，最后送到CPU的AD 通道采集。
4.根據權利要求2所述的實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置，其特 征在于所述模擬量差動輸入處理電路包括差動輸入接口電路、反向增益調整電路、偏 置電路、二級管鉗位電路，模擬信號經過差動輸入接口電路變換到+IOV -IOV范圍， 再通過電壓反向增益調整電路變換到-2.5V +2.5V，再通過+2.5V偏置電路變換為0 +5V,最后通過二級管鉗位電路送到CPU的AD通道采集。
5.根據權利要求1所述的實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置，其特 征在于所述模擬量輸出處理電路包括模擬量電壓輸出處理電路和模擬量電流輸出處理 電路，其中模擬量電壓輸出處理電路的電壓輸出表示綜合輸出信號，用于控制比例伺服 閥功放，模擬量電流輸出處理電路的電流輸出表示接力器行程的模擬信號，用于儀表顯示。
6.根據權利要求5所述的實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置，其特 征在于所述模擬量電壓輸出處理電路包括PWM波產生電路，PWM波濾波電路、電壓 增益調整電路，所述PWM波產生電路包括CPU片上集成的PWM通道，由CPU產生高 頻PWM波后，經過濾波積分電路變換成0到-5V直流信號，再經過電壓增益調整電路最 后變換成0到+IOV信號輸出。
7.根據權利要求5所述的實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置，其特 征在于所述模擬量電流輸出處理電路包括PWM波產生電路、PWM波濾波電路、電壓 /電流變換電路、增益調整電路，由CPU產生高頻PWM波后，先經過濾波積分電路變換 成0到-5V直流信號，再經過電壓/電流變換以及增益調整電路，最后變換成0到20mA 信號輸出。
8.根據權利要求1所述的實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置，其特征在于所述轉速/頻率測量處理電路用于采集發(fā)電機轉速或頻^，包括二極管鉗位電 路、二階有源濾波電路、過零點比較電路，光耦隔離電路，需要采集的信號先通過二極 管鉗位電路，再通過二階有源濾波電路濾去高頻信號，然后經過過零點比較電路變成方 波后再通過光耦隔離電路變成0-SV的標準方波信號，輸入CPU的高速輸入通道進行測量。
專利摘要本實用新型公開了一種實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)手動閉環(huán)控制的智能裝置，包括CPU板、電源板和信號處理板，其特征在于所述CPU板分別與信號處理板的轉速/頻率測量處理電路、開關量輸入/輸出隔離電路、模擬量輸入處理電路、模擬量輸出處理電路及通訊接口相連，所述通訊接口與調試計算機相接，所述模擬量輸出處理電路引出綜合輸出信號至比例伺服閥及功放，并引出模擬輸出信號表示接力器行程；所述模擬量輸入處理電路分別與主接力器位置信號線、主配壓閥位置信號線、伺服比例閥位置信號線、控制器輸出信號線相連；所述轉速/頻率測量處理電路與機組頻率或轉速信號線相連。本實用新型不需要引入機械反饋可實現調速器手動操作時主接力器的閉環(huán)控制。
文檔編號F03B15/00GK201794708SQ20102015658
公開日2011年4月13日 申請日期2010年4月13日 優(yōu)先權日2010年4月13日
發(fā)明者張?zhí)? 朱軍, 朱祥, 蔡衛(wèi)江, 蔡曉峰, 陳東民, 陳曉勇, 陳登山 申請人:南京南瑞集團公司, 國網電力科學研究院