贝加莱 PCC 测频测相装置研究

        目前发电机微机调速器频率与相位测量装置一般均采用单片机实现, 其硬件为自制件, 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, 致使频率与相位测量环节可靠性较低, 甚至运行中还可能出现单片机死机, 使频率与相位测量环节失灵, 从而使调速器整机的可靠性大大降低, 严重影响调速器的安全可靠运行。本文提出一种基于可编程计算机控制器(PCC) 的发电机调速器频率与相位测量装置, 克服了单片机频率与相位测量装置的缺点与不足。

1 PCC 及时间处理单元(TPU)
       可编程逻辑控制器(PLC) 从诞生以来, 不断吸收微电子和微机技术的最新成果, 发展十分迅速。1994年奥地利B&R 公司提出了“可编程计算机控制器(Programmable Computer Controller, PCC) ”的概念, 将计算机的多任务分时操作系统及高级编程语言引入可编程计算机控制器, 从而使PCC 既具有PLC 的高可靠性又具有计算机的快速、多任务和编程通用化的特点。本频率相位测量装置就是采用奥地利B&R 公司可编程计算机控制器2003系列的模块CP474作为基本单元, 选用32 位MotorolaM 68300微处理器作为其CPU。该微处理器有一个时间处理单元(TPU ) , 主要用于外部处理事件计数、门电平时间测量、频率测量、脉宽调制等与时间有关的任务( tim ing tasks) , 减少CPU 模块为处理这些任务调用中断服务程序所占用的时间。时间处理单元的结构框图如图1所示。TPU 由处理器、中断寄存器、接口寄存器(RAM )、定时器TCR1及TCR2与输入输出通道等组成。TPU 由接口寄存器组通过1MB 的内部总线与CPU 通信, 接口寄存器组包括系统配置寄存器、系统保留与测试寄存器、通道控制寄存器及通道参数寄存器, 它们分别用于系统配置、系统保留与测试、通道切换控制及通道参数传递。当有外部事件发生时, 由输入输出通道向中断寄存器发出请求信号, 中断寄存器通知处理器并进行相应处理。定时器TCR1及TCR2的分频系数确定TPU的时钟频率。对CP474来说, 分频系数为8, 因而TPU的时钟频率为4MHz。基于PCC 的频率相位测量就是直接利用可编程计算机控制器时间处理单元(TPU ) 在待测信号的周期内以频率为4MHz 的计数, 从而测得电网频率、机组频率以及它们的相位差。

2　测频测相原理及软硬件设计
2. 1　测频测相环节系统
        PCC 测频测相装置系统结构如图2所示。它由整形放大电路、数字量输入模块D I135及CPU 模块CP474 3部分组成。整形放大电路将机组或电网频率信号整形为同频率的方波信号, 经D I135隔离并滤波后送入CP474的TPU 输入通道。图中机组频率信号f j 整形放大后经D I135的I1和I2通道送入TPU 的CH0和CH1, 而电网频率信号f w 整形放大后经D I135的I3和I4通道送入TPU的CH2 和CH3, 其中CH0和CH3分别用于测量机组频率和电网频率, 而CH2和CH4用于测量机组和电网频率信号的相位差。

                                                                               图2　测频测相硬件原理图
2. 2　基于PCC 的频率相位测量
2. 2. 1　功能模块TPU
      时间处理单元(TPU )功能模块包含TPU 操作系统、TPU 配置、完成特定功能的TPU 程序模块等, 应用程序通过它与TPU 通信传递参数和数据。
该功能模块由B&R 公司专门研制的TPU 编码连接器(TPU Code L inker) 产生, 并在CPU 热启动(warm start) 时将自己传入TPU的RAM 中, 并从此接管TPU让它完成用户特定的功能。本装置中频率测量部分选用以内部时钟为基准的门时间测量模块TPXciX  , 相位测量部分选用具有时间标志的数字量输入模块L TXditX, 将D I135 配置在CP474的插槽SLOT1 (这时D I135的I1～ I2对应于TPU的CH0～ CH3) , 机组频率信号从D I135的通道I1与I2输入, 电网频率信号从D I135的通道I3与I2输入, 其中通道I1与I3用于机组频率与电网频率测量, 通道I2与I4用于相位差测量。
2. 2. 2　频率测量
     频率测量时, 为了避免输入信号电压幅值变化影响测频精度, 采用测1个信号周期而不是半个信号周期, 因此设置L TXciX为循环测量连续2个上升沿之间的周期长度, 且每个信号周期均被测量。L TXciX在所测信号周期结束时, 输出该周期内计数器的计数差值D ifCnt 及有效测量序号RdyCnt,RdyCnt 的值在每个有效测量后加1。设TPU 计数器的频率为f c, 则所测频率为
f = fc/DifCnt
     在额定频率50 Hz 附近且f c= 4MHz 时, 测频分辨率为6. 25×10- 6Hz。虽然TPU 采用16位计数器, 但模块TPXciX通过软件方式将其扩充为32位, 当调用周期小于8. 2 m s 时, TPXciX模块可保证正确的32位计数器输出, 因此理论上计数器的计数范围为0～ 4 294 967 295, 在时钟频率4MHz 时, 测频下限小于0. 001 Hz。但由于电压互感器及隔离变压器等因素的限制, 并考虑到实际应用的需要, 取测频下限为2 Hz, 且在2 Hz 以下时认为频率为0。D I135的输入响应为Ls 级, 其最大输入频率为100 kHz, 可见该测频方式的上限可以很高, 考虑到发电机调速器的实际需要, 取其测频上限为100 Hz。
2. 2. 3　相位测量
     由于TPU 的所有模块采用同一时间基准, 仅需将机组频率信号和电网频率信号分别送入TPU
的2个通道即可用模块L TXditX对其相位进行测量。测量时, 以电网频率信号为基准。当电网频率信号的上升沿到达时, TPU 通道CH3向通道CH1送一连接信号, 并读出计数值time0; 当机组频率信号的上升沿到达时, TPU 直接读出计数器计数值time2, 因此电网频率f w 超前机组频率f j 的时间为
    ∆T = ( tim e2- tim e1)/f c

U=∆T ×f w ×360°
式中U为超前相位角, 其数值范围为0～ 360°。在实际应用时, 当0< U< 180°时则表示电网频率相位超前机组频率相位; 当180°< U< 360°时则表示电网频率相位滞后机组频率; 当U= 180°时表示2个频率信号反相。根据发电机调速器的实际需要, 相位差仅在机组频率与电网频率接近时测量, 当它们的频率差较大时, 相位差测量程序关闭。有了机组频率和电网频率的相位差, 便可在机组空载跟踪工况实现频率与相位控制, 从而加快机组同期过程。

3 应用实例
     采用这种测频测相方式的PCC 调速器, 2000年4月安装于陕西石泉鹅项颈发电厂3号机组上, 并对该调节系统进行了全面的试验。试验表明, 其性能指标满足或优于国标GBöT 9652. 121997的要求。其中主要特性试验结果如下:
(1) 开机并网时间为65 s。
(2) 甩25% 额定负荷时, 接力器不动时间为0. 18 s;
(3) 甩100% 额定负荷时, 转速最大上升为额定转速的132% , 调节时间为25 s。
试验后调速器即投入运行, 同期并网速度快, 运行稳定, 且具有较高的可靠性, 获得了用户的好评。

4　结语
(1) 由整形电路和可编程计算机控制器(PCC)配以适当软件实现了测频测相功能, 并取代单片机测频测相装置, 使测频电路大为简化。
(2) 采用可编程计算机控制器(PCC) 作为测频测相装置的硬件, 其平均无故障率可达50×104 h,提高了系统的可靠性。
(3) 可编程计算机控制器内部计数器的计数脉冲频率为4MHz (周期为0. 25×10- 3m s) , 用其直接测量频率信号的当前周期, 在50 Hz 附近其测频分辨率可达0. 000 625 Hz, 因而该测频装置具有较高的测频精度及动态品质。
(4) 增加相位测量, 提高了机组并网速度。

参考文献:
[ 1 ]　赵坤耀. 水轮机调速器发展综述[J ]. 水力发电学报, 1996, (1) :78283.
[ 2 ]　刘国范, 等. 大型水轮机调速器测频装置的研究[J ]. 大电机技术, 1994, (2) : 59263.
[ 3 ]　陈启卷, 等. 水轮机PLC 调速器数字测频的研究[J ]. 大电机技术, 1994, (4) : 49252.
[ 4 ]　齐蓉. 新一代可编程计算机控制器技术[M ]. 西安: 西北工业大学出版社, 2000.
收稿日期: 2001-04-09; 　改回日期: 2001-04-28。
作者简介:
南海鹏, 男, 副教授, 研究方向为水力机械及自动化。
(编辑　查仁柏)