HGS型调速器电气柜使用说明书.docx

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HGS型调速器电气柜使用说明书

HGS型微机调速器电气柜原理、使用说明书

目次

HGS型微机调速器电气柜原理、使用说明书

1概述

本电气柜为水轮机电液调速器两个重要组成部分之一，完成调速系统主要控制规律与操作保护功能，同机械液压随动系统配合，控制水轮发电机组频率及有功功率，以实现机组开机、停机、并网、发电、调相等功能，并可与电站监控系统通讯，接受监控系统控制。

该电气柜以工业控制微机为硬件核心，采用双微机通道冗余控制结构，并配以彩色平板电脑做为操作显示接口，具有良好全中文图形人机界面和在线帮助系统，操作简单方便。

电气柜为模块化硬件结构，易于维护、维修，可靠性高。

2系统构成、原理与特点

该微机调速器电气柜是以工控机为核心双微机调节器，它适用于单调或双调水轮发电机组。

主要由以下部分组成：

2.1彩色平板电脑，作为微机调节器人机接口与显示界面，同时负责与电站监控系统通讯控制。

它可以实时显示调节器双微机控制器各种运行参数与曲线，并可对各种控制参数进行修改。

2.2两套独立工控机，包括各种数据采集与输出接口卡，完成调速器各种调节控制与保护功能。

两套独立工控机中，一套为主机，另一套为热备用机。

当其中一套微机系统出现故障时，该系统所有输出断开，另一子系统上相应输出闭合。

如果故障子系统原为在线系统，则系统无扰动切到备用子系统；如果故障发生在备用子系统，则该子系统只需退出备用。

若两套系统同时故障时，系统自动切换到手动运行。

任何一套微机故障均有相应指示。

双机及彩色平板电脑间通过ARCNET网络相连，完成数据交换、显示与控制参数修改。

2.3该微机调节器与比例伺服型全液控液压随动系统相连，采用高可靠性直线位移传感器与比例阀功放模块，确保了导叶接力器反馈与电液转换可靠性与准确性。

2.4两套大功率工业级开关电源，将厂用220VAC与220VDC供电电源变换成直流24VDC电源后作为调速器供电电源，提高了供电系统可靠性。

3系统调节原理

微机调节器采用并联PID调节规律。

当油开关闭合或油开关断开但网频fw故障时，频差为频率给定fg与机组频率fj之差；当油开关断开且网频fw正常时，频差为电网频率fw与机组频率fj之差再加上一固定频率差，以使机组频率略高于电网频率，便于机组快速并网。

该调速器具有三种调节模式：

①转速（频率）调节模式：

频率死区Ef=0，PID调节；

②功率调节模式（并网且功率测量正常）：

频率死区Ef=0~0.5Hz，PID调节；

③开度调节模式（并网后）：

频率死区Ef=0~0.5Hz，PID调节。

图1PID调节原理框图

在空载工况下只有频率调节模式，而在负载工况下则具有频率、功率和开度三种调节模式，可人为设定为任何一种调节模式。

当处于功率调节模式时，如果功率测量故障，则自动切换到开度调节模式；在功率和开度调节模式时，如果机组频率与额定频率之差超过一定范围，则自动切换到频率调节模式。

各种调节模式间切换由于设有状态跟踪，故均为无扰切换。

对不同调节模式设有不同PID调节参数。

4开机及停机特性

4.1开机特性

4.1.1基本开机特性

接到开机指令后，调速器将导叶开启至第一开机开度YK1（1.6倍空载开度YNL），等待一定时间后，开始检查机组频率，如果机组频率大于45Hz，则将导叶关闭至第二开机开度YK2（1.2倍空载开度YNL），调速器即由开机工况转入空载工况，进行PID调节。

如果在开机过程中接到停机指令，则转入停机工况。

4.1.2开机特性与水头关系

开机过程中第一开机开度YK1和第二开机开度YK2均与水头有关，调速器中保存有空载开度YNL与水头关系曲线，根据实测或运行人员输入水头值，调速器自动计算出对应水头YK1和YK2值。

总趋势为：

低水头值对应大YK1和YK2，高水头值对应小YK1和YK2。

4.2停机特性

当接到停机指令后，导叶即由当前开度，以第一停机速度将导叶关闭；当导叶关闭至一定开度时，即以第二停机速度将导叶关闭至全关位置。

5调节器功能及特点

5.1该微机调节器以成熟、高可靠工业控制微机为其硬件核心，再配以专业制造厂生产工业级大功率开关电源；高可靠性继电器、按钮、直线位移传感器、比例阀功放模块以及专用智能测频模块等器件。

整个结构采用模块化设计，极大提高了其运行可靠性，且易于维护、维修。

5.2采用彩色平板电脑做人机显示接口，配以简洁清晰全中文图形界面，可实时显示机组当前状态、运行参数及各种故障信息；并可通过菜单修改空载、负载运行参数、人工水头、人工失灵区和负载工况调节模式等。

具有人机界面友好、操作简单方便等特点，并具有在线帮助功能，易于使用。

5.3具有三种调节模式：

转速调节、开度调节、功率调节，可适应于水电站不同运行方式要求。

5.4可人工输入水头信号，当水位传感器故障或无水位传感器时，作为调速器水头信号，以适应不同电站对水位信号要求。

5.5具有适应水头变化调节参数、开机特性和最大出力限制特性，从而可优化机组运行。

5.6实时检测并显示调速器各种硬件故障信息，提高了调速器对机组控制可靠性。

通过故障自诊断及自定位，缩短了调速器维护维修时间。

5.7具有RS232/RS422/RS485通讯接口，可方便地与电站监控系统相联，接受监控系统控制。

5.8在开机过程中设置了两段开机规律，且各开度值随水头变化而变化，故机组在开机过程中能快速、稳定地进入空载状态。

5.9为使机组安全、快速停机，设置了电气两段关闭过程，其拐点和斜率均可设定。

5.10机组和电网频率测量采用了专用智能测频模块，具有测量精度高，动态响应快，抗干扰能力强等特点。

5.11功率和开度调节采用了前馈控制方式，能迅速、准确地改变机组功率和开度。

5.12内嵌式调速器性能测试系统，可用于调速系统静、动态性能指标自动测试。

如测试调速器转速死区、非线性度等静态指标及空载摆动、甩负荷超调量及调节时间等动态指标；能以表格和曲线形式自动显示和记录试验结果，并自动计算评价动态过程数据，使调速器调试更加方便。

5.13软件编制采用C及C++语言和模块化结构，确保了软件运行可靠性与稳定性，易于软件维护、修改和功能扩充。

6容错及故障保护功能

6.1调速器采用两套完全相同微机子系统构成（A、B），互为热备用并同步运行，当其中一套子系统出现故障时，该系统所有输出断开，另一子系统上相应输出闭合。

如果故障子系统原为在线系统，则系统无扰动切到备用子系统；如果故障发生在备用子系统，则该子系统只需退出备用。

若两套子系统同时故障时，系统自动切换到手动运行。

6.2机组频率测量采用双路信号源，双路测频通道，互为备用。

当某一路信号存在故障时，由相应软件处理模块自动切换至另一正常支路。

若双路频率信号同时故障，则调速器维持当前开度不变，并切至手动状态。

6.3采用高性能、高可靠性直线位移传感器作为导叶反馈信号。

当导叶反馈故障时，调速器将切至手动运行状态，并维持当前开度不变。

6.4微机调节器输出功率放大采用与比例阀配套功率放大板。

自动判断比例伺服阀及控制输出伺服环是否故障。

若发生故障时，调速器切至手动运行状态，并维持当前开度不变。

6.5可实时诊断机组频率、电网频率、开关量输入输出、A/D通道、D/A通道、通讯等多种调速器硬件故障，并能随时通过菜单操作查询其故障信息。

7系统硬件配置及软件结构

7.1机箱：

选用壁挂式机箱，配以工业级直流24VDC输入供电电源。

机箱为全钢结构，密封、防尘、抗震，并通过UL/CSA安全认证。

7.2主板（CPU板）：

选用半长CPU卡，配以Intel80486DX4或以上CPU、8M内存、2M固态电子盘。

另包括一个RS232串行口、一个RS232/RS422/RS485串行口、一个增强型双向并行口及键盘接口等。

CPU板功耗低，可靠性高，其平均无故障时间（MTBF）＞60000小时。

另外，它还带有监视CPU运行异常和应用程序“跑飞”系统级看门狗（WatchDog），保证系统连续、可靠地工作于恶劣工业环境。

7.3程序存储器：

采用FlashMemory（也叫闪烁存储器）固态电子盘，用来存储操作系统、应用程序和数据。

7.4模拟量数据采集板：

采用高性能隔离数据采集卡，可对32路单端输入或16路双端输入模拟信号进行模/数转换，其分辨率为12位，信号输入范围可通过软件设定，双极性为±2.5V、±5V、±10V等，单极性可为0～2.5V、0～5V、0～10V等，采样频率达100KHz以上。

自动通道扫描电路和板上自带1K字节先入先出（FIFO）数据缓存器，可以保证自动高速多通道循环数据采集实现。

7.5模拟量输出板：

采用隔离型八通道数模转换卡，分辨率为12位。

输出信号可为0～5V、0～10V、±5V、±10V或4～20mA电流信号。

7.6开关量输入输出板：

具有8路继电器输出通道和8路光电隔离开关量输入通道。

7.7通讯模块：

调节器微机A、微机B及平板电脑构成一局域网，相互之间数据交换采用ARCNET网络通讯，通讯波特率为2.5MB，可靠性高。

7.8信号调理模块：

采用标准隔离型模拟信号输入/输出调理模块，适用于工业运行环境，以工业标准DIN-Rail方式安装。

可接受±10mV、±50mV、±0.5V、±2.5V、±5v双极性电压输入或0～20mV、0～100mV、0～1V、0～5V、0～10V单极性电压输入或±20mA双极性电流输入及0~20mA单极性电流输入信号；可选择±5V双极性电压输出，或0-10V单极性电压输出；并可利用选择开关在现场进行设定，使得在系统规划上保留最大弹性。

该模块可提供1000VDC隔离功能。

其光隔离技术比传统变压器拥有更高抗电磁干扰能力，且功率消耗较低。

7.9智能测频模块：

两路机组电压互感器（TV）信号和一路电网TV信号直接输入测频模块，经信号隔离变压器后送入整形电路，由单片微处理器测出机组频率和电网频率后经RS232通讯接口输入工控机。

TV信号幅值范围为0.3V~180V，线性频率范围为10~90Hz，测频分辨率小于0.001Hz。

测频模块采用高质量、低功耗大规模集成电路构成，并采用通道冗余结构确保了测频模块高可靠性。

7.10导叶位移传感器：

采用高性能、高可靠直线位移传感器。

其供电电源为24VDC，输出为4~20mA电流信号，分辨率为25μm，非线性<±0.02%F.S.（全行程），重复误差<±0.001%F.S.。

7.11比例阀功放板：

采用BOSCH公司与其比例阀配套功率放大板，供电电源为24VDC，输入信号为±10V。

7.12应用软件：

应用软件开发采用具有良好模块化结构C及C++程序设计语言，在BorlandC++3.1集成开发平台上编制而成。

应用软件按程序任务可分为以下几个相对独立模块：

·人机界面及管理软件；

·调节控制及故障处理软件；

·通讯软件；

·调速器性能测试软件；

·性能测试结果打印输出软件。

8操作与显示

该微机调速器电气柜各种操作控制通过一20键工业小键盘实现，操作结果由彩色平板电脑显示，20键小键盘布局如图所示。

各键功能定义见下表。

键名

功能定义

F1

系统帮助菜单功能热键，处于菜单操作时有效

F2~F7

菜单功能热键，其定义参见软件帮助说明

取消

操作放弃键

确认

操作确认键

←、→

菜单选项左、右移动键

↑、↓

菜单选项上、下移动键及参数修改时数据增、减键

主机切换

微机A与微机B间工作主机切换键

给定增加

当前给定增加操作键

给定减少

当前给定减少操作键

死区投入

人工频率死区投入键

死区切除

人工频率死区切除键

所有操作结果显示均通过一彩色平板电脑实现。

彩色平板显示器上长期固定显示参数有：

①机组当前运行工况，如停机、空载、发电；

②死区投入/切除及手动/自动运行状态指示；

③当前调节模式，如频率调节、开度调节、功率调节；

④频率/开度/功率给定指示（随调节模式而变）；

⑤机组频率、开度、功率值模拟指针式指示与数字显示；

⑥当前运行主机；

⑦微机A与微机B故障指示，表示当前微机A与微机B是否有故障发生，但其所指示某些故障并不影响微机正常运行；

⑧水头、空载开度、电气开限显示。

多数操作结果通过一弹出窗口进行显示，如各种参数修改、系统详细故障查询、模拟量及开关量输入结果显示、调节器控制输出显示等。

9主要参数

9.1频率信号源幅值范围：

0.3VAC～180VAC

9.2测频范围：

10~90Hz

9.3频率给定范围：

45HZ～55Hz

9.4开度及功率给定范围：

0～100%（120%）

9.5永态转差系数范围：

0～10%

9.6频率死区整定范围：

0～0.5HZ

9.7PID参数整定范围：

比例增益Kp：

0.5～20

积分增益Ki：

0.05～101/s

微分增益Kd：

0～5s

9.8调速器静特性近似为直线

9.9测至主接力器转速死区：

≤0.04%

9.10接力器不动时间：

≤0.2s

9.11供电电源

交流电源：

220VAC±20%、50Hz单相

直流电源：

220VDC（180~300V）

9.12柜体尺寸：

长×宽×高=800×800×2200

9.13整机重量：

约400Kg

10维护与维修

10.1一般性检查

为了保证调速器安全运行，运行操作人员应经常对调速器进行以下几方面监视与检查。

·柜体前门上微机A、微机B正常工作指示灯是否正常（正常时点亮）；

·测频模块上绿色发光二极管“TXD”是否闪烁（正常时闪烁）；

·平板显示器上微机A、微机B是否有故障指示。

若有故障指示，则可通过“状态查询”菜单下“故障信息”子菜单，查找详细故障原因，进而排除故障。

10.2常见故障类型及故障排除

类型

可能原因

纠正方法

测频故障

①通讯线或信号线断开

②模块绿色发光二极管不闪烁

③模块信号输入通道损坏

①正确接线

②模块CPU损坏，更换模块

③更换测频模块

导叶反馈

故障

①导叶位置反馈信号线断开

②导叶位置传感器电源消失

③导叶位置反馈信号调理模块损坏

①检查反馈信号线

②更换相应电源保险管

③更换相应信号调理模块

主阀反馈

故障

①主阀位置反馈信号线断开

②主阀位置传感器电源故障

③主阀位置反馈信号调理模块损坏

①检查反馈信号线

②更换电源模块

③更换相应信号调理模块

切自动主阀振荡

①主阀反馈信号极性接反

②主阀反馈信号故障

①交换主阀反馈调理模块输入

②按主阀反馈故障处理

功率反馈

故障

①功率反馈信号线断线

②功率传感器故障

①正确接线

②更换功率传感器

网络通讯

故障

①网络通讯线断开

②网络通讯板故障

①正确接线

②更换相应网络通讯板卡

备注：

在表中只列出了几种故障类型可能故障原因和排除故障一般方法，有故障得结合实际情况综合考虑。

11注意事项

11.1保存条件

本装置在安装前应置于-5～+40℃温度范围内保存，相对湿度不大于90%，室内无酸、碱、盐及腐蚀性、爆炸性气体，不受灰尘，雪雨等侵害。

11.2在安装使用前，应先仔细阅读本说明书及有关图纸及技术资料，并参考相关操作规程。

11.3电气柜安装调试应按制造厂提供安装调试说明书进行操作，如无特殊情况，不宜变动柜体内部接线及部件。

11.4除正常检修外，应关闭好电气柜柜门，避免灰尘等有害物质侵入柜体，影响电气回路正常工作。

11.5电气柜应定期进行清理及维护，以保证设备处于良好工作状态。