[摘要]本文提出了一種用于水輪機調速器的可編程計算機控制器PCC型測頻裝置，與可編程邏輯控制器測頻裝置相比，具有更高的測量精度和響應速度；與傳統的單片機測頻裝置相比，硬件電路大大簡化，且極大地提高了測頻裝置的可靠性
　　[關鍵詞]水輪機； 調速器； 頻率測量； 可編程計算機控制器
　　1. 引言
　　目前，水輪機調速器測頻環節一般均采用單片機實現，其硬件為自制件，且各廠家均為小批量生產，故元件檢測、篩選、老化處理、焊接及生產工藝等都受到限制，造成測頻裝置可靠性較低，甚至運行中還可能出現單片機死機，使測頻裝置失靈，從而使調速器整機的可靠性大大降低，嚴重影響調速器的安全可靠運行.專利CN1209551A中提出一種采用可編程邏輯控制器PLC為硬件的測頻裝置，雖然提高了測頻裝置的可靠性，但其以周期為0.1ms的脈沖作為計數器的計數脈沖，且測量當前頻率信號周期前連續50個周期的平均頻率，因此當信號頻率發生階躍變化時，經過1s的過渡過程才能準確反映被測信號的頻率，而過渡過程內存在較大誤差( 綜上所述，單片機測頻裝置可靠性較低，而PLC 測頻裝置雖然提高了可靠性，但頻率信號動態變化時測頻精度低且階躍響應時間常數大，嚴重影響了水輪機調節系統的動態品質，甚至當電網頻率變化時造成調速器反應遲鈍.
　　本文提出一種基于可編程計算機控制器（PCC）的水輪機調速器測頻裝置，克服了上述影響調速器安全可靠運行和影響水輪機調節品質的缺點與不足.
　　2.PCC測頻原理及系統組成
　　PCC測頻裝置系統結構如圖1所示.CPU模塊CP474內部具有時間處理單元TPU，該處理單元利用其內部4MHz的計數時鐘測量輸入脈沖的頻率，而DI135 的作用就是將整形后的機組或電網頻率信號傳至TPU.PCC測頻的基本思路是：先將機組或電網頻率信號整形為同頻率的方波信號， 該方波信號經DI135 送入CP474的YPC輸入通道，TPU讀取方波信號兩相鄰上升沿之間的計數值N，則所測頻率為

　　式中，fe為PCC 內部計數器的計數頻率.
　　2.1 PCC 基本單元
　　本測頻裝置采用奧地利B&R 公司可編程計算機控制器2003系列的CP474模塊作為基本單元，它選用32位Motorola M68300微處理器作為其CPU.該微處理器具有一個時間處理單元（TPU)，主要用于外部處理事件計數、門電平時間測量、頻率測量、脈寬調制等與時間有關的任務（timing tasks），減少CPU模塊為處理這些任務調用中斷服務程序所占用的時間.時間處理單元的結構如圖2 所示.TPU由處理器、中斷寄存器、接口寄存器（RAM）、定時器（TCR1與TCR2）及輸入輸出通道等組成.TPU由接口寄存器組通過1MB的內部總線與CPU通訊，接口寄存器組包括系統配置寄存器、系統保留與測試寄存器、通道控制寄存器及通道參數寄存器，它們分別用于系統配置、系統保留與測試、通道切換控制及通道參數傳遞.當有外部事件發生時，首先由輸入輸出通道向中斷寄存器發出請求信號，再中斷寄存器通知處理器并進行相應處理.定時器TCR1 及TCR2的分頻系數確定TPU的時鐘頻率，對CP474來說，分頻系數為8，而TPC 的時鐘頻率為4MHz.

　　圖1 PCC 測頻系統結構示意

　　圖2 TPU 結構示意

　　2.2 數字量輸入模塊
　　數字量輸入模塊的作用就是把頻率整形電路輸出的與被測信號同頻率的方波信號送入TPU 的輸入輸出通道.本裝置選用DI135模塊，該模塊具有4路高速數字量輸入，且采用光電隔離，其輸入過濾器滯后為3us.DI135本身還能進行故障診斷，并通過主機將故障類型讀出，這些故障包括24V電源掉電、硬件錯誤、反向及短路保護等.
　　2.3 整形電路
　　頻率整形電路如圖3所示.經隔離變壓器隔離的頻率信號送入T型濾波器（R1、R2、C1）濾波，再經嵌位二極管電路（D1、D2）限幅，然后經RC(R3、C2）再次濾波送入滯環比較器U1，其輸出的與所測信號同頻率的方波信號再送至數字量輸入模塊DI135.為保證可靠性，整形電路的元件全部選用軍品級材料.

　　圖3 頻率整形電路原理

　　3.PCC測頻裝置軟件設計
　　3.1 PCC多任務分時操作系統
　　PCC將整個操作界面分成數個具有不同優先權的任務等級（task class），其中優先權高的任務等級有著較短的巡回掃描周期，而且每個任務等級可包括多個具體任務，在這些任務中間可再細分其優先權的高低.在這種操作系統的管理下， 任務總是按其優先權等級的高低依次執行.這樣，可以將比較重要的任務所定義的任務等級高一些， 如調節任務，中斷任務（由硬件產生的中斷觸發）；而將一些較一般的任務所定義的任務等級低一些，如人機接口任務等. 這樣整個控制系統便得到優化，具有更好的實時性.
　　B&R2003系列可編程計算機控制器為用戶提供兩種不同的任務層：標準任務層和高速任務層.
　　標準任務層的任務切換由系統管理器來完成，2003 系統的CPU 模塊提供了4個任務層，按其優先級依次為TC#1、TC#2、TC#3及TC#4.用戶可通過編程系統設置這些任務等級的循環時間（掃描周期），循環時間可以從10ms 到500ms（以10m為步長）.
　　高速任務層是由硬件定時器來觸發，2003系統的CPU模塊僅有1 個任務層（HS#1）.高速任務層的優先級系統管理器和標準任務層，可以在一個確切的時刻中斷其他任務. 用戶同樣可通過編程系統設置該任務等級的循環時間，循環時間可以從1ms到20ms（以0.5ms為步長）.
　　3.2 PCC 測頻軟件
　　測頻軟件分為TPU功能模塊和測頻程序兩部分.TPU功能模塊. TPU功能模塊包含TPU操作系統、TPU 配置、完成特定功能的TPU程序模塊等，應用程序通過它與TPU通訊傳遞參數和數據. 該功能模塊由B&R 公司專門研制的TPU編碼連接器產生，并在CPU熱啟動時將自己傳入TPU的RAM中，并從此接管TPU讓它完成用戶特定的功能. 本裝置中選用以內部時鐘為基準的門時間測量模塊TPXciX（），將DI135配置在SLOT1，機頻信號從DI135 的第一通道輸入，網頻信號從DI135 第二通道輸入.
　　測頻程序.測頻程序完成TPU 功能模塊TPXciX（）的調用、測頻計算、濾波及軟件容錯等功能，它用PCC 獨有的高級語言PL20000編制, TPU 硬件計數器為16 位，功能模塊TPXciX（）的調用周期必須小于8.2ms以處理計數器溢出，故測頻程序分兩個模塊：一個置于高速任務層，用于調用TPXciX，其循環時間設置為5ms；另一個置于普通任務層TC#2，進行TPXciX）初始化、測頻計算、濾波及冗余處理，其循環時間設置為20ms，以節省CPU資源.
　　3.3 測頻范圍及精度
　　前面提到TPU 采用16 位計數器，但TPXciX（）模塊通過軟件方式將其擴充為32位，在5ms（小于8ms）調用周期下，TPXciX（）模塊可保證正確的32 位計數器輸出，因此理論上計數器的計數范圍為0~4294967295，在4MHz 時鐘頻率時，測頻下限小于0,001Hz. 但由于電壓互感器及隔離變壓器等因素的限制，并考慮到實際應用的需要，取測頻下限為2Hz，且2Hz 以下時認為頻率為0.DI135 的輸入響應為事件微米級，其最大輸入頻率為100KHz，可見該測頻方式的上限可以很高，考慮到水輪機調速器的實際需要I取其測頻上限為100Hz.
　　下面計算此測頻方式的分辨率. 在時鐘頻率4MHz 的情況下，由上述公式可知，在50Hz時，計數值N為80000，而N的分辨率為1，由此可得，f的分辨率為

　　可見，采用這種測頻方式，當頻率在50Hz附近時的分辨率為6.25×10-4Hz時，完全滿足水輪機調速器對測頻精度的要求.
　　3.4 測頻裝置軟件容錯及故障診斷
　　頻率測量是影響調速器可靠性的關鍵因素之一，軟件開發時應特別重視軟件的容錯及故障自診斷能力.
　　在軟件設計時按以下原則考慮：（1）發電機可能出現的轉速范圍為零到飛逸轉速；(2）連續2個采樣時刻頻率差值應小于 ，其中額定頻率為50Hz，T 為采樣周期， 為機組慣
　　性時間常數，若本次頻率值與上次頻率值之差的絕對值大于? ，則對機頻錯誤計數器加1，若錯誤計數小于一定值，則用上次頻率值作為本次頻率值，如果錯誤計數連續大于一定值，則承認本次頻率值；（3）對網頻或機組并入大電網時的機頻，若頻率值不在一定的頻率范圍內，且達到一定次數，則認為測頻出錯；
　　（4) 如果連續一段時間內沒有機頻網頻信號，則認為機頻網頻消失，且發生相應的報警信號.
　　4. 應用實例
　　采用這種測頻方式的PCC調速器，2000 年4月安裝于陜西省石泉鵝項頸水電站1號機上，并對該調節系統進行了全面試驗，試驗表明其性能指標滿足或優于國標（GB/T9652.1--1997）的要求, 其中，主要特性試驗結果如下：甩25%額定負荷，接力器不動時間為0.18s；甩100%額定負荷時，轉速最大上升為額定轉速的132%，調節時間為36s,試驗后的調速器即投入運行，運行狀況良好, 此后，又有數臺先后在四川省飛羅水電站、張掖龍渠三級水電站、陜西省石泉鵝項頸水電站2號和3號機投入運行，均運行穩定，且具有較高的可靠性.
　　由測頻整形電路和可編程計算機控制器PCC配以適當軟件完成測頻功能，并取代單片機及PLC測頻裝置，使測頻電路大大簡化.
　　采用可編程計算機控制器PCC作為測頻裝置的硬件，其平均無故障率達50萬h，提高了系統的可靠性.
　　可編程計算機控制器內部計數器的計數脈沖頻率為4MHz（周期為0.25×10-3ms），用其直接測量頻率信號的當前周期，在50Hz附近其測頻分辨率可達0.000625Hz，當信號頻率階躍變化時，僅20ms頻率信號為50Hz直接反映信號的精確頻率，故該測頻裝置具有較高的測頻精度及動態品質.
　　參考文獻
　　［1］ 趙坤耀, 水輪機調速器發展綜述［J］, 水力發電學報，1996，（1）：78-83
　　［2］ 劉國范等, 大型水輪機調速器測頻裝置的研究［J］, 大電機技術，1994，（2)：59-63
　　［3］ 陳啟卷等, 水輪機243 調速器數字測頻的研究［J］, 大電機技術，1994，（4）:49-52
　　［6］ 齊蓉, 新一代可編程計算機控制器技術［M］, 西安：西北工業大學出版社，2000

　　作者：南海鵬（男，37歲，副教授），王德意，王濤
　　（西安理工大學水利水電學院，陜西西安710048）