一种数模联合电液控制系统的制作方法
【专利摘要】一种数模联合电液控制系统，提出一种数模联合控制的概念，实现了汽轮发电机孤网运行下的电网频率快速调整和自动调整的结合。控制器输出的阀位给定指令与一次调频卡输出的快速一次调频指令经阀门曲线卡运算后输出至功放卡，控制电液转换器动作。快速一次调频控制回路为独立硬件结构，能够快速响应，大大缩短控制系统传递时间，解决了数字电液控制系统固有存在的控制器运算周期长，解决了目前汽轮发电机在孤网运行方式下存在的电网调频问题。
【专利说明】一种数模联合电液控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及汽轮发电机控制领域的控制系统，具体地说涉及一种孤网(小网)运行的数模联合电液控制系统。
【背景技术】
[0002]汽轮发电机是火力发电的重要设备，其控制系统是汽轮发电机的大脑和神经中枢，在火力发电与电网技术中有着无与伦比的重要性，长期以来承担着作为科研目的的重
要课题。
[0003]孤网是孤立电网的简称，一般泛指脱离大电网的小容量电网，电网中单机容量大于电网总容量的8%，即可认定为孤网。孤网运行的最突出特点，是由负荷控制转变为频率控制，要求调速系统具有符合要求的静态特性、良好的稳定性和动态响应特性，以保证在用户负荷变化的情况下自动保持电网频率的稳定。这就是通常所说的一次调频功能。运行人员关注的问题不再是负荷，而是调整孤网频率，使之维持在额定频率的附近。这就是二次调频功能。
[0004]一次调频:各汽轮发电机组并网运行时，受外界负荷变动影响，电网频率发生变化，这时，各机组的调节系统参与调节作用，改变各机组所带的负荷，使之与外界负荷相平衡。同时，还尽力减少电网频率的变化，这一过程即为一次调频。
[0005]二次调频:一次调频是有差调节，不能维持电网频率不变，只能缓和电网频率的改变程度。所以还需要增、减某些机组的负荷，以恢复电网频率，这一过程称为二次调频。只有经过二次调频后，电网频率才能精确地保持恒定值。
[0006]二次调频目前有两种方法:1、手动改变阀位给定指令，使负荷平衡，实现手动二次调频；2、根据实际频率与额定频率的偏差设定积分控制程序，实现自动二次调频。
[0007]过去汽轮机发电控制系统采用传统的机械液压式调节系统(MHC)，这种系统自动化程度低、迟缓率大，系统控制精度差。20世纪50年代中期，随着电子元件可靠性的提高，发展出不依靠机械液压式调节系统为后备的模拟电调系统(AEH)，采用纯模拟电路实现调节控制。
[0008]20世纪80年代中期，我国引进美国西屋公司的数字电液控制系统(DEH)技术，此种控制系统综合了数字计算机技术、液压技术、固体电子学技术，实现了汽轮机发电控制系统的信息化、集成化和系统化。但是该数字电液控制系统的主要缺陷是:为离散控制，控制器采用周期运算，存在采样失真和运算延迟，系统迟缓率高、滞后延迟大，导致系统稳定性下降。在汽轮发电机孤网运行中，由于孤网一次调频要求系统具有快速响应，只有将控制器运算周期设定得足够小，小于50ms，控制系统稳定性才能得到保证。而目前存在的该类型部分厂家控制系统，控制器运算周期长达200ms。在汽轮发电机孤网运行中使用时控制精度差，不能完成控制任务。该系统传递环节中，从测速到电液转换器输出响应传递时间超过260ms，从测速到油动机全行程响应传递时间超过460ms。而在汽轮发电机孤网运行中，要求全周期传递时间越短控制效果越好。该数字电液控制系统远不能满足该环境下使用要求，会导致汽轮发电机组工作不稳定，电网频率剧烈波动，严重时甚至引发停机和厂区失电事故。
【发明内容】
[0009]针对上述技术问题，本发明提供一种数模联合电液控制系统，采用纯硬件模拟信号构成的快速一次调频控制回路，大大缩短从测速到油动机全行程响应时间。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种数模联合电液控制系统，其特征在于，包括主控制器和从控制器，该主控制器和从控制器热冗余备用，其之间双向通信，该主控制器和从控制器输出阀位给定信号去阀门曲线卡，该阀门曲线卡的信号输出端连接有功放卡的第一信号输入端，该功放卡的输出端连接有电液转换器的输入端，该电液转换器的输出端输出用于调节油动机的控制信号，还包括用于检测油动机阀门开度的位移传感器，该位移传感器的信号输出端与所述功放卡的第二信号输入端连接；
还包括用于测量汽轮机转速的测速传感器，设置有三支独立的测速传感器，该三支测速传感器信号输出端分别连接有第一至第三测速卡的信号输入端，该第一至第三测速卡的信号输出端连接有一次调频卡的信号输入端组，该第一至第三测速卡的信号输出端还连接有I/o卡的信号输入端组，所述I/O卡还设置有用于接收实测压力和实测功率的输入端；所述I/o卡与所述热冗余主控制器和从控制器双向通信，所述一次调频卡的信号输出端与所述阀门曲线卡的信号输入端连接；
进一步特征，所述位移传感器为直线位移传感器LVDT，所述测速传感器为磁阻式传感器 CS-1。
[0011 ] 本发明的积极效果是:
本发明提出一种数模联合控制的概念，实现了汽轮发电机孤网运行下的电网频率快速调整和自动调整的结合。控制器输出的阀位给定指令与一次调频卡输出的快速一次调频指令经阀门曲线卡运算后输出至功放卡，控制电液转换器动作。快速一次调频控制回路为独立硬件结构，能够快速响应，大大缩短控制系统传递时间，解决了数字电液控制系统固有存在的控制器运算周期长，解决了目前汽轮发电机在孤网运行方式下存在的电网调频问题。
[0012]说明书附图
图1为本发明提出的汽轮发电机数模联合电液控制系统结构框图；
图2为本发明提出的汽轮发电机数模联合电液控制系统传递时间图；
图3为本发明实施例1的原理图；
图4为一次调频卡输入信号折线图；
图5为一次调频卡一次调频折线图；
图6为一次调频卡输出信号折线图；
图7为加法器的结构示意图；
图8为阀门曲线卡指令修正曲线图；
1-主控制器，2-从控制器,3-1/0卡,4- 一次调频卡,5-阀门曲线卡,6-功放卡,7-电液转换器，8-油动机，9-位移传感器，10-测速传感器，11-第一测速卡，12-第二测速卡，13-第三测速卡。【具体实施方式】
[0013]下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0014]如图1所示，一种数模联合电液控制系统，包括主控制器I和从控制器2，该主控制器I和从控制器2热冗余备用，之间双向通信，该主控制器I和从控制器2输出阀位给定信号去阀门曲线卡5，该阀门曲线卡5的信号输出端连接有功放卡6的第一信号输入端，该功放卡6的输出端连接有电液转换器7的输入端，该电液转换器7的输出端输出用于调节油动机的控制信号，还包括用于检测油动机阀门开度的位移传感器9，该位移传感器9的信号输出端与功放卡6的第二信号输入端连接；
还包括用于测量汽轮机转速的测速传感器10，设置有三支独立的测速传感器，该三支测速传感器信号输出端分别连接有第一至第三测速卡的信号输入端，该第一至第三测速卡的信号输出端连接有一次调频卡4的信号输入端组，该第一至第三测速卡的信号输出端还连接有I/O卡3的信号输入端组，I/O卡3还设置有用于接收实测压力和实测功率的输入端;
I/o卡3与主控制器和从控制器双向通信,一次调频卡4的信号输出端与阀门曲线卡5的信号输入端连接；
位移传感器9为直线位移传感器LVDT，测速传感器10为磁阻式传感器CS-1。
[0015]本发明提出的数模联合电液控制系统，具有纯硬件模拟信号构成快速一次调频控制回路，同时具有软件控制方式的自动二次调频功能，优选地适用于汽轮发电机在孤网运行方式下使用。
[0016]该数模联合电液控制系统，根据汽轮机高压调节汽阀数量，可扩展多个阀门曲线卡、功放卡、电液转换器、油动机、冗余位移传感器。
[0017]其中一次调频卡为独立硬件结构，接收3路测量转速模拟量输入信号，接收I路设定转速模拟量输入信号，接收I路一次调频卡投入开关量输入使能信号，输出4路一次调频模拟量指令信号，输出I路转速偏差模拟量信号。一次调频卡工作原理见图4-图6。
[0018]阀门曲线卡为独立硬件结构，接收I路一次调频指令模拟量信号，接收I路阀位给定指令模拟量信号，输出I路阀位控制模拟量信号。阀门曲线卡工作原理见图7和图8。
[0019]测速卡具有输出I路模拟量转速信号功能，转速信号可根据需要设置输出信号量程及范围。
[0020]上述数模联合电液控制系统，采用一次调频卡接收测速卡发出的测量转速信号，根据测量转速与设定转速的偏差波动快速输出一次调频指令，一次调频指令与控制器输出的阀位给定指令同时叠加至阀门曲线卡，动态补偿控制器输出的阀位指令，修正功放卡对油动机的控制，稳定汽轮机的转速，及时有效的消除负荷波动和阀门运行方式切换引起的扰动。
[0021]上述数模联合电液控制系统从转速检测到执行反馈各环节传递时间，参见图2。该数模联合电液控制系统的各传递环节中，由于快速一次调频控制回路采用测频卡、一次调频卡与阀门曲线卡，信号传递与处理采用纯硬件模拟信号方式，无中间寄存器和控制器，响应时间可忽略不计，从测速到输出至电液转换器响应传递时间小于50ms，从测速到控制油动机全行程开启时间小于250ms，大大小于现有技术中全行程响应传递时间(460ms)。[0022]上述数模联合电液控制系统，纯硬件快速一次调频回路在转速偏离设定转速时，根据测量转速与设定转速的偏差波动快速输出一次调频指令。该调节过程为有差调节，用于最快速稳定电网频率，不能维持电网频率不变，只能缓和电网频率的改变程度，还需要进行二次调频。
[0023]上述二次调频，可通过修改控制器输出至阀门曲线卡的阀位指令实现，该过程可手动方式，也可以通过程序设定自动完成。
[0024]上述自动二次调频，在控制器设定积分运算器(I)，设定电网频率/与额定频率f0的误差为Zl /，设定积分时间Ki，则按照积分运算公式，自动二次调频值/7:
η = Κι*Ι(Δ/) dt
上述阀门曲线卡在接收一次调频卡发出的一次调频指令与控制器发出的二次调频的阀位指令，经加法器运算与指令修正后输出控制信号至功放卡，控制电液转换器执行新的指令，使电网频率稳定在设定值。
[0025]具体实施例1:
本发明提出的数模联合电液控制系统，【具体实施方式】以汽轮发电机孤网运行方式的控制系统为实施例，原理的控制框图参见图3。
[0026]3支测速传感器采集3路转速信号，第一测速卡If第三测速卡13输出三路转速信号通过I/o卡采集并输入主控制器I和从控制器2，第一测速卡If第三测速卡13输出另三路4~20mA测量转速(2850rpnT3150rpm)至一次调频卡4。
[0027]上述实施例中，一次调频卡4接收3路测速卡输出的测量转速，测量转速取中值后与设定转速(3000rpm)的偏差(-150rpnTl50rpm)波动快速产生一次调频值。一次调频卡4接收I/O卡发出的开关量一次调频卡投入信号为真值(I)时，输出一次调频指令至阀门曲线卡。
[0028]阀门曲线卡5接收I路一次调频卡4发出的一次调频指令，接收I路控制器运算输出的阀位给定指令，2路指令信号处理及修正原理见图5，产生控制阀位指令输出至功放卡。一次调频指令动态补偿控制器输出的阀位给定指令，修正功放卡对油动机的控制，稳定汽轮机的转速，及时有效的消除负荷波动和阀门运行方式切换引起的扰动。
[0029]一次调频卡4为PRD公司(重庆浦仁达科技有限公司)生产的型号为FBMSDP的调频卡，主要工作原理见图4至图6。接收的3路测量转速信号经3取中处理后，选择后的输入信号满足图4中X= ( _150，150)，y=(4，20)折现关系；根据图5中，选择后的输入信号根据一次调频折线x=(4，20),y=(-100, 100)关系产生一次调频指令；根据图6中设置，当接收到I/O卡输出的一次调频卡投入信号满足后，根据输出信号折现X= (-100, 100)，Y= (4，20)输出4~20mA 一次调频指令，指令量程_100%~100%。同时输出I路转速偏差信号(-150rpm^l50rpm)至I/O卡记录。一次调频卡设置取消一次调频死区，按照汽轮发电机厂家要求设置转速不等率。
[0030]上述一次调频卡4接收到3路测量转速信号，选择测量值处于中间的信号用于控制，即三取中。正常情况下，3路测量速度信号是一致的，当其中一路采集错误、过高或者过低，采取3选中处理方式将忽略此信号，可以保证测量速度信号的正确性。
[0031]阀门曲线卡5为PRD公司(重庆浦仁达科技有限公司)生产，型号为FBMSVC的阀门曲线卡，主要工作原理见图7和图8。根据图7，一次调频指令与阀位给定指令通过加法器叠加，输出控制指令；指令修正根据汽轮机厂提供的阀门流量特性曲线设置，曲线关系见图8。阀门曲线卡取代软件阀门管理对汽轮机高压调节汽阀特性曲线进行修正。设置一次调频的实施范围涵盖油动机全行程。
[0032]上述实施例采用的系统框，图1中，一次调频卡4、阀门曲线卡5、功放卡6、电液转换器7、油动机8、位移传感器均可以根据需要扩展。
[0033]图7和图8所示原理图中，为防止干扰硬件一次调频，程序设置当一次调频卡投入时，自动切除软件一次调频回路，避免增加一次调频回路的放大倍数。
[0034]图7和图8所示原理图中，程序设置当一次调频卡投入时，切除功率控制回路。
[0035]图7和图8所示原理图中，程序设置当一次调频卡投入时，投入自动二次调频回路。
[0036]图7和图8所示原理图中，软件一次调频回路、功率控制回路、自动二次调频回路均在控制器周期运算中执行，运算结果作为阀位给定指令输出至阀门曲线卡。
[0037]以上所述仅是本发明的优选实施方式，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，包括但不限于:应用于压力、功率变化要求迅速地控制场合，改进方式为，将测速传感器、测速卡改为测压传感器、测功传感器及相应的测压卡、测功卡；
可改进地，测速卡、一次调频卡与阀门曲线卡输出的信号可以改进为(T20mA信号、土 10VDC信号，或者根据国际标准Profibus、Modbus, FF、CAN及TCP/IP等协议传输的标准通讯信号。这些改进和应用也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种数模联合电液控制系统，其特征在于，包括主控制器(1)和从控制器(2)，该主控制器(1)和从控制器(2)热冗余备用，其之间双向通信，该主控制器(1)和从控制器(2)输出阀位给定信号至阀门曲线卡(5),该阀门曲线卡(5)的信号输出端连接有功放卡(6)的第一信号输入端，该功放卡(6)的输出端连接有电液转换器(7)的输入端,该电液转换器(7)的输出端输出用于调节油动机的控制信号，还包括用于检测油动机阀门开度的位移传感器(9)，该位移传感器(9)的信号输出端与所述功放卡(6)的第二信号输入端连接； 还包括用于测量汽轮机转速的测速传感器(10)，设置有三支独立的测速传感器(10)，该三支测速传感器信号输出端分别连接有第一至第三测速卡(11、12、13)的信号输入端，该第一至第三测速卡的信号输出端连接有一次调频卡(4)的信号输入端组，该第一至第三测速卡的信号输出端还连接有I/O卡(3)的信号输入端组，所述I/O卡(3)还设置有用于接收实测压力和实测功率的输入端； 所述I/O卡(3)与所述热冗余主控制器和从控制器双向通信，所述一次调频卡(4)的信号输出端与所述阀门曲线卡(5)的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的数模联合电液控制系统，其特征在于，所述位移传感器(9)为直线位移传感器LVDT，所述测速传感器(10)为磁阻式传感器CS-1。
【文档编号】H02J3/38GK103904650SQ201410147509
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】李波, 李明俊 申请人:重庆浦仁达科技有限公司