方賢思

（貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 遵義 564408）

構(gòu)皮灘水電站位于貴州省余慶縣構(gòu)皮灘鎮(zhèn)，是烏江流域上開發(fā)的第七個梯級水電站，工程以發(fā)電為主，兼顧航運、防洪等綜合利用。電站總裝機容量5×600MW，是國家“十五”計劃重點工程、是貴州省實施“西電東送”戰(zhàn)略的標志性工程，是貴州省、中國華電集團公司已建成最大的水電站。構(gòu)皮灘發(fā)電廠在推進下位機自主可控PLC改造調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)溫度模塊采集定子繞組、主變油溫這種離大電流環(huán)境近的測溫電阻信號，測值受到的強磁場干擾出現(xiàn)頻繁跳變現(xiàn)象。溫度信號采集精準可靠對發(fā)電機組安全運行具有極大影響，提高自主可控PLC溫度采集模塊采集精度和抗干擾能力，不僅對安全生產(chǎn)尤為重要，而且對進一步推廣自主可控項目具有重要意義。

1 現(xiàn)場概況及分析

在工業(yè)生產(chǎn)中熱電阻一般應用于中低溫區(qū)的溫度測量，不同材質(zhì)的熱電阻對應不同的測溫范圍：Pt100測溫范圍是-200～850℃，對應的阻值范圍是18.52～390.48Ω?，F(xiàn)場采用的溫度采集模塊采用三線制Pt100測溫電阻信號。構(gòu)皮灘發(fā)電廠首臺自主可控下位機PLC改造機組，容量為600MW，額定電流為21394A，改造調(diào)試過程中對溫度模塊進行卡件測試，數(shù)據(jù)準確未見異常，后經(jīng)空載運行，溫度采集也正常。當機組并網(wǎng)運行接近最大發(fā)電功率時，發(fā)現(xiàn)機組多處定子繞組、主變油溫測點開始出現(xiàn)無規(guī)律跳變，跳變測點通道分別出現(xiàn)在不同盤柜的不同測溫模塊，并且隨著機組負荷增大，跳變幅度和頻率也跟著升高，機組解列后跳變現(xiàn)象消失。因溫度模塊經(jīng)卡件測試正常，基本排除PLC硬件問題，檢查測溫電阻線纜接地良好。調(diào)試人員在機組開機并網(wǎng)狀態(tài)下采用示波器對跳變比較嚴重的測點通道和未跳變的通道進行采樣（如圖1、2）。通過波形分析對比，跳變比較嚴重的通道，其數(shù)據(jù)波形上疊加了比較嚴重的干擾波形。并且對比仍采用國外PLC機組的測點情況，通道上存在同樣干擾，但測值未出現(xiàn)跳變。

圖1 機組定子繞組測溫未跳變通道外接線波形圖

圖2 機組定子繞組測溫跳變通道外接線波形圖

從未跳變通道和跳變通道的外部接線波形圖來看，測溫通道外部接線均有大小不一的干擾存在：

（1）未跳變通道外接線上存在干擾，基礎噪聲不規(guī)律且伴隨著偶然的脈沖干擾，波形圖上看到干擾波形的峰峰值達到2.76V。

（2）跳變通道外接線上存在干擾，在未跳變通道的干擾類型的基礎上還疊加正弦波干擾，波形圖上看到干擾波形的峰峰值達到3.12V，波動性與幅值都比未跳變通道的干擾更大。

2 方案制定

2.1 溫度模塊抗干擾優(yōu)化設計

結(jié)合現(xiàn)場試驗結(jié)果分析，溫度跳變原因還是因為溫度模塊采集信號過程中抗干擾能力較弱，特別是采集大電流回路中電阻信號時，受工頻干擾影響明顯，需針對性的提升模塊抗高頻干擾能力。基于對溫度模塊軟、硬件工作原理的研究，電廠從硬件回路和軟件算法兩個方面展開模塊抗干擾能力優(yōu)化研究。

（1）硬件優(yōu)化。硬件優(yōu)化措施：磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結(jié)構(gòu)(電路)中的RF噪聲，RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信號。要消除這些不需要的信號能量，使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色(衰減器)。通過硬件優(yōu)化，溫度采集信號在并網(wǎng)狀態(tài)進行采集記錄，從采集數(shù)據(jù)分析，硬件優(yōu)化后對抗干擾能力有一定的效果，但效果不是很明顯。

（2）軟件濾波。濾波原理：針對現(xiàn)場溫度值的跳變，軟件采取的措施有以下三點：一是提高溫度采集頻率，縮短模塊軟件采集和處理周期，單位時間內(nèi)獲取更多溫度數(shù)據(jù)；二是加強去極值平均濾波方法，疊加濾除正弦干擾波形的濾波算法，去除不合理的跳變溫度值和正弦波干擾。三是對現(xiàn)場特定的干擾，增加相應的濾波算法。

圖3 軟件濾波算法原理

2.2 濾波算法簡介

熱電阻模塊的RTD信號輸入后，濾波算法利用電阻溫度探測器采集溫度信號A，基于高斯低通濾波器設計濾波器，并結(jié)合切比雪夫函數(shù)優(yōu)化濾波器，利用優(yōu)化后的濾波器去除溫度信號中的正弦波干擾，獲得溫度信號B，通過F-P濾波器對溫度信號B中的低頻信號進行濾波處理。設計濾波器包括，采用巴特沃斯低通濾波器作為所述濾波器，基于所述低通濾波器設定濾波器的技術指標，指標包括帶寬、低端阻帶處的抑制高度和帶內(nèi)回波損耗，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，帶寬設為800MHz，低端阻帶處的抑制高度設為30dB，帶內(nèi)回波損耗設為30dB。進一步的，選取切比雪夫函數(shù)作為濾波器的逼近函數(shù)，根據(jù)逼近函數(shù)確定諧振腔的數(shù)目，完成濾波器的優(yōu)化。利用優(yōu)化后的濾波器去除溫度信號中的正弦波干擾，獲得溫度信號B。濾波器需要比較長的建立時間，濾波器的輸出對于輸入信號的響應需要至少5個采樣周期，圖4演示了濾波器的響應過程。

圖4 濾波算法示意

圖中，T為濾波器采樣周期，采樣周期的計算公式為：

式中，F(xiàn)s為軟件設置的數(shù)據(jù)輸出頻率，當Fs=1時，T1=61，當Fs>1時，T1=95，fclk為濾波器時鐘信號的頻率。

通過試驗，F(xiàn)-P濾波器對于50Hz（±1Hz）的工頻干擾信號具有很好的抑制效果，對于50Hz的工頻干擾，濾波器的衰減可達120dB。

實驗數(shù)據(jù)及模擬測試結(jié)果：采用新的軟件濾波后，經(jīng)過測試，通道采集精度正常，抗干擾能力得到提升。在實驗室模擬實驗結(jié)果如圖5。

圖5 軟件濾波算法溫度階躍模擬測試結(jié)果

根據(jù)在電廠測量到的干擾波形，在實驗室采用同周期的三角波進行模擬，測試濾波軟件對于電廠干擾的濾除效果如圖6。

圖6 軟件濾波效果（縱坐標單位0.1℃）

3 方案應用

為進一步保證測溫模塊軟件濾波算法優(yōu)化，不影響現(xiàn)場元件的真實測值，能準確反應元件采集信號，在電廠現(xiàn)場展開測試，為保證試驗真實性和可靠性，電廠分別采用電阻箱阻值調(diào)整和實際電阻加熱試驗兩種方式對溫度模塊展開測試。

3.1 精度測試

（1）用校驗合格的電阻箱接入測溫模塊，在PLC觸摸屏上記錄數(shù)值。

表1 靜態(tài)測試

（2）同類長線新RTD傳感器并接入測溫模塊，分別在室溫和用干式校驗爐加熱情況下進行讀值。

表2 動態(tài)測試

3.2 現(xiàn)場測試

經(jīng)靜態(tài)測試正常后，將模塊更換至機組進行動態(tài)測試，通過更換前后對比，測點穩(wěn)定性有了明顯改善，并且通過數(shù)據(jù)比對，采集精度滿足運行要求。

（1）無論是干擾小的還是干擾大的測點，溫度采集曲線都已經(jīng)明顯平穩(wěn)，濾波效果顯著。

（2）從曲線圖上，采用新的濾波算法后，溫度跳動在±0.7℃范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

本文重點研究了自主可控PLC溫度模塊抗干擾能力提升方法，并完成工程運用?？垢蓴_能力提升后的自主可控測溫模塊具有測量范圍寬、實用性強、精度高、可靠性高等優(yōu)點，具有良好的推廣價值。