1. 概況

本章扼要介紹水電站水輪機(jī)系列綜合測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)特點(diǎn)、構(gòu)成、主要功能及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

水電站水輪機(jī)調(diào)速綜合測(cè)試系統(tǒng)是對(duì)水電廠調(diào)速器、調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行全面動(dòng)靜特性試驗(yàn)的一種多功能儀器系統(tǒng)。同時(shí)，可對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)的線(xiàn)性或非線(xiàn)性仿真，以便在調(diào)速器出廠前或水電廠檢修后機(jī)組不具備開(kāi)啟條件的情況下，模擬水力機(jī)組動(dòng)態(tài)特性，檢驗(yàn)調(diào)速器和整個(gè)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。為進(jìn)一步滿(mǎn)足機(jī)組測(cè)試需求，本儀器系統(tǒng)還具有機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)、電量等物理量的測(cè)量及相應(yīng)的信號(hào)分析功能，包括頻譜分析、相關(guān)分析和小波分析等時(shí)頻分析功能，從而，不僅可以作為一臺(tái)通用的采集與分析系統(tǒng)使用，也使得機(jī)組在過(guò)渡過(guò)程中的振動(dòng)、擺度信號(hào)的測(cè)量和分析成為可能。此外，考慮到近年來(lái)業(yè)內(nèi)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻性能和調(diào)速系統(tǒng)辨識(shí)建模 (也稱(chēng)參數(shù)測(cè)試)的廣泛關(guān)注，最新的軟件版本也引入了一次調(diào)頻性能指標(biāo)的自動(dòng)計(jì)算和基于遺傳算法的辨識(shí)建模功能。

本測(cè)試系統(tǒng)凝聚了開(kāi)發(fā)者多年的水輪發(fā)電機(jī)組微機(jī)調(diào)速器及調(diào)速系統(tǒng)的測(cè)試仿真、機(jī)組振動(dòng)擺度測(cè)試及信號(hào)分析等相關(guān)系統(tǒng)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，順應(yīng)了眾多水電站測(cè)試工程師的需要，是新一代的集調(diào)速系統(tǒng)測(cè)試、機(jī)組實(shí)時(shí)仿真、參數(shù)辨識(shí)和信號(hào)分析等多種功能為一體的試驗(yàn)儀器系統(tǒng)。本儀器是同時(shí)滿(mǎn)足GB/T 9652.1-2007《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》、GB/T 9652.2-2007《水輪機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)》， DL/T 1120-2009《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試及實(shí)時(shí)仿真儀器技術(shù)條件》和 DL/T 1245-2013 《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需求的新型測(cè)試儀器。

本儀器在硬件上，采用了先進(jìn)的浮點(diǎn)型DSP控制器 (TMS320F28335) 作為儀器的核心，保證了在進(jìn)行各類(lèi)機(jī)組線(xiàn)性和非線(xiàn)性仿真情況下的實(shí)時(shí)性。在軟件上，采用專(zhuān)門(mén)用于測(cè)試系統(tǒng)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)(LabWindows/CVI)開(kāi)發(fā)，保證了儀器的軟件可靠性、多種操作系統(tǒng)下的可移植性和易學(xué)、易用性。本儀器可實(shí)現(xiàn)測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化及數(shù)據(jù)處理的智能化和文檔電子化。其主要特點(diǎn)包括：

1. 測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)化：將儀器放置于局域網(wǎng)或Internet上的任意位置，即可完成所需的測(cè)試及仿真任務(wù)。
2. 通訊的高速化：上位機(jī)和前置機(jī) (儀器本身) 間由以太網(wǎng)連接，并采用基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，其理論通訊速率取決于所接入的局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，可達(dá)100MBit/秒。
3. 硬件隔離技術(shù)：所有模擬通道與系統(tǒng)間、模擬通道與模擬通道間，頻率測(cè)量信號(hào)輸入端與系統(tǒng)間，頻率信號(hào)輸出端與系統(tǒng)間，開(kāi)關(guān)量輸入和輸出與系統(tǒng)間均采用可靠的電氣隔離技術(shù)，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。
4. 高精度頻率測(cè)量和頻率信號(hào)發(fā)生技術(shù)：對(duì)信號(hào)周期的時(shí)間分辨率為8nS。相當(dāng)于在50Hz時(shí)，對(duì)頻率信號(hào)的分辨率為0.00002Hz。
5. 測(cè)量自動(dòng)化：在各種試驗(yàn)中，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄、自動(dòng)停止、自動(dòng)計(jì)算指標(biāo)等功能。
6. 實(shí)時(shí)仿真：可將機(jī)組實(shí)時(shí)地模擬為線(xiàn)性或非線(xiàn)性對(duì)象，替代機(jī)組與實(shí)際調(diào)速器一起構(gòu)成完整的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速器和調(diào)速系統(tǒng)的不開(kāi)機(jī)動(dòng)態(tài)特性檢驗(yàn)及PID參數(shù)的尋優(yōu)。同時(shí)，也可根據(jù)軟件設(shè)定用模擬輸出通道輸出仿真功率或水壓信號(hào)。
7. 數(shù)字存儲(chǔ)示波器：可當(dāng)作通用示波器使用，所錄波形可以存儲(chǔ)、打印，省去攜帶示波器的麻煩。在每通道采樣頻率高達(dá)3000Hz的情況下，所有通道的采樣數(shù)據(jù)均可實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)，并實(shí)時(shí)顯示。
8. 完善的電子化文檔：通過(guò)打開(kāi)已保存的測(cè)試文件，可以在任何時(shí)間以任何比例 (包括時(shí)間比例尺) 顯示、分析整個(gè)測(cè)試過(guò)程；隨時(shí)自動(dòng)生成或打印圖文并茂、色彩豐富的試驗(yàn)報(bào)告；可根據(jù)需要輸出英文標(biāo)識(shí)的靜、動(dòng)特性曲線(xiàn)圖形。
9. Windows風(fēng)格全中文界面，所有操作均在WINDOWS 環(huán)境中進(jìn)行，易學(xué)易用。
10. 輕點(diǎn)鼠標(biāo)便可完成通道率定，免螺絲刀調(diào)整。
11. 功能強(qiáng)大的信號(hào)發(fā)生器：兩路頻率信號(hào)和兩路模擬信號(hào)發(fā)生器可當(dāng)作通用的功能強(qiáng)大的信號(hào)發(fā)生器使用，省去攜帶信號(hào)發(fā)生器的不便。

       水電站水輪機(jī)調(diào)速綜合測(cè)試系統(tǒng)由前置機(jī)(本儀器，也稱(chēng)下位機(jī))和上位機(jī) (分析機(jī))構(gòu)成。發(fā)電機(jī)部分由便攜式電量記錄分析儀完成，并做勵(lì)磁試驗(yàn)，其中前置機(jī)主要用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、簡(jiǎn)單的信號(hào)分析處理以及實(shí)時(shí)仿真算法的實(shí)現(xiàn)，并將采集到的信息和必要的分析處理或?qū)崟r(shí)仿真結(jié)果通過(guò)網(wǎng)口以TCP/IP協(xié)議發(fā)送給分析機(jī) (臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦)。

   分析機(jī)安裝有完整的測(cè)試仿真軟件，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種功能的核心。它通過(guò)通信接口從前置機(jī)獲得調(diào)速器的各種數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)仿真算法的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示、分析，并自動(dòng)完成水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)各項(xiàng)測(cè)試和仿真結(jié)果處理。所有結(jié)果和曲線(xiàn)均可實(shí)時(shí)顯示、復(fù)現(xiàn)、保存和打印。該軟件可安裝在任何使用Windows XP/Windows 7 的計(jì)算機(jī)上。圖1-1為HDS3-TG-A型儀器的實(shí)物圖 (其余機(jī)型類(lèi)似)，圖1-2為它的簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1-2  HDS3-TG 系列水電站水輪機(jī)調(diào)速綜合測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本儀器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于高性能的前置機(jī)。其硬件構(gòu)成是基于DSP控制器TMS320F28335的高性能數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。DSP工作頻率最高可達(dá)150 MHz，可實(shí)現(xiàn)每秒3億次的浮點(diǎn)運(yùn)算，足以保證實(shí)時(shí)快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和復(fù)雜線(xiàn)性及非線(xiàn)性仿真算法的實(shí)現(xiàn)，克服了以往測(cè)試系統(tǒng)采用單片機(jī)處理器，受限于其處理能力和運(yùn)算速度的問(wèn)題。此外，它具有很高的集成度和豐富的外圍接口，如：高速高精度A/D (80ns)，定時(shí)器，PWM單元(用于頻率信號(hào)發(fā)生)，捕捉單元(用于頻率信號(hào)測(cè)量)及片上Flash和RAM等。因此系統(tǒng)硬件緊湊，可靠性高。

本前置機(jī)的最大特點(diǎn)是在無(wú)通用操作系統(tǒng)的情況下，實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)下的基于TCP/IP協(xié)議的高速通訊。可方便實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)前置機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)與電腦遠(yuǎn)程連接進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試與仿真的功能。與大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)不同，這里實(shí)現(xiàn)通訊的關(guān)鍵部件選用了商業(yè)硬件協(xié)議芯片 (最新的硬件版本使用W5300)。采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于避免了以往軟件協(xié)議棧的編程復(fù)雜和通訊可靠性不高等問(wèn)題，也避免了通信部分對(duì)CPU資源的占用，實(shí)現(xiàn)了高性能與高可靠性的完美結(jié)合。

對(duì)于所有的模擬輸入，儀器內(nèi)部均采用了高性能隔離放大器，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與儀器間以及通道與通道間的隔離。同時(shí)，為適用于各種類(lèi)型和范圍的模擬輸入信號(hào)，每個(gè)通道均可通過(guò)選擇不同的信號(hào)適配器以滿(mǎn)足各種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的要求。

HDS3-TG-A水電站水輪機(jī)調(diào)速綜合測(cè)試系統(tǒng)的軟件由前置機(jī)軟件和分析機(jī)軟件兩部分構(gòu)成。前置機(jī)軟件使用美國(guó)TI公司的CCS DSP軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，整個(gè)軟件由C語(yǔ)言編寫(xiě)，編譯后固化在前置機(jī)DSP芯片的FLASH中。

系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)主要取決于分析機(jī) (上位機(jī)) 軟件，采用了專(zhuān)門(mén)的測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)(也稱(chēng)虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái))－美國(guó)NI公司的Labwindows/CVI 2013 SP2開(kāi)發(fā)。CVI是美國(guó)NI (National Instrument)公司利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)的32位面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。可以在多操作系統(tǒng)下，如windows98/NT/2000/XP/7/8、Mac OS、和UNIX等下運(yùn)行。它以工程技術(shù)人員所熟知的ANSI C為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測(cè)控專(zhuān)業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。它的集成化開(kāi)發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫(kù)函數(shù)為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員建立自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。與其它編程語(yǔ)言相比，它的特點(diǎn)包括：圖形化交互式設(shè)計(jì)方法、豐富的庫(kù)文件、提供對(duì)多種來(lái)自于不同廠家的硬件支持、數(shù)據(jù)庫(kù)支持、internet支持等。其中最值得稱(chēng)道的是提供了豐富的虛擬儀表控件，簡(jiǎn)化了圖形用戶(hù)接口的設(shè)計(jì)，以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析工具。因此，所開(kāi)發(fā)的調(diào)速系統(tǒng)測(cè)試仿真軟件具有可靠性高、中文界面友好、易學(xué)、易用等諸多優(yōu)點(diǎn)。