1. 概況

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

1.1儀器系統(tǒng)特點

水電站水輪機調(diào)速綜合測試系統(tǒng)是對水電廠調(diào)速器、調(diào)速系統(tǒng)進行全面動靜特性試驗的一種多功能儀器系統(tǒng)。同時，可對水輪發(fā)電機組進行實時的線性或非線性仿真，以便在調(diào)速器出廠前或水電廠檢修后機組不具備開啟條件的情況下，模擬水力機組動態(tài)特性，檢驗調(diào)速器和整個閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性。為進一步滿足機組測試需求，本儀器系統(tǒng)還具有機組振動、擺度、壓力脈動、電量等物理量的測量及相應的信號分析功能，包括頻譜分析、相關(guān)分析和小波分析等時頻分析功能，從而，不僅可以作為一臺通用的采集與分析系統(tǒng)使用，也使得機組在過渡過程中的振動、擺度信號的測量和分析成為可能。此外，考慮到近年來業(yè)內(nèi)對水輪發(fā)電機組一次調(diào)頻性能和調(diào)速系統(tǒng)辨識建模 (也稱參數(shù)測試)的廣泛關(guān)注，最新的軟件版本也引入了一次調(diào)頻性能指標的自動計算和基于遺傳算法的辨識建模功能。

本測試系統(tǒng)凝聚了開發(fā)者多年的水輪發(fā)電機組微機調(diào)速器及調(diào)速系統(tǒng)的測試仿真、機組振動擺度測試及信號分析等相關(guān)系統(tǒng)的研發(fā)經(jīng)驗，順應了眾多水電站測試工程師的需要，是新一代的集調(diào)速系統(tǒng)測試、機組實時仿真、參數(shù)辨識和信號分析等多種功能為一體的試驗儀器系統(tǒng)。本儀器是同時滿足GB/T 9652.1-2007《水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件》、GB/T 9652.2-2007《水輪機控制系統(tǒng)試驗》， DL/T 1120-2009《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動測試及實時仿真儀器技術(shù)條件》和 DL/T 1245-2013 《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導則》等國家標準以及電力行業(yè)標準需求的新型測試儀器。

本儀器在硬件上，采用了先進的浮點型DSP控制器 (TMS320F28335) 作為儀器的核心，保證了在進行各類機組線性和非線性仿真情況下的實時性。在軟件上，采用專門用于測試系統(tǒng)的虛擬儀器開發(fā)平臺(LabWindows/CVI)開發(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、易用性。本儀器可實現(xiàn)測量的網(wǎng)絡化和自動化及數(shù)據(jù)處理的智能化和文檔電子化。其主要特點包括：

1. 測量的網(wǎng)絡化：將儀器放置于局域網(wǎng)或Internet上的任意位置，即可完成所需的測試及仿真任務。
2. 通訊的高速化：上位機和前置機 (儀器本身) 間由以太網(wǎng)連接，并采用基于TCP/IP的網(wǎng)絡通訊協(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，頻率測量信號輸入端與系統(tǒng)間，頻率信號輸出端與系統(tǒng)間，開關(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)，以保證測量的準確性和可靠性。
4. 高精度頻率測量和頻率信號發(fā)生技術(shù)：對信號周期的時間分辨率為8nS。相當于在50Hz時，對頻率信號的分辨率為0.00002Hz。
5. 測量自動化：在各種試驗中，可實現(xiàn)自動記錄、自動停止、自動計算指標等功能。
6. 實時仿真：可將機組實時地模擬為線性或非線性對象，替代機組與實際調(diào)速器一起構(gòu)成完整的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)調(diào)速器和調(diào)速系統(tǒng)的不開機動態(tài)特性檢驗及PID參數(shù)的尋優(yōu)。同時，也可根據(jù)軟件設定用模擬輸出通道輸出仿真功率或水壓信號。
7. 數(shù)字存儲示波器：可當作通用示波器使用，所錄波形可以存儲、打印，省去攜帶示波器的麻煩。在每通道采樣頻率高達3000Hz的情況下，所有通道的采樣數(shù)據(jù)均可實時傳送至上位機，并實時顯示。
8. 完善的電子化文檔：通過打開已保存的測試文件，可以在任何時間以任何比例 (包括時間比例尺) 顯示、分析整個測試過程；隨時自動生成或打印圖文并茂、色彩豐富的試驗報告；可根據(jù)需要輸出英文標識的靜、動特性曲線圖形。
9. Windows風格全中文界面，所有操作均在WINDOWS 環(huán)境中進行，易學易用。
10. 輕點鼠標便可完成通道率定，免螺絲刀調(diào)整。
11. 功能強大的信號發(fā)生器：兩路頻率信號和兩路模擬信號發(fā)生器可當作通用的功能強大的信號發(fā)生器使用，省去攜帶信號發(fā)生器的不便。

1.2儀器系統(tǒng)構(gòu)成

       水電站水輪機調(diào)速綜合測試系統(tǒng)由前置機(本儀器，也稱下位機)和上位機 (分析機)構(gòu)成。發(fā)電機部分由便攜式電量記錄分析儀完成，并做勵磁試驗，其中前置機主要用于實時數(shù)據(jù)采集、簡單的信號分析處理以及實時仿真算法的實現(xiàn)，并將采集到的信息和必要的分析處理或?qū)崟r仿真結(jié)果通過網(wǎng)口以TCP/IP協(xié)議發(fā)送給分析機 (臺式機或筆記本電腦)。

   分析機安裝有完整的測試仿真軟件，是實現(xiàn)系統(tǒng)各種功能的核心。它通過通信接口從前置機獲得調(diào)速器的各種數(shù)據(jù)和實時仿真算法的結(jié)果，進行相應的數(shù)據(jù)顯示、分析，并自動完成水輪機調(diào)速系統(tǒng)各項測試和仿真結(jié)果處理。所有結(jié)果和曲線均可實時顯示、復現(xiàn)、保存和打印。該軟件可安裝在任何使用Windows XP/Windows 7 的計算機上。圖1-1為HDS3-TG-A型儀器的實物圖 (其余機型類似)，圖1-2為它的簡化硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

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

本儀器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)依賴于高性能的前置機。其硬件構(gòu)成是基于DSP控制器TMS320F28335的高性能數(shù)據(jù)采集和實時仿真系統(tǒng)。DSP工作頻率最高可達150 MHz，可實現(xiàn)每秒3億次的浮點運算，足以保證實時快速地進行數(shù)據(jù)采集和復雜線性及非線性仿真算法的實現(xiàn)，克服了以往測試系統(tǒng)采用單片機處理器，受限于其處理能力和運算速度的問題。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)，定時器，PWM單元(用于頻率信號發(fā)生)，捕捉單元(用于頻率信號測量)及片上Flash和RAM等。因此系統(tǒng)硬件緊湊，可靠性高。

本前置機的最大特點是在無通用操作系統(tǒng)的情況下，實現(xiàn)了局域網(wǎng)下的基于TCP/IP協(xié)議的高速通訊。可方便實現(xiàn)現(xiàn)場前置機通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)與電腦遠程連接進行遠程測試與仿真的功能。與大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)不同，這里實現(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)點在于避免了以往軟件協(xié)議棧的編程復雜和通訊可靠性不高等問題，也避免了通信部分對CPU資源的占用，實現(xiàn)了高性能與高可靠性的完美結(jié)合。

對于所有的模擬輸入，儀器內(nèi)部均采用了高性能隔離放大器，以實現(xiàn)現(xiàn)場與儀器間以及通道與通道間的隔離。同時，為適用于各種類型和范圍的模擬輸入信號，每個通道均可通過選擇不同的信號適配器以滿足各種現(xiàn)場信號的要求。

HDS3-TG-A水電站水輪機調(diào)速綜合測試系統(tǒng)的軟件由前置機軟件和分析機軟件兩部分構(gòu)成。前置機軟件使用美國TI公司的CCS DSP軟件開發(fā)平臺進行開發(fā)，整個軟件由C語言編寫，編譯后固化在前置機DSP芯片的FLASH中。

系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)主要取決于分析機 (上位機) 軟件，采用了專門的測試系統(tǒng)開發(fā)平臺(也稱虛擬儀器開發(fā)平臺)－美國NI公司的Labwindows/CVI 2013 SP2開發(fā)。CVI是美國NI (National Instrument)公司利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的32位面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。可以在多操作系統(tǒng)下，如windows98/NT/2000/XP/7/8、Mac OS、和UNIX等下運行。它以工程技術(shù)人員所熟知的ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和表達的測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)為熟悉C語言的開發(fā)人員建立自動檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。與其它編程語言相比，它的特點包括：圖形化交互式設計方法、豐富的庫文件、提供對多種來自于不同廠家的硬件支持、數(shù)據(jù)庫支持、internet支持等。其中最值得稱道的是提供了豐富的虛擬儀表控件，簡化了圖形用戶接口的設計，以及強大的數(shù)據(jù)處理、分析工具。因此，所開發(fā)的調(diào)速系統(tǒng)測試仿真軟件具有可靠性高、中文界面友好、易學、易用等諸多優(yōu)點。

1.3 儀器系統(tǒng)的硬件配置

本儀器原名為GTS-3型水輪機調(diào)速系統(tǒng)多功能試驗裝置。為了適應形勢的發(fā)展，同時也為了后續(xù)推出系列儀器的分類，現(xiàn)已更名為HDS3-TG-A水電站水輪機調(diào)速綜合測試系統(tǒng) (以下簡稱調(diào)速系統(tǒng)測試仿真儀)。主要區(qū)別在于模擬輸入通道的使用方法、最多可使用的通道數(shù)及機內(nèi)使用的模數(shù)變換器類型。

表1-1各機型儀器的硬件配置簡要描述

1.4 儀器系統(tǒng)功能

依據(jù)國家標準GB/T 9652.1-2007《水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件》、GB/T 9652.2-2007《水輪機控制系統(tǒng)試驗》，以及電力行業(yè)標準DL/T 1120-2009《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動測試及實時仿真儀器技術(shù)條件》，HDS3-TG 系列水電站水輪機調(diào)速綜合測試系統(tǒng)可對水輪機調(diào)速器(含單調(diào)、雙調(diào))及其構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)進行全面試驗，包括靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗、一次調(diào)頻試驗、模型參數(shù)辨識試驗以及水力機組的線性和非線性實時仿真等，也可作為通用的存儲型示波錄波器用于電廠其它設備的試驗項目中。此外，還可作為信號分析儀，對采集到的振動、擺度信號或其它信號進行頻譜分析，功率譜分析，相關(guān)分析及小波分析等多角度的時頻分析，達到一機多用的目的。在水輪機調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)試驗中，可自動或半自動計算性能指標、自動記錄波形，并可保存和打印。該機可實現(xiàn)的主要功能如下：

1. 調(diào)速器靜態(tài)特性、協(xié)聯(lián)曲線及轉(zhuǎn)速死區(qū)測定試驗；
2. 多接力器機組的接力器同步試驗；
3. 空載擾動試驗；
4. 自動或手動運行條件下的轉(zhuǎn)速擺動測定試驗；
5. 接力器不動時間Tq 測定試驗；
6. 甩負荷試驗；
7. 調(diào)速器工作模式切換或信號消失試驗；
8. 水力機組的實時線性仿真及相關(guān)的調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)動特性試驗；
9. 水力機組的實時非線性仿真及相關(guān)的調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)動特性試驗；
10. 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)動特性試驗(一次調(diào)頻或模型辨識試驗)；
11. PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)測試；
12. 基于遺傳算法的模型辨識；
13. 全數(shù)字存儲示波器；
14. 機組同期相關(guān)試驗；
15. 功能強大的頻率和模擬信號發(fā)生器。
16. 在各種動態(tài)特性特性和實時仿真試驗中，提供以階躍方式、斜坡方式、脈沖方式和PRBS (偽隨機信號)等方式變化的頻率和模擬擾動信號。這些形式的擾動信號一方面可用于進行調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻試驗 (階躍信號作用下的開環(huán)動態(tài)特性試驗)，也可用于獲取在各種擾動作用下，調(diào)速系統(tǒng)各關(guān)鍵點的波形數(shù)據(jù)，進而用系統(tǒng)辨識的方法獲取用于調(diào)速系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)運行分析和決策所需的數(shù)學模型。

此外，作為高級應用，儀器還提供如下信號分析功能：

1. 機組振動、擺度、壓力脈動、電量等各種物理量瞬態(tài)信號的采集、濾波、錄波及存儲；
2. 波形任意截取；
3. 各種信號的特征值提取，包括最大值、最小值、峰峰值、平均值、有效值、絕對平均值、偏度值及峭度值等；
4. 頻譜分析，包括功率譜和幅值譜等；
5. 相關(guān)分析，包括常規(guī)時域自相關(guān)和互相關(guān)分析、互功率譜分析等；
6. 軸心軌跡分析，包括可設置的信號數(shù)字濾波和軸心軌跡繪制；
7. 小波變換；
8. 小波分解與重構(gòu)。

HDS3-TG 系列水電站水輪機調(diào)速綜合測試系統(tǒng)按功能分類的樹形結(jié)構(gòu)框圖如圖1-3所示。圖中，有星號的試驗項目可用于自動生成試驗報告。注意，所提供的過渡過程指標自動或手動分析功能、模型辨識功能及信號時頻分析功能適用于所有具有波形顯示和記錄功能的界面。

圖1-3 HDS3-TG-A水電站水輪機調(diào)速綜合測試系統(tǒng)功能框圖

1.5 儀器系統(tǒng)技術(shù)指標

1.5.1 參數(shù)：

1) 模擬量輸入通道

1. 通道數(shù)量：8路
2. 通道類型：隔離 (每個通道均內(nèi)置高性能隔離放大器)；
3. 輸入電壓：0~10V；
4. 輸入阻抗：≥ 220KΩ；
5. 過載能力：≤ ±30V；
6. 測量精度： 優(yōu)于0.2% F.S. ；
7. 測量精度： 優(yōu)于0.25% F.S. ；
8. 通道硬件頻率響應：≥1KHz；
9. 輸入與系統(tǒng)間隔離耐壓：1500VAC，連續(xù)；
10. 模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)：12bit，分辨率0.025%，變換極限速度為0.1μS/通道。

所有通道均可由外接的信號適配器(需另行訂貨)擴展為其它的輸入信號形式。可選的適配器輸入量程有0~±10V、0~±5V、0～5V、0~20V、0～20mA、4～20mA等，每種適配器還可選配與系統(tǒng)隔離的單端或雙端傳感器電源 (詳見附錄4)。

2) 模擬量輸出通道

1. 通道數(shù)量：3路；
2. 通道類型：非隔離；
3. 輸出形式：2路0~10V電壓信號輸出，1路4～20mA電流信號輸出；
4. 負載能力：電壓輸出通道負載 ≥2 KΩ，電流輸出負載≤500Ω；
5. 信號精度： 優(yōu)于0.2% F.S. ；
6. 模數(shù)轉(zhuǎn)換(D/A)：12bit，分辨率0.025%。

注意，上述第一路電壓信號與電流輸出通道共用一個D/A變換通道。

3) 頻率測量輸入通道

1. 通道數(shù)量：2路；
2. 通道類型：隔離 (每個通道均通過內(nèi)置高性能光電耦合器實現(xiàn))；
3. 輸入與系統(tǒng)間隔離耐壓：1500VAC，連續(xù)；
4. 額定輸入電壓：100V交流，有效值；
5. 允許輸入電壓范圍：0.2V～250V交流，有效值；
6. 輸入阻抗：≥ 100KΩ；
7. 頻率測量范圍：0.03Hz~1000Hz；
8. 測量響應時間：被測信號周期；
9. 信號周期時間分辨率：8nS；
10. 50Hz附近測頻分辨率：0.00002Hz。

4) 頻率信號輸出通道

1. 通道數(shù)量：2路；
2. 通道類型：隔離 (每個通道均通過內(nèi)置高性能光電耦合器實現(xiàn))；
3. 輸出與系統(tǒng)間隔離耐壓：1500VAC，連續(xù)；
4. 額定輸出電壓：≥20V (空載峰-峰值，50Hz附近)，方波；
5. 輸出阻抗：100Ω；
6. 輸出信號頻率范圍：0.03Hz~1000Hz；
7. 輸出頻率信號周期分辨率：8nS；
8. 50Hz附近輸出頻率信號分辨率：0.00002Hz；
9. 輸出信號頻率精度：優(yōu)于0.0005Hz。

5) 開關(guān)量輸入通道

1. 通道數(shù)量：4路；
2. 通道類型：隔離 (每個通道均通過內(nèi)置高性能光電耦合器實現(xiàn))；
3. 輸出與系統(tǒng)間隔離耐壓：1500VAC，連續(xù)；
4. 輸入形式：繼電器常開接點 (本儀器內(nèi)置24V電源)；
5. 繼電器接點閉合電流：≤8mA；

6) 開關(guān)量輸出通道

1. 通道數(shù)量：6路；
2. 通道類型：非隔離；
3. 輸出形式：繼電器線圈驅(qū)動；
4. 驅(qū)動能力：最大30V (儀器外部提供)，200mA。

7) 以太網(wǎng)接口

1. 理論通訊速度：100MHz (標準100M以太網(wǎng)連接)；
2. 軟件間通訊協(xié)議：TCP/IP；

8) 數(shù)據(jù)采集性能

1. 動態(tài)波形顯示方式：實時顯示 (下位機采集與上位機顯示同時進行)；
2. 每通道的最高采樣頻率：≥1500Hz
3. 每通道的最高采樣頻率：≥3000Hz；
4. 動態(tài)波形采集最大時間長度：默認為Tmax (秒)= 1000000/采樣頻率。

9) 供電電源

交流220V±10%，50Hz/60Hz。

10) 外形尺寸及重量

1. 前置機尺寸：370（長）×280（寬）×120（高）mm；
2. 前置機凈重：≤5公斤。