1. 概況

本章扼要介紹HDS3-TG-A 水電站水輪機(jī)調(diào)速綜合測試系統(tǒng)的系統(tǒng)特點、構(gòu)成、主要功能及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

1.1儀器系統(tǒng)特點

水電站水輪機(jī)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(jìn)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(jī)組進(jìn)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(jī)組不具備開啟條件的情況下，模擬水力機(jī)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(jìn)一步滿足機(jī)組測試需求，本儀器系統(tǒng)還具有機(jī)組振動、擺度、壓力脈動、電量等物理量的測量及相應(yīng)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(jī)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(jī)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(biāo)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(jī)組微機(jī)調(diào)速器及調(diào)速系統(tǒng)的測試仿真、機(jī)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(yīng)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(jī)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(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》， DL/T 1120-2009《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動測試及實時HDS3-TG-A 水電站水輪機(jī)調(diào)速綜合測試系統(tǒng)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》等國家標(biāo)準(zhǔn)以及電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需求的新型測試儀器。

本儀器在硬件上，采用了的浮點型DSP控制器 (TMS320F28335) 作為儀器的核心，保證了在進(jìn)行各類機(jī)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(xué)、易用性。本儀器可實現(xiàn)測量的網(wǎng)絡(luò)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：

12. 測量的網(wǎng)絡(luò)化：將儀器放置于局域網(wǎng)或Internet上的任意位置，即可完成所需的測試及仿真任務(wù)。

13. 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。

14. 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(zhǔn)確性和可靠性。

15. 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(dāng)于在50Hz時，對頻率信號的分辨率為0.00002Hz。

16. 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(biāo)等功能。

17. 實時仿真：可將機(jī)組實時地模擬為線性或非線性對象，替代機(jī)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(jī)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(shè)定用模擬輸出通道輸出仿真功率或水壓信號。

18. 數(shù)字存儲示波器：可當(dāng)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(dá)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(jī)，并實時顯示。

19. 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(biāo)識的靜、動特性曲線圖形。

20. 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。

21. 輕點鼠標(biāo)便可完成通道率定，免螺絲刀調(diào)整。

22. 功能強(qiáng)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(dāng)作通用的功能強(qiáng)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(jī)調(diào)速綜合測試系統(tǒng)由前置機(jī)(本儀器，也稱下位機(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，并做勵磁試驗，其中前置機(jī)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(jī) (臺式機(jī)或筆記本電腦)。

   分析機(jī)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(jī)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(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示、分析，并自動完成水輪機(jī)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(fù)現(xiàn)、保存和打印。該軟件可安裝在任何使用Windows XP/Windows 7 的計算機(jī)上。圖1-1為HDS3-TG-A型儀器的實物圖 (其余機(jī)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(jī)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(jī)。其硬件構(gòu)成是基于DSP控制器TMS320F28335的高性能數(shù)據(jù)采集和實時仿真系統(tǒng)。DSP工作頻率最高可達(dá)150 MHz，可實現(xiàn)每秒3億次的浮點運(yùn)算，足以保證實時快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和復(fù)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(jī)處理器，受限于其處理能力和運(yùn)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(jī)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(jī)通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)與電腦遠(yuǎn)程連接進(jìn)行遠(yuǎn)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HDS3-TG-A 水電站水輪機(jī)調(diào)速綜合測試系統(tǒng)的編程復(fù)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(jī)調(diào)速綜合測試系統(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TI公司的CCS DSP軟件開發(fā)平臺進(jìn)行開發(fā)，整個軟件由C語言編寫，編譯后固化在前置機(jī)DSP芯片的FLASH中。

系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)主要取決于分析機(jī) (上位機(jī)) 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(jī)測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺?？梢栽诙嗖僮飨到y(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語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測控專業(yè)工具有機(jī)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(shè)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(shè)計，以及強(qiáng)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(xué)、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(jī)調(diào)速系統(tǒng)多功能試驗裝置。為了適應(yīng)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(jī)調(diào)速綜合測試系統(tǒng) (以下簡稱調(diào)速系統(tǒng)測試)。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(jī)內(nèi)使用的模數(shù)變換器類型。

表1-1各機(jī)型儀器的硬件配置簡要描述