1. 概況

本章扼要介紹水電站水輪機系列綜合測試系統的系統特點、構成、主要功能及相關技術指標。

水電站水輪機調速綜合測試系統是對水電廠調速器、調速系統進行全面動靜特性試驗的一種多功能儀器系統。同時，可對水輪發電機組進行實時的線性或非線性仿真，以便在調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，模擬水力機組動態特性，檢驗調速器和整個閉環調速系統的動態特性。為進一步滿足機組測試需求，本儀器系統還具有機組振動、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，考慮到近年來業內對水輪發電機組一次調頻性能和調速系統辨識建模 (也稱參數測試)的廣泛關注，最新的軟件版本也引入了一次調頻性能指標的自動計算和基于遺傳算法的辨識建模功能。

本測試系統凝聚了開發者多年的水輪發電機組微機調速器及調速系統的測試仿真、機組振動擺度測試及信號分析等相關系統的研發經驗，順應了眾多水電站測試工程師的需要，是新一代的集調速系統測試、機組實時仿真、參數辨識和信號分析等多種功能為一體的試驗儀器系統。本儀器是同時滿足GB/T 9652.1-2007《水輪機控制系統技術條件》、GB/T 9652.2-2007《水輪機控制系統試驗》， DL/T 1120-2009《水輪機調節系統自動測試及實時仿真儀器技術條件》和 DL/T 1245-2013 《水輪機調節系統并網運行技術導則》等國家標準以及電力行業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的虛擬儀器開發平臺(LabWindows/CVI)開發，保證了儀器的軟件可靠性、多種操作系統下的可移植性和易學、易用性。本儀器可實現測量的網絡化和自動化及數據處理的智能化和文檔電子化。其主要特點包括：

1. 測量的網絡化：將儀器放置于局域網或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) 間由以太網連接，并采用基于TCP/IP的網絡通訊協議，其理論通訊速率取決于所接入的局域網或廣域網，可達100MBit/秒。
3. 硬件隔離技術：所有模擬通道與系統間、模擬通道與模擬通道間，頻率測量信號輸入端與系統間，頻率信號輸出端與系統間，開關量輸入和輸出與系統間均采用可靠的電氣隔離技術，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生技術：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，替代機組與實際調速器一起構成完整的閉環調速系統，實現調速器和調速系統的不開機動態特性檢驗及PID參數的尋優。同時，也可根據軟件設定用模擬輸出通道輸出仿真功率或水壓信號。
7. 數字存儲示波器：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，所有通道的采樣數據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，免螺絲刀調整。
11. 功能強大的信號發生器：兩路頻率信號和兩路模擬信號發生器可當作通用的功能強大的信號發生器使用，省去攜帶信號發生器的不便。

       水電站水輪機調速綜合測試系統由前置機(本儀器，也稱下位機)和上位機 (分析機)構成。發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據采集、簡單的信號分析處理以及實時仿真算法的實現，并將采集到的信息和必要的分析處理或實時仿真結果通過網口以TCP/IP協議發送給分析機 (臺式機或筆記本電腦)。

   分析機安裝有完整的測試仿真軟件，是實現系統各種功能的核心。它通過通信接口從前置機獲得調速器的各種數據和實時仿真算法的結果，進行相應的數據顯示、分析，并自動完成水輪機調速系統各項測試和仿真結果處理。所有結果和曲線均可實時顯示、復現、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為它的簡化硬件結構示意圖。

圖1-2  HDS3-TG 系列水電站水輪機調速綜合測試系統結構示意圖

本儀器系統關鍵技術的實現依賴于高性能的前置機。其硬件構成是基于DSP控制器TMS320F28335的高性能數據采集和實時仿真系統。DSP工作頻率最高可達150 MHz，可實現每秒3億次的浮點運算，足以保證實時快速地進行數據采集和復雜線性及非線性仿真算法的實現，克服了以往測試系統采用單片機處理器，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(用于頻率信號發生)，捕捉單元(用于頻率信號測量)及片上Flash和RAM等。因此系統硬件緊湊，可靠性高。

本前置機的最大特點是在無通用操作系統的情況下，實現了局域網下的基于TCP/IP協議的高速通訊。可方便實現現場前置機通過局域網或廣域網與電腦遠程連接進行遠程測試與仿真的功能。與大多數嵌入式系統不同，這里實現通訊的關鍵部件選用了商業硬件協議芯片 (最新的硬件版本使用W5300)。采用這種方式的優點在于避免了以往軟件協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，實現了高性能與高可靠性的完美結合。

對于所有的模擬輸入，儀器內部均采用了高性能隔離放大器，以實現現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場信號的要求。

HDS3-TG-A水電站水輪機調速綜合測試系統的軟件由前置機軟件和分析機軟件兩部分構成。前置機軟件使用美國TI公司的CCS DSP軟件開發平臺進行開發，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。

系統主要功能的實現主要取決于分析機 (上位機) 軟件，采用了專門的測試系統開發平臺(也稱虛擬儀器開發平臺)－美國NI公司的Labwindows/CVI 2013 SP2開發。CVI是美國NI (National Instrument)公司利用虛擬儀器技術開發的32位面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺。可以在多操作系統下，如windows98/NT/2000/XP/7/8、Mac OS、和UNIX等下運行。它以工程技術人員所熟知的ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數據采集、分析和表達的測控專業工具有機地結合起來。它的集成化開發平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數為熟悉C語言的開發人員建立自動檢測系統、數據采集系統、故障診斷系統等提供了一個理想的軟件開發環境。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、數據庫支持、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，以及強大的數據處理、分析工具。因此，所開發的調速系統測試仿真軟件具有可靠性高、中文界面友好、易學、易用等諸多優點。