1. 概况
本章扼要介绍水电站水轮机系列综合测试系统的系统特点、构成、主要功能及相关技术指标。
1.1仪器系统特点
水电站水轮机调速综合测试系统是对水电厂调速器、调速系统进行全面动静特性试验的一种多功能仪器系统。同时，可对水轮发电机组进行实时的线性或非线性仿真，以便在调速器出厂前或水电厂检修后机组不具备开启条件的情况下，模拟水力机组动态特性，检验调速器和整个闭环调速系统的动态特性。为进一步满足机组测试需求，本仪器系统还具有机组振动、摆度、压力脉动、电量等物理量的测量及相应的信号分析功能，包括频谱分析、相关分析和小波分析等时频分析功能，从而，不仅可以作为一台通用的采集与分析系统使用，也使得机组在过渡过程中的振动、摆度信号的测量和分析成为可能。此外，考虑到近年来业内对水轮发电机组一次调频性能和调速系统辨识建模 (也称参数测试)的广泛关注，最新的软件版本也引入了一次调频性能指标的自动计算和基于遗传算法的辨识建模功能。
本测试系统凝聚了开发者多年的水轮发电机组微机调速器及调速系统的测试仿真、机组振动摆度测试及信号分析等相关系统的研发经验，顺应了众多水电站测试工程师的需要，是新一代的集调速系统测试、机组实时仿真、参数辨识和信号分析等多种功能为一体的试验仪器系统。本仪器是同时满足GB/T 9652.1-2007《水轮机控制系统技术条件》、GB/T 9652.2-2007《水轮机控制系统试验》， DL/T 1120-2009《水轮机调节系统自动测试及实时仿真仪器技术条件》和 DL/T 1245-2013 《水轮机调节系统并网运行技术导则》等国家标准以及电力行业标准需求的新型测试仪器。
本仪器在硬件上，采用了先进的浮点型DSP控制器 (TMS320F28335) 作为仪器的核心，保证了在进行各类机组线性和非线性仿真情况下的实时性。在软件上，采用专门用于测试系统的虚拟仪器开发平台(LabWindows/CVI)开发，保证了仪器的软件可靠性、多种操作系统下的可移植性和易学、易用性。本仪器可实现测量的网络化和自动化及数据处理的智能化和文档电子化。其主要特点包括：
- 测量的网络化：将仪器放置于局域网或Internet上的任意位置，即可完成所需的测试及仿真任务。
- 通讯的高速化：上位机和前置机 (仪器本身) 间由以太网连接，并采用基于TCP/IP的网络通讯协议，其理论通讯速率取决于所接入的局域网或广域网，可达100MBit/秒。
- 硬件隔离技术：所有模拟通道与系统间、模拟通道与模拟通道间，频率测量信号输入端与系统间，频率信号输出端与系统间，开关量输入和输出与系统间均采用可靠的电气隔离技术，以保证测量的准确性和可靠性。
- 高精度频率测量和频率信号发生技术：对信号周期的时间分辨率为8nS。相当于在50Hz时，对频率信号的分辨率为0.00002Hz。
- 测量自动化：在各种试验中，可实现自动记录、自动停止、自动计算指标等功能。
- 实时仿真：可将机组实时地模拟为线性或非线性对象，替代机组与实际调速器一起构成完整的闭环调速系统，实现调速器和调速系统的不开机动态特性检验及PID参数的寻优。同时，也可根据软件设定用模拟输出通道输出仿真功率或水压信号。
- 数字存储示波器：可当作通用示波器使用，所录波形可以存储、打印，省去携带示波器的麻烦。在每通道采样频率高达3000Hz的情况下，所有通道的采样数据均可实时传送至上位机，并实时显示。
- 完善的电子化文档：通过打开已保存的测试文件，可以在任何时间以任何比例 (包括时间比例尺) 显示、分析整个测试过程；随时自动生成或打印图文并茂、色彩丰富的试验报告；可根据需要输出英文标识的静、动特性曲线图形。
- Windows风格全中文界面，所有操作均在WINDOWS 环境中进行，易学易用。
- 轻点鼠标便可完成通道率定，免螺丝刀调整。
- 功能强大的信号发生器：两路频率信号和两路模拟信号发生器可当作通用的功能强大的信号发生器使用，省去携带信号发生器的不便。
1.2仪器系统构成
水电站水轮机调速综合测试系统由前置机(本仪器，也称下位机)和上位机 (分析机)构成。发电机部分由便携式电量记录分析仪完成，并做励磁试验，其中前置机主要用于实时数据采集、简单的信号分析处理以及实时仿真算法的实现，并将采集到的信息和必要的分析处理或实时仿真结果通过网口以TCP/IP协议发送给分析机 (台式机或笔记本电脑)。
分析机安装有完整的测试仿真软件，是实现系统各种功能的核心。它通过通信接口从前置机获得调速器的各种数据和实时仿真算法的结果，进行相应的数据显示、分析，并自动完成水轮机调速系统各项测试和仿真结果处理。所有结果和曲线均可实时显示、复现、保存和打印。该软件可安装在任何使用Windows XP/Windows 7 的计算机上。图1-1为HDS3-TG-A型仪器的实物图 (其余机型类似)，图1-2为它的简化硬件结构示意图。
图1-2 HDS3-TG 系列水电站水轮机调速综合测试系统结构示意图
本仪器系统关键技术的实现依赖于高性能的前置机。其硬件构成是基于DSP控制器TMS320F28335的高性能数据采集和实时仿真系统。DSP工作频率最高可达150 MHz，可实现每秒3亿次的浮点运算，足以保证实时快速地进行数据采集和复杂线性及非线性仿真算法的实现，克服了以往测试系统采用单片机处理器，受限于其处理能力和运算速度的问题。此外，它具有很高的集成度和丰富的外围接口，如：高速高精度A/D (80ns)，定时器，PWM单元(用于频率信号发生)，捕捉单元(用于频率信号测量)及片上Flash和RAM等。因此系统硬件紧凑，可靠性高。
本前置机的最大特点是在无通用操作系统的情况下，实现了局域网下的基于TCP/IP协议的高速通讯。可方便实现现场前置机通过局域网或广域网与电脑远程连接进行远程测试与仿真的功能。与大多数嵌入式系统不同，这里实现通讯的关键部件选用了商业硬件协议芯片 (最新的硬件版本使用W5300)。采用这种方式的优点在于避免了以往软件协议栈的编程复杂和通讯可靠性不高等问题，也避免了通信部分对CPU资源的占用，实现了高性能与高可靠性的完美结合。
对于所有的模拟输入，仪器内部均采用了高性能隔离放大器，以实现现场与仪器间以及通道与通道间的隔离。同时，为适用于各种类型和范围的模拟输入信号，每个通道均可通过选择不同的信号适配器以满足各种现场信号的要求。
HDS3-TG-A水电站水轮机调速综合测试系统的软件由前置机软件和分析机软件两部分构成。前置机软件使用美国TI公司的CCS DSP软件开发平台进行开发，整个软件由C语言编写，编译后固化在前置机DSP芯片的FLASH中。
系统主要功能的实现主要取决于分析机 (上位机) 软件，采用了专门的测试系统开发平台(也称虚拟仪器开发平台)－美国NI公司的Labwindows/CVI 2013 SP2开发。CVI是美国NI (National Instrument)公司利用虚拟仪器技术开发的32位面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台。可以在多操作系统下，如windows98/NT/2000/XP/7/8、Mac OS、和UNIX等下运行。它以工程技术人员所熟知的ANSI C为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数为熟悉C语言的开发人员建立自动检测系统、数据采集系统、故障诊断系统等提供了一个理想的软件开发环境。与其它编程语言相比，它的特点包括：图形化交互式设计方法、丰富的库文件、提供对多种来自于不同厂家的硬件支持、数据库支持、internet支持等。其中最值得称道的是提供了丰富的虚拟仪表控件，简化了图形用户接口的设计，以及强大的数据处理、分析工具。因此，所开发的调速系统测试仿真软件具有可靠性高、中文界面友好、易学、易用等诸多优点。
1.3 仪器系统的硬件配置
本仪器原名为GTS-3型水轮机调速系统多功能试验装置。为了适应形势的发展，同时也为了后续推出系列仪器的分类，现已更名为HDS3-TG-A水电站水轮机调速综合测试系统 (以下简称调速系统测试仿真仪)。主要区别在于模拟输入通道的使用方法、最多可使用的通道数及机内使用的模数变换器类型。
表1-1各机型仪器的硬件配置简要描述
| HDS3-TG-A |
输入输出连接方式 | 航空插头座 |
隔离的模拟输入通道数 | 8 (16) |
AD变换器位数 | 16 bit |
模拟输入航插芯数 | 6 |
模拟输入适配器 | 不需要 |
模拟输入精度 | 0.15% F.S. |
模拟输入量程切换 | 更改航空插头引线端子 |
传感器用电源 | 公共24V |
模拟输出通道数 | 3 (4) |
模拟输出是否隔离 | 是 |
隔离的测频输入通道数 | 2 |
隔离的频率输出通道数 | 2 |
隔离的开关量输入通道数 | 4 |
开关量输入形式 | 继电器接点或电子开关 |
开关量输出通道数 | 4 |
开关量输出形式 | 继电器接点 |
高性能以太网主板 | 是 |
最高采样频率/通道 | ≥3000Hz |
上下位机实际通讯速度 | 高 |
1.4 仪器系统功能
依据国家标准GB/T 9652.1-2007《水轮机控制系统技术条件》、GB/T 9652.2-2007《水轮机控制系统试验》，以及电力行业标准DL/T 1120-2009《水轮机调节系统自动测试及实时仿真仪器技术条件》，HDS3-TG 系列水电站水轮机调速综合测试系统可对水轮机调速器(含单调、双调)及其构成的调速系统进行全面试验，包括静态试验、动态试验、一次调频试验、模型参数辨识试验以及水力机组的线性和非线性实时仿真等，也可作为通用的存储型示波录波器用于电厂其它设备的试验项目中。此外，还可作为信号分析仪，对采集到的振动、摆度信号或其它信号进行频谱分析，功率谱分析，相关分析及小波分析等多角度的时频分析，达到一机多用的目的。在水轮机调速系统的相关试验中，可自动或半自动计算性能指标、自动记录波形，并可保存和打印。该机可实现的主要功能如下：
- 调速器静态特性、协联曲线及转速死区测定试验；
- 多接力器机组的接力器同步试验；
- 空载扰动试验；
- 自动或手动运行条件下的转速摆动测定试验；
- 接力器不动时间Tq 测定试验；
- 甩负荷试验；
- 调速器工作模式切换或信号消失试验；
- 水力机组的实时线性仿真及相关的调速系统闭环动特性试验；
- 水力机组的实时非线性仿真及相关的调速系统闭环动特性试验；
- 调速系统开环动特性试验(一次调频或模型辨识试验)；
- PI调节器的参数测试；
- 基于遗传算法的模型辨识；
- 全数字存储示波器；
- 机组同期相关试验；
- 功能强大的频率和模拟信号发生器。
- 在各种动态特性特性和实时仿真试验中，提供以阶跃方式、斜坡方式、脉冲方式和PRBS (伪随机信号)等方式变化的频率和模拟扰动信号。这些形式的扰动信号一方面可用于进行调速系统一次调频试验 (阶跃信号作用下的开环动态特性试验)，也可用于获取在各种扰动作用下，调速系统各关键点的波形数据，进而用系统辨识的方法获取用于调速系统分析、电力系统运行分析和决策所需的数学模型。
此外，作为高级应用，仪器还提供如下信号分析功能：
- 机组振动、摆度、压力脉动、电量等各种物理量瞬态信号的采集、滤波、录波及存储；
- 波形任意截取；
- 各种信号的特征值提取，包括最大值、最小值、峰峰值、平均值、有效值、绝对平均值、偏度值及峭度值等；
- 频谱分析，包括功率谱和幅值谱等；
- 相关分析，包括常规时域自相关和互相关分析、互功率谱分析等；
- 轴心轨迹分析，包括可设置的信号数字滤波和轴心轨迹绘制；
- 小波变换；
- 小波分解与重构。
HDS3-TG 系列水电站水轮机调速综合测试系统按功能分类的树形结构框图如图1-3所示。图中，有星号的试验项目可用于自动生成试验报告。注意，所提供的过渡过程指标自动或手动分析功能、模型辨识功能及信号时频分析功能适用于所有具有波形显示和记录功能的界面。
图1-3 HDS3-TG-A水电站水轮机调速综合测试系统功能框图
1.5 仪器系统技术指标
1.5.1 参数：
1) 模拟量输入通道
- 通道数量：8路
- 通道类型：隔离 (每个通道均内置高性能隔离放大器)；
- 输入电压：0~10V；
- 输入阻抗：≥ 220KΩ；
- 过载能力：≤ ±30V；
- 测量精度： 优于0.2% F.S. ；
- 测量精度： 优于0.25% F.S. ；
- 通道硬件频率响应：≥1KHz；
- 输入与系统间隔离耐压：1500VAC，连续；
- 模数转换(A/D)：12bit，分辨率0.025%，变换极限速度为0.1μS/通道。
所有通道均可由外接的信号适配器(需另行订货)扩展为其它的输入信号形式。可选的适配器输入量程有0~±10V、0~±5V、0～5V、0~20V、0～20mA、4～20mA等，每种适配器还可选配与系统隔离的单端或双端传感器电源 (详见附录4)。
2) 模拟量输出通道
- 通道数量：3路；
- 通道类型：非隔离；
- 输出形式：2路0~10V电压信号输出，1路4～20mA电流信号输出；
- 负载能力：电压输出通道负载 ≥2 KΩ，电流输出负载≤500Ω；
- 信号精度： 优于0.2% F.S. ；
- 模数转换(D/A)：12bit，分辨率0.025%。
注意，上述第一路电压信号与电流输出通道共用一个D/A变换通道。
3) 频率测量输入通道
- 通道数量：2路；
- 通道类型：隔离 (每个通道均通过内置高性能光电耦合器实现)；
- 输入与系统间隔离耐压：1500VAC，连续；
- 额定输入电压：100V交流，有效值；
- 允许输入电压范围：0.2V～250V交流，有效值；
- 输入阻抗：≥ 100KΩ；
- 频率测量范围：0.03Hz~1000Hz；
- 测量响应时间：被测信号周期；
- 信号周期时间分辨率：8nS；
- 50Hz附近测频分辨率：0.00002Hz。
4) 频率信号输出通道
- 通道数量：2路；
- 通道类型：隔离 (每个通道均通过内置高性能光电耦合器实现)；
- 输出与系统间隔离耐压：1500VAC，连续；
- 额定输出电压：≥20V (空载峰-峰值，50Hz附近)，方波；
- 输出阻抗：100Ω；
- 输出信号频率范围：0.03Hz~1000Hz；
- 输出频率信号周期分辨率：8nS；
- 50Hz附近输出频率信号分辨率：0.00002Hz；
- 输出信号频率精度：优于0.0005Hz。
5) 开关量输入通道
- 通道数量：4路；
- 通道类型：隔离 (每个通道均通过内置高性能光电耦合器实现)；
- 输出与系统间隔离耐压：1500VAC，连续；
- 输入形式：继电器常开接点 (本仪器内置24V电源)；
- 继电器接点闭合电流：≤8mA；
6) 开关量输出通道
- 通道数量：6路；
- 通道类型：非隔离；
- 输出形式：继电器线圈驱动；
- 驱动能力：最大30V (仪器外部提供)，200mA。
7) 以太网接口
- 理论通讯速度：100MHz (标准100M以太网连接)；
- 软件间通讯协议：TCP/IP；
8) 数据采集性能
- 动态波形显示方式：实时显示 (下位机采集与上位机显示同时进行)；
- 每通道的最高采样频率：≥1500Hz
- 每通道的最高采样频率：≥3000Hz；
- 动态波形采集最大时间长度：默认为Tmax (秒)= 1000000/采样频率。
9) 供电电源
交流220V±10%，50Hz/60Hz。
10) 外形尺寸及重量
- 前置机尺寸：370（长）×280（宽）×120（高）mm；
- 前置机净重：≤5公斤。
