水轮机调速系统测试仿真仪

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1、水轮机调速系统测试仿真仪一、概述FS-SLFZ水轮机调速系统测试仿真仪是对水电厂调速器、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 物理量的测量与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。止匕外，考虑

2、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。本仪器是同时符合国家标准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，以与电力行业标准DL/T 1120-2009水 轮机调节系统自动测试与实时仿真仪器技术条件的新型测试仪器。在硬件上，本仪器采用了先进的浮点型 DSP控制器作为仪器的核心，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/C

3、VI)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 化与数据处理的智能化和文档电子化。二、仪器系统特点测量网络化：将仪器放置于局域网或Internet1的任意位置，即可完成所需的测试与仿真任务。通讯高速化 ：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

4、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与PID 参数的 FS-SLFZ 系寻优。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

5、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。Window以格全中文界面：所有操作均在 WINDOWS环境中进行，易学易用。免螺丝刀调整 ：轻点鼠标便可完成通道率定。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。三、仪器系统构成列水轮机调速系统测试仿真仪由前置机（本仪器）和上位机（分析机即电脑）构 成。其中前置机主要用于实时数据采

6、集、简单的信号分析处理以与实时仿真算法 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协议发送名&上位机（分析机即台式机或笔记本电脑）0图1 FS-SLFZ系列水轮机调速系统测试仿真仪实物图本仪器系统关键技术的实现依赖于高性能的前置机。仪器的硬件构成是基于 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 据采集和复杂线性与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

7、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）与片上Flash和RAM等。因此系统硬件紧凑， 可靠性高。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

8、。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 现场与仪器间以与通道与通道间的隔离同时，为适用于各种类型和 X围的模拟输入信号，每个通道均可更改航空插头引线切换量程（FS-SLFZ通过选择不同的信号适配器切换）。上归机浏试仪前置机IDv 1W或16伪弓由把骂.也用JGTS3 TG, GT53. TG16, GTS3 T6 LF司librt AS电飞器 (GT$S-TG-A GTSVTGA16 GTS3 TG-B)LJbil 口SP片上 ADS (GT53TCGT53-TG-16GTS3-TG-LJOmAZOmAWeA ccea；：盟UB1WT1 W-W_u%_ U1ON7V o

9、v-iov1WLLUUBHw%皿Iv-iv以太网WS5D0ICP.1F降知不基于7FH/E4与里违0-10VE5q。必(E 420mAQ-1W4-”2Oe昌*QelOV4n挂电的一胃葬场可说出4i-20mAMOmA川vq就 .审M擢占信比匍入正竟点情人之虺心2-2弓。中交 比捱隹到期Ml人* 4描开美瓶人4兆陶开美输出图2 FS-SLFZ系列水轮机调速系统测试仿真仪结构示意图上位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

10、示、复现、保存和打印。该软件可安装在任何使用WindowsXP/Windows 7的计算机上。系统主要功能的实现主要取决于安装于上位机（分析机即电脑）上的软件。软 件采用了专门的虚拟仪器开发平台即美国NI（National Instrument）公司的 Labwindows/CVI开发。CVI是美国NI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。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，以与强大的数据处理、分析

11、工具。因此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。四、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/T9652.2-2007水轮机控制系统试验，以与电力行业标准 DL/T 1120-2009水轮机调节系统自动测试与实时仿真仪器技术条件 ， FS-SLFZ 系列水轮机调速系统测试仿真仪可对水轮机调速器（含单调、双调 ）与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与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

12、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， 相关分析与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。相关试验完成后可自动生成试验报告。水轮机调速系统测试仿真仪可实现的主要功能如下：调速器静态特性、协联曲线与转速死区测定试验；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与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与相关的调速

13、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）；功能完善的一次调频指标计算；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（需要选配ACVT-1 双路交流电压变送器） ；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

14、和决策所需的数学模型。作为高级应用，仪器还可提供如下信号分析功能：机组振动、摆度、压力脉动等各种物理量瞬态信号的采集、滤波、录波与存储；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、偏度值与峭度值等；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。FS-SLFZ 系列水轮机调速系统测试仿真仪按功能分类的树形结构框图如图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、 信号时频

15、分析功能和模型辨识功能适用于所有具有波形记录功能的界面。系统启动仅零功能系统溟作调速黯挣特性机用实时仿真系境端识超的摸咫星监明19制I凰速度睁持性测试,瓶诔器桧联关系测试接力第 位步则 试机组同考W存慵示调 录波器i寸唐过程指 抓自动或手 动分析通用动特手动空载捱度试输1,2,3*自近空蛀住座忒船1*， 2* ,通用机组展性访有响应分 忻（一次悬流式讥生费线性仍翼喝浆式机西非线性仿百野及前有系统甑津模试峻）自 isma试糊用2 5%负甩5。%负 葡京软甩75郭负在线济助信号时蛾析波形就取波形待征值计算膝谱分析相关分析轴心他小波变换小波分解与再啕用全建荷图3 FS-SLFZ系列水轮机调速系统测试

16、仿真仪功能框图五、仪器系统硬件配置为了满足不同客户的需求，目前该系列调速系统测试仿真仪有 4种机型供选 择，FS-SLFZ、FS-SLFZ-A, FS-SLFZ-A16 和 FS-SLFZ-B （见表 1）。它们的主要区别在于模拟输入通道的使用方法、通道数与使用的模数变换器 类：FS-SLFZ为仪器的标准版，所有8通道模拟输入均使用DSP片上的12位数 模变换器，输入信号量程为固定的010V,要测试其它形式和量程的信号，需外 挂信号适配器（见表2）;FS-SLFZ-A、FS-SLFZ-A16和FS-SLFZ-B为仪器的免适配器版。它们所有 的模拟输入通道均可接受电压、电流信号的多量程形式。所有

17、模拟输入通道均使用单独的16位数模变换器。FS-SLFZ-A的所有8路模拟输入端子使用标准航空 插头。FS-SLFZ-A16为FS-SLFZ-A的16个模拟输入通道版本。FS-SLFZ-B在 电路结构上与FS-SLFZ-A相同，但使用了香蕉插头座取代航空插头作为其输 入、输出端子。表1各机型仪器的硬件配置简要描述FS-SLFZFS-SLFZ-AFS-SLFZ-A16FS-SLFZ-B输入输出连接方式航空插头座航空插头座航空插头座香蕉插头座隔离的模拟输入通道数88168AD变换器位数12 bit16 bit16 bit16 bit模拟输入航插芯数666无模拟输入适配器聿亚不需要不需要不需要模拟输

18、入精度0.2% F.S.0.15% F.S.0.15% F.S.0.15% F.S.模拟输入量程0 +10V 通过更换适配 器切换各种量 程-12V +12V-24V +24V-20mA +20mA更改航空插头引 线切换量程-12V + 12V-24V +24V-20mA +20mA更改航空插头引 线切换量程-12V +12V-24V +24V-20mA +20mA 更换到/、同的香 蕉插头切换量程传感器用电源适配器提供公共24V公共24V2路隔离24V模拟输出通道数3344模拟输出是否隔禺否是是是;隔离的测频输入通道数2222隔离的频率输出通道数2222隔离的开关量输入通道数4444开关量输

19、入形式继电器接点或 电子开关继电器接点或电 子开关继电器接点或电 子开关继电器接点或电 子开关开关量输出通道数4444开关量输出形式晶体管驱动继电器接点继电器接点继电器接点高性能以太网主板是是是是最高采样频率/通道3000Hz 3000Hz 3000Hz3000Hz上下位机实际通讯速度高高高高表2 FS-SLFZ系列仪器可选信号适配器与配件信号适配器（只适用于FS-SLFZ）*适配器型号输入信号X围传感器电源数量备注U505V无U5P05V有，可指定UB55+5V无UB5P5+5V有，可指定UB11 + 1V无I200 20mA无I4204 20mA无I420P4 20mA有，可指定4线UB1

20、010 + 10V无UB10 P10 + 10V有，可指定UB2424 + 24V无UN1121 + 12V无UN112P1 + 12V有，可指定U20020V无U20P020V有，可指定U10S开关量接点输入无UB2424 + 24V无输出模块（只适用于FS-SLFZ）名称用途数量备注继电器输出模块开关量输出转为继电器接点，主要用 于仿真时输出断路器状态。2个接点输出对 应力,关重输出通 道00特殊用途模板或模块（全系列适用）|名称用途数量备注ACVT-1双路交流电压变送器同期测量时的交流电压测量*:传感器电源可选+ /15V、+/12V或单24V等与所需电流。如表中无 所需适配器，请与经销

21、商或生产厂商洽谈特殊型号并订货。六、与同类传统仪器的比较FS-SLFZ型水轮机调速系统测试仿真仪与同类传统仪器相比较有着明显的 优势，见表3。表3 FS-SLFZ型仪器与传统同类仪器的比较对比项目FS-SLFZ系列测试仿真仪传统试验装置硬件先进 性比较主控芯片米用了 TI公司最先进的32位 浮点DSP芯片，具有强大的计算功能，使 机组的实时仿真成为可能；对于所有的模拟量输入通道均采用高性 能隔离放大器，以实现现场与仪器间以 与通道与通道间的隔离；内部电路使用 10-25ppm低温漂0.1%高 精度精密电阻与带有温度补偿功能的晶 振保证了各种环境条件下信号采集和输 出的高精度。测频输入和频率输出

22、通道的时间分辨率为8nS,可实现高精度测频，也可测极低 频。频率输出通道50Hz附近信号频率分 辨率为 0.00002Hz J百号误差不大于土 0.0005 Hz ;模拟量输入通道测量误差不大于0.15%（FS-SLFZ为0.2%），能够满足几乎所有现场信号的高精度测量要求（FS-SLFZ需要选配适配器来实现）主控芯片多米用传统 8位或16位单 片机，或定点 DSP,难以实现复杂 的运算，或实现非线性实时仿真； 模拟量输入通道一般/、隔离， 容易受 现场干扰。如果接线不慎，可能引起 调速器设备的故障；测频输入和频率输出通道的时间分 辨率多为1uS以上，难以实现高精 度测频，难以测量极低频（1H

23、z以下）； 模拟量输入通道测量误差通常为 0.5%以上，通道信号通常为固定形 式；通讯性能 比较仪器的前置机与分析机间米用了真正的网络通讯和可靠的 TCP/IP协议，可实现 基于网络的（局域网或Internet）远距离测 试；其理论通讯速率取决于所接入的网络，可达100MBit/秒，能够满足 高速数据采 集的需求。米用传统的串行通讯或串口转网口 的伪网络通讯方法，通讯速度很慢， 不能满足高速数据采集的需求； 采用传统的USB接口方法，虽然通 讯速度达到要求，但抗干扰能力较 差，易产生测试过程中的 “断线”现 象。实时仿真 功能比较可实现线性的或基于特征线法以与神经 网络模拟的非线性实时仿真（适

24、用于单调 或双调型水轮机）。即仪器可以代替机组 与真实的调速器连接在一起构成闭环系 统，进行调速系统的闭环动特性试验（不必真正开机），从在不用耗水的情况下， 也可达到调整调速器参数和系统动态性 能测试的目的。可完全满足最新部颁标 准（水轮机调速系统自动测试与被控对象 实时仿真装置技术规程）的要求。传统仪器无此项功能，或仅有线性仿 真功能。系统辨识 功能比较可进行调速系统的一次调频试验与功能完善的一次调频性能指标计算；可进行基于阶跃信号、PRBS信号和脉冲信号的模型辨识试验；可进行基于遗传算法的调速器模型或机组模型的辨识。市面上档次较高的仪器才可能具有 调速系统的一次调频试验功能； 不具有系统辨

25、识功能。家 国 足 满满足GBT9652.2-2007水轮机控制系统不能完全满足最新国家标准和行业标准比较试验、DLT1120-2009水轮机调节系统自动测试与实时仿真装置技术条件最新国家标准和行业标准规 X要求。标准规X要求，差距较大。七、附件清单 FS-SLFZ型水轮机调速系统测试仿真仪1台； 1420P信号适配器1只（4线，带24V, 1W独立传感器供电电源，420mA 输入）； I420信号适配器2只（420mA输入）； UB1信号适配器1只（-1V+1V输入，与专用钳形电流互感器配用）； 继电器输出模块（简化型）； 010V模拟输入信号直联线2条（带鳄鱼夹）；口频率信号输入直联线1条

26、（带鳄鱼夹）；口频率信号输出直联线1条（带鳄鱼夹）；口航插接头8个（6芯2个，5芯1个，3芯3个，4芯1个，2芯1个）； 专用钳形电流互感器1只（用于测量定子电流）；口电源线1条； 双机标准网络对联线1条（用于直连前置机与上位机）； 水轮机调速系统测试仿真仪上位机应用软件与资料1套； 水轮机调速系统测试仿真仪使用说明书（纸质）；口 IP地址：，端口号：2404 （IP地址可由用户在订货时指定）。注1:上述配置可根据用户需要更改，请在订货时与经销商或生产厂商说明。B） FS-SLFZ-A型仪器标准配置 FS-SLFZ-A型水轮机调速系统测试仿真仪1台； -12V12V模拟输入信号直联线4条（带鳄

27、鱼夹，用于直接连接-12V+12V输入信号）； -24V24V模拟输入信号直联线1条（带鳄鱼夹，用于直接连接-24V +24V输入信号）； -20mA20mA模拟输入信号直联线 4条（带鳄鱼夹，用于直接连接-20mA+20mA输入信号）； 频率信号输入直联线1 条 （带鳄鱼夹）; 频率信号输出直联线1 条 （带鳄鱼夹）; 开关量输出通道0 继电器开接点输出直联线 1 条 （带鳄鱼夹，用于输出实时仿真机组出口开关状态）； 航空插头6 个 （5 芯 1 个， 3 芯 3 个， 4 芯 1 个， 2 芯 1 个）； 专用钳形电流互感器1 只 （用于测量定子电流）； 电源线 1 条； 双机标准网络对联

28、线 1 条 （用于直连前置机与上位机）； 水轮机调速系统测试仿真仪上位机应用软件与资料1 套； 水轮机调速系统测试仿真仪使用说明书 （纸质 ）；口 IP地址：，端口号：2404 （IP地址可由用户在订货时指定）。注：上述配置可根据用户需要更改，请在订货时与经销商或生产厂商说明。C） FS-SLFZ-A16型仪器标准配置 FS-SLFZ-A16 型水轮机调速系统测试仿真仪1 台； -12V12V模拟输入信号直联线8条（带鳄鱼夹，用于直接连接-12V+12V 输入信号） ； -24V24V模拟输入信号直联线1条（带鳄鱼夹，用于直接连接-24V+24V 输入信号） ； -20mA20mA模拟输入信号

29、直联线7条（带鳄鱼夹，用于直接连接-20mA+20mA输入信号）； 频率信号输入直联线1 条 （带鳄鱼夹）; 频率信号输出直联线1 条 （带鳄鱼夹）; 开关量输出通道0 继电器开接点输出直联线 1 条 （带鳄鱼夹，用于输出实时仿真机组出口开关状态）； 航空插头6 个 （5 芯 1 个， 3 芯 3 个， 4 芯 1 个， 2 芯 1 个）； 专用钳形电流互感器1 只 （用于测量定子电流）； 电源线 1 条； 双机标准网络对联线 1 条 （用于直连前置机与上位机）； 水轮机调速系统测试仿真仪上位机应用软件与资料1 套； 水轮机调速系统测试仿真仪使用说明书 （纸质 ）；口 IP地址：，端口号：24

30、04 （IP地址可由用户在订货时指定）。注：上述配置可根据用户需要更改，请在订货时与经销商或生产厂商说明。D） FS-SLFZ-B型仪器标准配置 FS-SLFZ-B 型水轮机调速系统测试仿真仪1 台； 通用输入、 输出信号直联线12 付（标准线，一侧为香蕉插头， 另一侧为鳄鱼夹 ） ； 频率信号输入直联线 2 付 （标准线，一侧为香蕉插头，另一侧为鳄鱼夹）; 专用钳形电流互感器1 只 （用于测量定子电流）； 电源线 1 条； 双机标准网络对联线 1 条 （用于直连前置机与上位机）； 水轮机调速系统测试仿真仪上位机应用软件与资料1 套； 水轮机调速系统测试仿真仪使用说明书 （纸质 ）；口 IP地址：，端口号：2404 （IP地址可由用户在订货时指定）。注：上述配置可根据用户需要更改，请在订货时与经销商或生产厂商说明。八、 质量保证（ 1）本仪器严格按照国家标准和企业标准制造，每一台仪器都经过严格的出厂检验。（ 2）本仪器享有一年的保修期，在此期间由于制造上的原因而使质量低于特性要求的本公司将免费予以保修。（ 3）在仪器使用寿命内，本公司将终身提供仪器的维护、使用培训、软件升级等相关服务。（ 4）如果在使用中发现问题，请与时与本公司联系，我们将根据情况采取最便捷的方式进行服务。