1. 概况

本章扼要介绍HDS3-TG-A 水电站水轮机调速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，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HDS3-TG-A 水电站水轮机调速综合测试系统器技术条件》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*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：

12. 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。

13. 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。

14. 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。

15. 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。

16. 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。

17. 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。

18. 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。

19. 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。

20. Windows风格全中文界面，所有操作均在WINDOWS 环境中进行，易学易用。

21. 轻点鼠标便可完成通道率定，免螺丝刀调整。

22. 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 (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HDS3-TG-A 水电站水轮机调速综合测试系统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)。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