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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。

本仪器是同时符合国家标准GB/T9652.1-2007《水轮机控制系统技术条件》、GB/T9652.2-2007《水轮机控制系统试验》，以及电力行业标准DL/T1120-2009《水轮机调节系统自动测试及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/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。

二、仪器系统特点

●测量网络化：

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。

●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协议发送给上位机（分析机即台式机或笔记本电脑）。

图1FS-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150MHz，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。

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）。

图2FS-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示、复现、保存和打印。

该软件可安装在任何使用WindowsXP/Windows7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（NationalInstrument）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，以及强大的数据处理、分析工具。

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/T9652.1-2007《水轮机控制系统技术条件》、GB/T9652.2-2007《水轮机控制系统试验》，以及电力行业标准DL/T1120-2009《水轮机调节系统自动测试及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）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。

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）；

●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。

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。

图3FS-SLFZ系列水轮机调速系统测试仿真仪功能框图

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、通道数及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0~10V，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-SLFZ

FS-SLFZ-A

FS-SLFZ-A16

FS-SLFZ-B

输入输出连接方式

航空插头座

香蕉插头座

隔离的模拟输入通道数

AD变换器位数

12bit

16bit

模拟输入航插芯数

无

模拟输入适配器

需要

不需要

模拟输入精度

0.2%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

更换到不同的香蕉插头切换量程

传感器用电源

适配器提供

公共24V

2路隔离24V

模拟输出通道数

模拟输出是否隔离

否

是

隔离的测频输入通道数

隔离的频率输出通道数

隔离的开关量输入通道数

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

开关量输出形式

晶体管驱动

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

表2FS-SLFZ系列仪器可选信号适配器及配件

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

0～5V

无

U5P

0～5V

有，可指定

UB5

－5～＋5V

无

UB5P

－5～＋5V

有，可指定

UB1

－1～＋1V

无

I20

0～20mA

无

I420

4～20mA

无

I420P

4～20mA

有，可指定

4线

UB10

－10～＋10V

无

UB10P

－10～＋10V

有，可指定

UB24

－24～＋24V

无

UN112

－1～＋12V

无

UN112P

－1～＋12V

有，可指定

U20

0~20V

无

U20P

0~20V

有，可指定

U10S

开关量接点输入

无

UB24

－24～＋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个接点输出对应开关量输出通道0。

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等及所需电流。

如表中无所需适配器，请与经销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3FS-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

●主控芯片采用了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及通道与通道间的隔离；

●内部电路使用10-25ppm低温漂0.1%高精度精密电阻及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，信号误差不大于±0.0005Hz；

●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）

●主控芯片多采用传统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不隔离，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（1Hz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采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。

●采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及神经网络模拟的非线性实时仿真（适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及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；

●不具有系统辨识功能。

满足国家标准比较

●满足GBT9652.2-2007《水轮机控制系统试验》、DLT1120-2009《水轮机调节系统自动测试及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。

●不能完全满足最新国家标准和行业标准规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；

□I420P信号适配器1只（4线，带24V，1W独立传感器供电电源，4～20mA输入）；

□I420信号适配器2只（4～20mA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）；

□0~10V模拟输入信号直联线2条（带鳄鱼夹）;

□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）;

□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）；

□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及资料1套；

□水轮机调速系统测试仿真仪使用说明书（纸质）；

□IP地址：

192.168.10.30，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；

□-12V～12V模拟输入信号直联线4条（带鳄鱼夹，用于直接连接-12V～+12V输入信号）；

□-24V～24V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）；

□-20mA～20mA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及资料1套；

□水轮机调速系统测试仿真仪使用说明书（纸质）；

□IP地址：

192.168.10.30，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；

□-12V～12V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）；

□-24V～24V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）；

□-20mA～20mA模拟输入信号直联线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及资料1套；

□水轮机调速系统测试仿真仪使用说明书（纸质）；

□IP地址：

192.168.10.30，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。

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及资料1套；

□水轮机调速系统测试仿真仪使用说明书（纸质）；

□IP地址：

192.168.10.30，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，请及时与本公司联系，我们将根据情况采取最便捷的方式进行服务。

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