梁 彬, 劉 瑩, 胡麗杰, 韓 波, 王洪泉, 高 尚

（1. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

前言

隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展和單機容量的增大，對發(fā)電機的性能指標(biāo)提出了更高的要求。為提高水輪發(fā)電機的動態(tài)運行穩(wěn)定性以及承擔(dān)不對稱負(fù)載或負(fù)序能力，在轉(zhuǎn)子上增設(shè)阻尼繞組是最有效的措施，但迄今為止，怎樣設(shè)計優(yōu)化的阻尼繞組結(jié)構(gòu)一直都是難以解決的問題。發(fā)電機阻尼繞組結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，依賴于對阻尼繞組中電流分布規(guī)律的準(zhǔn)確把握。長期以來，發(fā)電機阻尼繞組的結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)的電流分布規(guī)律幾乎都是依賴于經(jīng)驗和仿真計算得來的，所得結(jié)果必然與阻尼繞組中電流實際的分布規(guī)律有差異。由于阻尼繞組位于水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極表面，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹窄，不但處于強磁場干擾的環(huán)境中，更由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，無法準(zhǔn)確無誤地傳輸旋轉(zhuǎn)的測量信號，在實際測量技術(shù)的實現(xiàn)上存在著極大的難度。因此至今，尚沒有可以直接準(zhǔn)確地測量阻尼繞組電流的方法或手段。

經(jīng)過深入的研究，我們提出了一種能夠直接準(zhǔn)確地測量阻尼繞組電流的方法。采用美國 NI公司的WLS/ENET9000系列無線通訊模塊，運用當(dāng)今流行的無線 WiFi技術(shù)構(gòu)建無線測量系統(tǒng)的局域網(wǎng)絡(luò)，通過WiFi技術(shù)無線傳輸觸發(fā)控制指令，控制安裝在轉(zhuǎn)子托盤上的四組采集器同時觸發(fā)，進行電流溫度數(shù)據(jù)的實時采集，并將數(shù)據(jù)回傳至上位計算機。該測量系統(tǒng)在被試發(fā)電機上成功地進行了多項幾十組故障性實驗，獲得了寶貴的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)和相應(yīng)的實驗結(jié)果。本文就是基于該硬件系統(tǒng)的測控應(yīng)用軟件設(shè)計實現(xiàn)方案。

本無線遙測系統(tǒng)測控應(yīng)用軟件采用美國 NI公司的LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺。LabVIEW即實驗室虛擬儀器技術(shù)工作平臺，是目前發(fā)展最快，功能最強大的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。因其具有編程簡單、形象生動、易于理解掌握和針對數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號分析與處理等任務(wù)，提供的函數(shù)對低層協(xié)議高度封裝，可直接調(diào)用而無須了解協(xié)議細(xì)節(jié)大力提高了開發(fā)效率等兩個優(yōu)勢，而使其成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。其中數(shù)據(jù)采集和儀器控制更是 LabVIEW 極具競爭力的核心技術(shù)之一，因此基于LabVIEW并結(jié)合硬件觸發(fā)控制功能完成本軟件方案的實現(xiàn)。

1 無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件構(gòu)成

本測控應(yīng)用軟件使上位計算機與數(shù)據(jù)采集硬件形成一個完整的數(shù)據(jù)采集控制、分析和顯示系統(tǒng)。本測控應(yīng)用軟件架構(gòu)分為幾個層次，包括用戶界面、應(yīng)用程序和儀器驅(qū)動，如圖1所示。LabVIEW的核心概念是：軟件即是儀器的虛擬儀器概念。用戶界面即是前面板，可通過編程創(chuàng)建，模擬現(xiàn)實中的儀器，提供虛擬儀器與用戶的接口，用于顯示控制參數(shù)和測量結(jié)果，實現(xiàn)對虛擬儀器的操作。應(yīng)用程序用于定義虛擬儀器的功能，進行數(shù)據(jù)采集控制并對輸入計算機的數(shù)據(jù)進行分析存儲。儀器驅(qū)動程序主要用于初始化虛擬儀器，配置參數(shù)和設(shè)定工作方式，使虛擬儀器能夠保持正常的工作狀態(tài)。

圖1 無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

1.1 無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)WiFi技術(shù)的應(yīng)用

本無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用無線WiFi技術(shù)，無線電模式為 IEEE802.11n，頻率范圍在2.412G-2.462GHz，該頻率范圍避開了實驗區(qū)內(nèi)及周圍的中低頻無線干擾，使上位測控軟件的控制指令可以準(zhǔn)確及時的下發(fā)到采集設(shè)備中，控制采集設(shè)備進行同步采集，并使通過高采樣率采集到的數(shù)據(jù)能實時回傳到上位計算機，而無數(shù)據(jù)及指令擁堵溢出丟失現(xiàn)象。

1.2 無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用戶界面

LabVIEW圖形化編程中，圖形化用戶界面的特點是前面板模擬傳統(tǒng)儀器的操作顯示面板，顯示直觀，形象。本無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的用戶界面包括：主界面水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子阻尼條電流溫度測試程序面板、測試儀器自檢面板、啟動采集程序面板、數(shù)據(jù)文件另保存面板、查看數(shù)據(jù)面板，各面板控件模擬真實儀器，可控制數(shù)據(jù)的采集存儲過程。主要界面如下圖2、3所示。

圖2 無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主界面

圖2 所示界面功能主要是所有子程序的集合，通過該界面可以調(diào)用所有功能子系統(tǒng)。

圖3 無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)啟動采集程序界面

圖3所示界面功能主要是設(shè)置采集參數(shù)、啟動數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)波形顯示、停止采集等。啟動“啟動采集程序.vi”即可在測試程序中調(diào)用，也可在不同試驗項目中單獨調(diào)用，調(diào)用即開始運行，進行數(shù)據(jù)采集和實時數(shù)據(jù)存儲，采集數(shù)據(jù)實時保存在上位機指定區(qū)域內(nèi)。按下“停止采集”按鈕，則數(shù)據(jù)采集結(jié)束并退出采集程序。該子系統(tǒng)是無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心程序。

1.3 無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計

無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用程序共包含五個子程序：水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子阻尼條電流溫度測試主程序、測試儀器自檢程序、啟動采集程序、數(shù)據(jù)文件另保存程序、查看數(shù)據(jù)程序。水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子阻尼條電流溫度測試主程序的設(shè)置可以使程序的結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強，易于維護。方便子程序之間的切換，實現(xiàn)不同的任務(wù)。無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用程序主要完成水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子阻尼繞組電流和溫度的多通道采集、數(shù)據(jù)實時存儲，數(shù)據(jù)波形的顯示任務(wù)的是啟動采集程序。

由于采集設(shè)備只能實現(xiàn)電壓信號的采集，因此系統(tǒng)中將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。啟動采集程序主要使用 AI Config.vi、AI Start.vi、AI Read.vi、AI Clear.vi、DAQmx Export Signal.vi等節(jié)點實現(xiàn)電壓信號的多通道采集，使用 NI公司特有數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)，運用 TDMSOpen.vi、TDMS Read.vi、TDMS Close.vi等節(jié)點實現(xiàn)的超大量數(shù)據(jù)的實時存儲。啟動采集程序程序段和該程序流程圖如圖4、5所示。

圖4 啟動采集程序采樣顯示寫入TDMS文件程序段

圖5 啟動采集程序流程圖

2 無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件特點

無線遙測數(shù)據(jù)采集程序的主要任務(wù)是多通道的數(shù)據(jù)采集和存儲，因此程序的優(yōu)化可靠及高效運行等問題都尤為重要，在程序的開發(fā)過程中，綜合運用了多線程技術(shù)、硬件觸發(fā)的軟件實現(xiàn)等多項先進編程技術(shù)。

2.1 多線程技術(shù)

無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是典型的多任務(wù)系統(tǒng)，編程過程中利用多線程技術(shù)來分別處理實時數(shù)據(jù)采集、圖形界面顯示、數(shù)據(jù)存儲及查看、用戶響應(yīng)等任務(wù)。應(yīng)用多線程技術(shù)，可使操作系統(tǒng)同時處理多個任務(wù)，本應(yīng)用程序?qū)⑵鋬?nèi)部的多個任務(wù)分為多個獨立的線程，可以被分為3個線程：用戶界面線程、數(shù)據(jù)獲取存儲線程、儀器控制線程等，這些獨立的線程能夠并發(fā)執(zhí)行。由于無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)量比較大，如果是單線程應(yīng)用程序可能會造成一個任務(wù)的阻塞或者失敗而影響其他任務(wù)的執(zhí)行，而無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在高速采集的同時要顯示所有數(shù)據(jù)，通常來說，屏幕刷新相對高速數(shù)據(jù)采集要慢得多，因此刷新速度就成為數(shù)據(jù)采集速率的瓶頸。而采用多線程技術(shù)則避免了這些問題的發(fā)生，在無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用戶界面擁有自己的獨立線程，而將數(shù)據(jù)采集單獨作為優(yōu)先級別較高的線程。多線程的使用充分提高了CPU的利用率并提高了本系統(tǒng)的可靠性。

2.2 無線遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件觸發(fā)與同步技術(shù)的軟件實現(xiàn)

阻尼繞組是水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，阻尼繞組電流參數(shù)是衡量阻尼繞組系統(tǒng)是否有效與合理的最重要參數(shù)。由于阻尼繞組位于水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極表面，不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境溫度高，還處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)。另外，阻尼繞組中的電流成分也非常復(fù)雜。而阻尼繞組系統(tǒng)的研究需要測試在各試驗工況下，同一時刻六根測試阻尼繞組上的電流和溫度變化情況，為此需要嚴(yán)格達到六根測試阻尼繞組上電流和溫度采集的同步。由于被測物體所處的外部環(huán)境限制，無法采用外部激勵硬件觸發(fā)以達到同步啟動采集，我們采用的NI WLS/ENET900系列設(shè)備支持內(nèi)部軟件觸發(fā)和外部數(shù)字觸發(fā)，因此我們考慮使用其中的一個數(shù)據(jù)采集設(shè)備 WLS-141228D作為主觸發(fā)源，選用 NI WLS/ENET900系列設(shè)備支持的三種觸發(fā)類型中的一種：AI開始觸發(fā)信號。AI開始觸發(fā)（ai/StartTrigger）信號可用于啟動測量采集，將 AI開始觸發(fā)（ai/StartTrigger）信號與數(shù)字源配合使用，由上位機編程控制從其內(nèi)部獲取開始觸發(fā)信號發(fā)送到PFI0觸發(fā)口，其他三個采集設(shè)備通過PFI0觸發(fā)口獲取觸發(fā)信號，在同一時刻進行觸發(fā)采集，此時三個從設(shè)備指定信號源為PFI0，上升沿作為觸發(fā)邊沿。采集開始后，將停止采集的條件配置為：接收到軟件指令（連續(xù)模式）。在軟件編程過程，為達到可靠的同步采集，在程序段中任務(wù)下發(fā)執(zhí)行命令段添加順序結(jié)構(gòu)，順序結(jié)構(gòu)可以強制規(guī)定程序執(zhí)行順序，順序結(jié)構(gòu)內(nèi)所有指令不執(zhí)行完畢，不能執(zhí)行下一個指令。通過試驗證明，在各種短路試驗中，四個采集設(shè)備達到了完全同步啟動觸發(fā)采集，為真實可靠的分析各工況各時刻六根阻尼條溫度電流變化情況，提供了現(xiàn)實依據(jù)。部分程序段如圖6所示。

圖6 同步觸發(fā)啟動采集部分程序

3 實測結(jié)果和結(jié)論

本文提供了一種基于 LabVIEW 的水輪發(fā)電機阻尼繞組電流無線遙測系統(tǒng)測控應(yīng)用軟件的設(shè)計方法，該測控軟件運用在100kW的同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子阻尼繞組電流測量試驗系統(tǒng)中，成功地進行了多項及多組故障性實驗，獲得了寶貴的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)和相應(yīng)的實驗結(jié)果，為水輪發(fā)電機阻尼繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了真實可靠的依據(jù)。100%UN三相突然短路阻尼繞組電流實測結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 100%UN三相突然短路六根阻尼繞組電流

圖8 100%UN三相突然短路時第3根阻尼繞組電流

[1]周德貴. 同步發(fā)電機運行技術(shù)與實踐[M]. 北京,中國電力出版社, 2004.

[2]白延年. 水輪發(fā)電機設(shè)計與計算[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1982.

[3]National Instruments Corporation. LabVIEW BasicⅠ: Introduction Course Manual, 2008.

[4]阮竒楨. 我和 LabVIEW—一個 NI工程師的十年編程經(jīng)驗[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2009.

[5]陳錫輝. LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通,清華大學(xué)出版社, 2008.

[6]王平. 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[M], 科學(xué)技術(shù)出版社,2007.