蘇 立，毛 成，沈春和，李林峰，田曉波，陳滿華

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州省貴陽市 550002；2.國家能源集團(tuán)貴州電力有限公司紅楓水力發(fā)電廠 ， 貴州省貴陽市 550000）

0 引言

水輪機(jī)調(diào)速器是水電機(jī)組重要的控制設(shè)備，其調(diào)節(jié)與控制性能的好壞關(guān)系到整個(gè)水電機(jī)組的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。大型水電機(jī)組調(diào)速器的運(yùn)行工況好壞直接會(huì)影響電力系統(tǒng)的可靠性，隨著國家超級大型水電機(jī)組的相繼投產(chǎn)，其調(diào)速器的可靠性未來將會(huì)直接決定電網(wǎng)安全，因此對調(diào)速器的可靠性未來將達(dá)到一個(gè)新的高度[1-4]。

隨著水輪機(jī)調(diào)速器的控制精度的逐步提高，對其測試裝置要求也越來越高，我國新國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9652.1—2019對水輪機(jī)調(diào)速器的各項(xiàng)指標(biāo)也有了新的要求，其中對轉(zhuǎn)速系統(tǒng)測量誤差由原來的fx≤±0.25%提高為的|fx|≤0.002%，而目前常規(guī)的頻率脈沖生成設(shè)備在進(jìn)行固定頻率仿真時(shí)還能尚可滿足要求，當(dāng)需要變化仿真頻率時(shí)，常規(guī)設(shè)備很容易出現(xiàn)頻率脈沖信號不連續(xù)等問題，這樣已經(jīng)無法滿足對調(diào)速器的測試要求，因此就要運(yùn)用精度更高的測試設(shè)備對其性能指標(biāo)有進(jìn)一步的測試。

早些年國內(nèi)對調(diào)速系統(tǒng)測試所用裝置大部分是由單片機(jī)或者DSP開發(fā)，有武漢市華英電力科技有限公司和華中科技大學(xué)等開發(fā)的各類產(chǎn)品，這類產(chǎn)品都需要大量的外圍電路，不能隨意改變電路特性，有些設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的通信采用串口，其傳送數(shù)率完全不能達(dá)到要求。雖然基于單片機(jī)或DSP開發(fā)成本較低，但是其硬件的限制受到了極大的限制，也無法滿足現(xiàn)有情況需求。本文將虛擬儀器技術(shù)及DDS技術(shù)引入到水電機(jī)組調(diào)速器測試試驗(yàn)當(dāng)中，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套水輪機(jī)調(diào)速器綜合測試裝置，能根據(jù)新的國家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求對調(diào)速器進(jìn)行測頻、靜特性、接力器不動(dòng)作時(shí)間等功能項(xiàng)目的測試，同時(shí)也可以水輪機(jī)調(diào)速器動(dòng)態(tài)仿真的性能進(jìn)行了測試研究，對水輪機(jī)控制系統(tǒng)有著重要意義。

1 DDS技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)的介紹

1.1 DDS 技術(shù)簡介

DDS是一種直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文縮寫，最早是由美國學(xué)者Tierncy等提出的[5]，與普通的頻率合成技術(shù)不同的是，DDS技術(shù)是從一種從頻率波形相位出發(fā)的思路，通過直接生成所要波形的一種頻率波形生產(chǎn)技術(shù)，不積極實(shí)現(xiàn)頻率的聯(lián)系改變，同時(shí)也有相位及幅度調(diào)節(jié)的功能。

DDS數(shù)字頻率合成器其中有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①輸出的頻率分辨率較高，輸出頻寬較大；②頻率變化速度快，甚至可達(dá)到微秒級別；③當(dāng)頻率進(jìn)行變換，其頻率波形的相位可以不中斷；④輸出信號整體噪聲低；⑤輸出信號可以產(chǎn)生任意波形的頻率信號，例如：方波、正弦波、鋸齒波等；⑥整個(gè)過程全部由數(shù)字化來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)體積小，同時(shí)重量輕。

1.2 虛擬儀器簡介

20世紀(jì)的80年代，美國國家儀器公司（National Instruments Corporation，簡稱NI）第一次創(chuàng)建了虛擬儀器（Virtual Instruments）的概念，并且創(chuàng)造了“軟件就是儀器”的口號，完全顛覆了原始儀器只能由制造廠家設(shè)計(jì)，而客戶沒有主動(dòng)權(quán)[6]。

通常來說，虛擬儀器技術(shù)就是在普通的計(jì)算機(jī)電腦上增設(shè)軟件和硬件，用戶在操作這臺計(jì)算機(jī)時(shí)，就像是在使用其本人設(shè)計(jì)的專用的電子測量控制設(shè)備。虛擬儀器技術(shù)的誕生改變了常規(guī)的儀器設(shè)備由生產(chǎn)商自行定義，使用者無法任意變化的固定模式，虛擬儀器技術(shù)給使用者完全充分地展現(xiàn)自我才能和想象力的機(jī)會(huì)[7]。虛擬儀器的發(fā)展主要取決于三個(gè)重要因素。計(jì)算機(jī)是動(dòng)力，軟件是主宰，高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器與傳感器是關(guān)鍵。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種圖形化編程語言，又稱為“G”語言[8]。

2 測試平臺介紹

2.1 測試平臺結(jié)構(gòu)簡介

水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是由控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)[9]。水輪機(jī)調(diào)速器是控制系統(tǒng)的重要組成部分，其控制精度高低直接影響機(jī)組穩(wěn)定性。本文對水輪機(jī)調(diào)速器的測試主要有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試兩大部分，其中靜態(tài)試驗(yàn)部分主要包括：

（1）靜態(tài)故障模擬試驗(yàn)，模擬調(diào)速器各種工況下穩(wěn)定性、不同的方式和模式的切換以及各種采集量電源等信號斷線情況。

（2）永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)和轉(zhuǎn)速死區(qū)測試，主要通過調(diào)速器靜特性試驗(yàn)測量，或者通過階躍頻率信號法測定轉(zhuǎn)速死區(qū)ix。

（3）靜態(tài)動(dòng)作時(shí)間測試試驗(yàn)，主要檢測導(dǎo)葉全開或全關(guān)等情況下動(dòng)作時(shí)間。調(diào)速器動(dòng)態(tài)測試主要有接力器不動(dòng)作時(shí)間、開機(jī)停機(jī)、負(fù)荷擾動(dòng)、甩負(fù)荷等。

本文設(shè)計(jì)測試平臺根據(jù)試驗(yàn)要求出發(fā)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、頻率信號發(fā)生模塊、水機(jī)模型計(jì)算模擬模塊三個(gè)模塊組成，頻率信號發(fā)生模塊給被測試裝置調(diào)速器模擬機(jī)組頻率信號，在通過采集裝置采集機(jī)組導(dǎo)葉開度及斷路器狀態(tài)，再進(jìn)去模型模擬模塊進(jìn)行分析計(jì)算最終形成了一個(gè)閉環(huán)測試系統(tǒng)。

圖1 平臺結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Platform chart

2.2 脈沖頻率信號的產(chǎn)生

對于水輪機(jī)調(diào)速器的測試過程中最關(guān)鍵的在于產(chǎn)生精確的頻率脈沖信號來仿真機(jī)組PT端頻率信號，本測試系統(tǒng)則引入DDS直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)精確的脈沖信號的產(chǎn)生。DDS技術(shù)中最關(guān)鍵的就是DDS芯片結(jié)構(gòu)，而一塊DDS芯片主要包含了相位累加模塊、加法模塊、波形存儲(chǔ)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊以及低通濾波器模塊幾個(gè)部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 DDS原理框圖Figure 2 DDS block diagram

DDS中輸入的K為頻率控制值、P為相位控制值、fc為外部時(shí)鐘頻率，N為相位累加器的長度。當(dāng)每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，則相位寄存器以步長M增加。通過相位寄存器的輸出和相位控制P相加，所得結(jié)果作為查表地址，通過地址在正弦中查找相應(yīng)值輸出。

DDS的計(jì)算方程為：f0=fcK/2N，而DDS的最大輸出頻率由Nyquist采樣定理決定，即fc/2，也就是K的最大值為2N-1。因此，只要N足夠大，DDS可以得到很細(xì)的頻率間隔。要改變DDS的輸出頻率，只要改變頻率控制字K即可。

2.3 測試平臺硬件選擇

本測試裝置通過結(jié)構(gòu)可以看出，硬件通道主要在于模擬量的采集、數(shù)字量的采集以及頻率脈沖信號的產(chǎn)生。本測試裝置是基于虛擬儀器技術(shù)的硬件設(shè)備，主要選用NI公司PCI系列的數(shù)據(jù)采集硬件。對調(diào)速器的接力器行程和斷路器狀態(tài)信號通過PCI-6221的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。此采集卡具有16路模擬量信號輸入通道，采樣率可達(dá)250k/s，8路數(shù)據(jù)量通道，時(shí)鐘可達(dá)1MHz，具有32位計(jì)算器，2路模擬輸出通道。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要求調(diào)速器部分接力器不動(dòng)作時(shí)間在0.2s以內(nèi)，即接力器的采集頻率在ms級別可以滿足測量要求，因此本采集模塊的模擬量采集速度為250k/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求。

我國新國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9652.1—2019對水輪機(jī)調(diào)速器的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)測量誤差由原來的fx≤±0.25%提高為|fx|≤0.002%[10]，則頻率信號發(fā)生器的分辨率應(yīng)小于0.001Hz。我國電網(wǎng)額定頻率為50Hz，如果要達(dá)到頻率分辨率小于0.001Hz的基本要求，則Fx=50/0.001×0.02=2500000，最小的時(shí)鐘頻率為2.5MHz才能滿足分辨率要求。雖然數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221內(nèi)部晶振時(shí)鐘為80M，但是由于其時(shí)基穩(wěn)定度為50PPM，換算時(shí)鐘頻率誤差4000Hz，經(jīng)過計(jì)算在產(chǎn)生50Hz的方波時(shí)其理論誤差精度為0.0025Hz，產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定性大于0.001Hz，理論上并不滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時(shí)PCI-6221在發(fā)送脈沖頻率是如果進(jìn)行調(diào)頻這需要對計(jì)數(shù)器重新更新，更新過程脈沖頻率有一定的中斷，會(huì)導(dǎo)致調(diào)速器出現(xiàn)機(jī)頻故障報(bào)警，這樣就無法滿足測試中的頻率的連續(xù)變化，因此其無法達(dá)到國家的要求。

根據(jù)上面的分析，普通的頻率發(fā)送設(shè)備無法滿足測試系統(tǒng)的基本要求，這里本系統(tǒng)通過前面介紹的DDS技術(shù)使用到測試系統(tǒng)中。由此本系統(tǒng)則選用脈沖頻率輸出是PCI-5402，板卡是包含了14位分辨率，其中有32kB板載的內(nèi)存100 MS/s、20MHz任意函數(shù)發(fā)生器（AFG），可在PCI板卡上生成任意函數(shù)。該板卡有單獨(dú)的函數(shù)生成器，同時(shí)具備整體的靈活性，由此可建立高性能的虛擬儀器技術(shù)的平臺設(shè)計(jì)方案。這里通過數(shù)字合成（DDS）技術(shù)，可準(zhǔn)確的生成一定的特征的連續(xù)周期波形，例如：正余弦波、方波、鋸齒波、斜波、噪聲波等，可精確地生成具有重復(fù)特征的波形，頻率范圍0～20 MHz，并且支持跳頻，頻率分辨率可達(dá)355 μHz，完全可以滿足試驗(yàn)系統(tǒng)的測試要求。

PCC（Programmable Computer Controller）可編程計(jì)算機(jī)控制器是目前水輪機(jī)調(diào)速器控制器比較流行的一種控制器，從開始的IP161，2003系列到后期的2005系列及X20系列。本文通過2005系列IP161控制模塊進(jìn)行模擬測試，其晶振為6291667Hz，這里通過其測頻進(jìn)行對系統(tǒng)的測試。通過程序設(shè)置使得脈沖輸出端口輸出一個(gè)方波的脈沖頻率，是其頻率在51～49Hz的正弦波動(dòng)。通過IP161進(jìn)行頻率測量，通過IP161中函數(shù)CPI.DifCnt返回的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算測量頻率，如圖3所示為IP161測量的頻率值顯示波形圖，頻率在51Hz到49Hz之間波動(dòng)，沒有認(rèn)識頻率值抖動(dòng)，因此通過DDS技術(shù)生成的波形非常穩(wěn)定，完全可以滿足模擬電網(wǎng)頻率。

圖3 頻率波形圖Figure 3 Frequency waveform

2.4 系統(tǒng)建模的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試時(shí)，通過系統(tǒng)軟件搭建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水輪機(jī)組的仿真，通過外部要測試的調(diào)速器控制系統(tǒng)內(nèi)部的搭建的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對其進(jìn)行的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由水輪發(fā)電機(jī)組、壓力引水系統(tǒng)、調(diào)速器等組成。通過以往對水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究，其系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可以用一下模型表示，如圖4所示為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的典型數(shù)學(xué)模型。其中，ey為水輪機(jī)力矩對導(dǎo)葉開度的傳遞函數(shù)；eqh為水輪機(jī)流量對水頭的傳遞函數(shù)；eh為水輪機(jī)力矩對水頭的傳遞函數(shù)；eqy為水輪機(jī)流量對導(dǎo)葉開度的傳遞函數(shù)；Tw為水流慣性時(shí)間常數(shù)；Ta為機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)；en為機(jī)組綜合自調(diào)節(jié)系數(shù)；c為頻率給定值輸入；x為機(jī)組頻率輸出；mg0為負(fù)荷擾動(dòng)輸入，ek=（eqyeh-eqhey）/ey[11-13]。

圖4 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型Figure 4 Hydraulic turbine regulating system model

NI公司提供的LabVIEW控制設(shè)計(jì)與仿真模塊能分析開環(huán)模型行為、設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器、模擬在線和離線系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)物理設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)中通過仿真模塊中所提供的仿真循環(huán)（Simulation Module）來進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的模擬，在仿真循環(huán)中添加仿真函數(shù)模塊（Transfer Function），通過對仿真函數(shù)模塊中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)對水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型中的水輪機(jī)及其壓力引水管道的數(shù)學(xué)模擬。在測試過程中，通過系統(tǒng)的模擬量端口采集的導(dǎo)葉開度數(shù)據(jù)量，進(jìn)過率定傳入系統(tǒng)，再通過數(shù)學(xué)模型的計(jì)算分析求得機(jī)組頻率，最后通過頻率輸出端口產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖頻率，經(jīng)過調(diào)速器中的頻率接受通道返回給調(diào)速器中的控制器的頻率采集端，這樣就可以形成系統(tǒng)對機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行模擬過程，如圖5所示為系統(tǒng)程序框圖。

圖5 系統(tǒng)程序框圖Figure 5 System block diagram

3 現(xiàn)場測試試驗(yàn)

本平臺可對調(diào)速器進(jìn)行的測試有測頻校驗(yàn)、靜特性試驗(yàn)、自動(dòng)開機(jī)試驗(yàn)、自動(dòng)停機(jī)試驗(yàn)、空載擺動(dòng)試驗(yàn)、空載頻率擾動(dòng)試驗(yàn)及甩負(fù)荷試驗(yàn)等。根據(jù)GB/T 9652.2—2019我國水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件的新國家標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)性能要求，在GYWTPCC比例液壓閥調(diào)速器進(jìn)行了現(xiàn)場測試應(yīng)用，接力器不動(dòng)作時(shí)間、模擬開機(jī)試驗(yàn)、甩100%負(fù)荷仿真試驗(yàn)、甩25%負(fù)荷仿真進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

開機(jī)模擬試驗(yàn)通過外部被測調(diào)速器來控制測量系統(tǒng)中的模型機(jī)組來實(shí)現(xiàn)，其中設(shè)置Kp=2，Ki=0.4，Kd=0，Ta=7.5，Tw=1，en=0.8開機(jī)時(shí)間設(shè)計(jì)為35s接力器行程和機(jī)組頻率記錄曲線的波形表，測量機(jī)組最大頻率（最大超超調(diào)量）為50.21Hz，開機(jī)過程時(shí)間為37s，如圖7所示。

圖6 調(diào)速器開機(jī)試驗(yàn)界面圖Figure 6 The turbine governor boot test

圖7 測試接力器不動(dòng)作時(shí)間Tq試驗(yàn)Figure 7 The turbine governor no action time test

接力器不動(dòng)作時(shí)間是反映調(diào)速器在緊急情況下的動(dòng)作速度的試驗(yàn)，其動(dòng)作快慢在一定程度上影響機(jī)組的控制速度。在進(jìn)行接力器不動(dòng)作時(shí)間Tq測定試驗(yàn)時(shí)，調(diào)速器處于頻率控制模式自動(dòng)方式平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)參數(shù)位于中間值，開環(huán)增益為整定值，調(diào)節(jié)開度給定將接力器開到約50%的位置。在額定的頻率基礎(chǔ)上施加勻速變化的頻率信號（1Hz/s），以頻率信號增或減0.02%為起點(diǎn)開始計(jì)時(shí)，測量接力器不動(dòng)作的時(shí)間。如圖6所示圖中通過按鈕控制試驗(yàn)過程，左側(cè)波形圖顯示頻率值和接力器位移波形，通過變化1Hz的勻速頻率測量接力器不動(dòng)作時(shí)間，測試結(jié)果為171ms滿足國標(biāo)要求。

對調(diào)速器進(jìn)行模擬甩25%負(fù)荷進(jìn)行的試驗(yàn)，接力器行程和機(jī)組頻率記錄曲線如圖8所示的波形表，測量機(jī)組最大頻率（最大超超調(diào)量）為52.43Hz，測量從模擬斷路器斷開開始計(jì)時(shí)到接力器動(dòng)作的接力器不動(dòng)作時(shí)間Tq=181ms滿足要求。

圖8 調(diào)速器甩25%負(fù)荷試驗(yàn)界面圖Figure 8 The turbine governor 25% load rejection test

4 結(jié)論

本文通過分析新國標(biāo) GB/T 9652.1—2019的水輪機(jī)調(diào)速器測試及仿真的精度規(guī)定，通過DDS技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)了一套水電機(jī)組的調(diào)速器性能測試平臺，測試系統(tǒng)可以進(jìn)行水輪機(jī)調(diào)速器半物理半仿真的測試，可以完成調(diào)速器開停機(jī)及甩負(fù)荷的模擬測試工作，并對結(jié)果進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。使用表明，該平臺測試結(jié)果準(zhǔn)確，對提高機(jī)組利用率有良好表現(xiàn)，也能為調(diào)速器故障診斷帶來良好依據(jù)。