摘要：水輪機速度調節系統是水力發(fā)電控制的重要組成部分，不斷增長(cháng)的水輪機調速系統測試需求和國產(chǎn)調速器技術(shù)的變革推動(dòng)了水電站調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器產(chǎn)生和發(fā)展，在近20年時(shí)間里，水輪機調速系統測試技術(shù)在國內經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段，儀器試驗項目翻蓋范圍不斷增加，甚至某些儀器已經(jīng)成為了超出調速系統測試范疇的水電站綜合性試驗儀器，國內水輪機調速系統測試技術(shù)已經(jīng)具有了比較高的水平，盡管如此在水輪機調速系統測試技術(shù)依然存在一些問(wèn)題，突出表現在產(chǎn)業(yè)化程度低，儀器穩定性和可靠性差等，這些問(wèn)題將會(huì )促使水輪機調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展階段。
（作者：武漢市華英電力科技有限公司總經(jīng)理-王蘭芳，基于DSP的水輪機調速系統仿真測試儀設計與實(shí)現，華中科技大學(xué)學(xué)位論文，2005.6 版權所有）
1引言
水輪機調速器是水輪機調節系統的核心組成部分，水輪機調速器調節品質(zhì)好壞對水輪發(fā)電機組運行的安全性、經(jīng)濟性以及電力系統電能質(zhì)量和安全具有重大意義，在調速器生產(chǎn)、安裝啟動(dòng)和大修等環(huán)節，都需要對其性能和特性進(jìn)行全面測試，其試驗包括產(chǎn)品出廠(chǎng)試驗和現場(chǎng)交接驗收試驗。我國國家標準和有關(guān)行業(yè)標準等對水輪機調速系統及裝置的設計制造、特性指標和測試驗收方法、條件均提出了明確要求。但是如果沒(méi)有專(zhuān)業(yè)的試驗儀器配合要完成這些試驗是相當有困難的，例如：
?。?）新產(chǎn)品在實(shí)驗室開(kāi)發(fā)階段，沒(méi)有真實(shí)發(fā)電機組，不能構成閉環(huán)系統進(jìn)行動(dòng)特性試驗，以確定調速器是否能夠按照正常調節規律運行，直接到工業(yè)現場(chǎng)試驗成本極高，并存在很大的安全隱患。
?。?）水輪機調速器在出廠(chǎng)時(shí)，都要進(jìn)行出廠(chǎng)檢驗試驗以確定調速器是否能按照正確的規律調節控制水輪機的運行，但是在調速器廠(chǎng)家往往沒(méi)有條件構造水力發(fā)電現場(chǎng)環(huán)境。
?。?）在水電站現場(chǎng)，調速器安裝投運和大修時(shí)，要對調速系統進(jìn)行試驗，試驗過(guò)程中需要全程記錄，并計算相關(guān)參數指標，完成這些工作所需儀器繁多，過(guò)程復雜，容易出錯。
?。?）要求調速器測試人員有較高的專(zhuān)業(yè)知識和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗，并且結果處理工作量大，容易帶來(lái)誤差。
這些不斷增長(cháng)的市場(chǎng)需求和近些年新興技術(shù)的發(fā)展，導致了水輪機調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器的產(chǎn)生和快速發(fā)展。
2水輪機專(zhuān)業(yè)測試儀器應用領(lǐng)域分析
水輪機調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器的使用單位主要包括水輪機調速器生產(chǎn)廠(chǎng)家，學(xué)校，科研機構，水電站，水電建設單位以及電力科學(xué)研究院。測試儀在這些單位的典型應用場(chǎng)景可歸納為以下幾類(lèi)：
?。?）水輪機調速器生產(chǎn)廠(chǎng)家和科研機構
在水輪機調速器廠(chǎng)家和科研機構，調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器所承擔的任務(wù)主要是仿真發(fā)電機組，新的水輪機調速器研制過(guò)程中，需要反復試驗，但是在水輪機調速器生產(chǎn)廠(chǎng)家或者科
研機構，往往沒(méi)有真實(shí)水電站運行環(huán)境，那么就需要構造一套能讓水輪機調速器運轉起來(lái)的系統。調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器能夠滿(mǎn)足這種需求，通過(guò)采集水輪機調速器導葉主接力器行程信號，模擬發(fā)電機組計算機組頻率，將得到的機組轉速信號輸出至水輪機調速器，讓水輪機調速器像在真實(shí)水電站環(huán)境一樣正常運轉。此時(shí)系統原理框圖如圖1所示，這樣就可以大大方便水輪機調速器的研制開(kāi)發(fā)。
每一臺水輪機調速器被生產(chǎn)出來(lái)時(shí)，都需要對其質(zhì)量進(jìn)行檢測，觀(guān)察其是否能按照正常規律完成對水輪發(fā)電機組的控制。這樣的質(zhì)量檢測包括靜態(tài)試驗和動(dòng)態(tài)試驗兩個(gè)環(huán)節，對于靜態(tài)試驗，手工試驗方法耗時(shí)長(cháng)，容易出錯，計算結果比較復雜；動(dòng)態(tài)試驗環(huán)節則需要一個(gè)真實(shí)運行環(huán)境，能夠讓水輪機調速器正常運轉起來(lái)。調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器在這兩個(gè)試驗環(huán)節中都可以發(fā)揮重要作用，一方面自動(dòng)完成調速器靜態(tài)試驗，速度快并且結果準確；另一方面調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器還可以仿真發(fā)電機組給水輪機調速器提供一個(gè)能使其正常運行的環(huán)境，并且記錄整個(gè)動(dòng)態(tài)試驗過(guò)程，自動(dòng)計算結果給出相應的參數和報告。
圖1專(zhuān)業(yè)測試儀器處于仿真工作模式時(shí)的系統原理框圖
?。?）水電站、電力科學(xué)研究院和水電建設單位
新的水輪發(fā)電機組投運和處于運行中的發(fā)電機組大修時(shí)，都需要完成調速器調試工作，其中一個(gè)重要方面就是對調速器進(jìn)行試驗，檢測調速器性能指標是否能達到國家標準要求。水輪機調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀可以記錄整個(gè)試驗過(guò)程，采集試驗數據，實(shí)時(shí)給出試驗的各種數據波形，自動(dòng)計算試驗結果給出試驗報告，此時(shí)的系統連接原理圖如圖2所示。
另一方面目前很多的水輪機調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器還加入了一次調頻功能和同期試驗功能，這使得調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器的應用范圍得到大大擴展，同期試驗可以用來(lái)在投運和檢修時(shí)檢測同期裝置性能，而一次調頻試驗功能則通過(guò)發(fā)送高精度頻率信號來(lái)檢測調速器死區，同時(shí)還可以模擬和記錄整個(gè)電網(wǎng)的一次調頻試驗過(guò)程，從而檢查調速器的一次調頻功能。
圖2專(zhuān)業(yè)測試儀器在水力發(fā)電現場(chǎng)的工作模式原理框圖
?。?）學(xué)校
水輪機調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器還可以模擬整個(gè)發(fā)電機組現場(chǎng)運行環(huán)境，為高校和職業(yè)學(xué)校水電站運行課程教學(xué)提供一個(gè)良好實(shí)驗平臺，通過(guò)水輪機調速系統仿真測試儀模擬水電站運行過(guò)程中調速器的調節規律、開(kāi)關(guān)機過(guò)程、各種事故及其狀態(tài)等等。
3.1測試模式和測試手段
在國內，八十年代初期，中國水利水電科學(xué)研究院即開(kāi)始這方面的研究工作，他們提出了"模擬調節對象+真實(shí)調速器"的模式。隨后，眾多的專(zhuān)家學(xué)者在水輪機仿真模型的建立，調速器控制策略研究方面進(jìn)行了廣泛的探討，工程技術(shù)人員則在調速器的仿真研究、設計生產(chǎn)以及檢修測試方面進(jìn)行了有益的探索。
1989年，孔昭年提出了一種描述水輪機動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的新方法，以適應水輪機調節系統實(shí)時(shí)仿真需要。該方法的中心思想是以流量特性矩陣與力矩特性矩陣來(lái)取代傳遞系數表征水輪機的流量與力矩特性[3]。1992年，蔣日東在水電機組的控制研究過(guò)程中，建立了相應的水電機組仿真模型，隨后近20年時(shí)間，水輪機專(zhuān)業(yè)測試儀器經(jīng)歷了幾個(gè)大發(fā)展階段。
最先出現的測試模式是仿真調節對象+水輪機調速器模式，水輪機調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器通過(guò)采用數字仿真方法來(lái)模擬調節對象，經(jīng)I/O接口與真實(shí)調速器相連，可進(jìn)行調速器全部靜、動(dòng)態(tài)特性試驗及調速系統動(dòng)態(tài)試驗。它的研制成功，推動(dòng)了國產(chǎn)調速器調試手段的發(fā)展，為水輪機調速器自動(dòng)測試技術(shù)開(kāi)展提供了良好的開(kāi)端。
1998年以后，華中科技大學(xué)率先領(lǐng)導了水輪機調速系統測試技術(shù)的新革命，先后以Intel8086芯片和DSP2407芯片為核心，通過(guò)RS232串行通訊接口將測試儀與PC機相連，推出了新型的水輪機調速系統仿真測試儀[2]，該類(lèi)型儀器不僅能以模擬調節對象+調速器模式工作，還能應用于發(fā)電現場(chǎng)實(shí)現對調速器的靜、動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行全程測試、記錄、處理、打印保存工作，大大簡(jiǎn)化了調速系統試驗過(guò)程和數據處理過(guò)程，降低了試驗錯誤幾率，提高了試驗效率。
近兩年水輪機調速系統測試技術(shù)更是得到了飛速發(fā)展，測試儀器出現了很多新的變化，試驗儀器的主流配置基本都變成了DSP2812+USB2.0模式，新的測試儀器信號采集和輸出通道數量多，速度快，精度高，數據處理變得更加方便，并且試驗項目也大大增加，某些試驗儀器甚至發(fā)展成為了超出了調速系統試驗范疇的水電站綜合性試驗儀器，例如武漢華英電力科技有限公司和華中科技大學(xué)共同研制的新型調速系統仿真測試儀HYTS201不僅能完成常見(jiàn)的調速系統靜、動(dòng)態(tài)試驗，還能完成并網(wǎng)同期試驗，一次調頻試驗，甚至故障錄波和在線(xiàn)監測等任務(wù)[1]。
3.2測試項目
隨著(zhù)水輪機調速系統測試技術(shù)的發(fā)展，專(zhuān)業(yè)測試儀器的測試項目也發(fā)生了很大變化。早期的試驗儀設計的試驗項目都是仿真調速系統進(jìn)行常規試驗，例如靜特性試驗，仿真擺動(dòng)試驗，仿真擾動(dòng)試驗，仿真甩負荷試驗等等，試驗項目非常少。
現如今的水輪機調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器除了完成仿真模式常規測試項目以外，都能完成水力發(fā)電現場(chǎng)試驗記錄，計算和自動(dòng)數據處理，一般試驗儀器設計的試驗項目包括：靜特性，空載擺動(dòng)試驗，空載擾動(dòng)試驗，不動(dòng)時(shí)間試驗，甩負荷試驗，開(kāi)機過(guò)程記錄等，該類(lèi)型試驗已經(jīng)變成了調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器的主要應用。
同期試驗和一次調頻試驗屬于非調速系統試驗范疇，但是某些試驗儀器（如HYTS201）已經(jīng)將這些試驗也納入了儀器的試驗項目，尤其是水電站一次調頻試驗，該試驗雖然是一個(gè)比較經(jīng)典的電站常規試驗，但是在水力發(fā)電行業(yè)受到關(guān)注卻是近兩年的事情，目前水電站一次調頻試驗在全國各省變得越來(lái)越多熱門(mén)，隨著(zhù)水電裝機容量比例不斷增加，水電站一次調頻功能對提高大電網(wǎng)穩定性發(fā)揮著(zhù)非常重要的作用，一次調頻試驗對專(zhuān)業(yè)試驗儀器也提出了比以往更高的要求，尤其是儀器的頻率輸出和發(fā)送精度要求比早期儀器提高了一個(gè)數量級。
4水輪機調速系統測試技術(shù)的發(fā)展趨勢
雖然水輪機調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器經(jīng)歷了很長(cháng)時(shí)間的發(fā)展，但是現在還不能說(shuō)水輪機調速系統測試儀器已經(jīng)非常成熟，該類(lèi)型測試儀從一出生就有著(zhù)很多先天性缺陷，并且這些缺陷被一代一代傳遞了下來(lái)。由于市場(chǎng)規模有限，全國的測試儀器都缺乏產(chǎn)業(yè)化運作和推廣，基本上都是高?；蚩蒲性盒未颡毝?，儀器研發(fā)、調試、檢測和生產(chǎn)過(guò)程及其不規范，這些狀況使得該類(lèi)型的儀器存在一個(gè)通病即穩定性和可靠性極差。另一個(gè)問(wèn)題是現有的測試儀器都使用筆記本電腦和儀器聯(lián)機方式采集、處理數據，該方式存在非常多的不可靠因素，如通信過(guò)程不可靠，上位機軟件不可靠，筆記本電腦多用途等等，往往容易造成儀器死機，這種現象在很多儀器上都存在。為了克服上述這些問(wèn)題，武漢大學(xué)和華中科技大學(xué)的部分產(chǎn)品都開(kāi)始了產(chǎn)業(yè)化運作，并對產(chǎn)品的工作原理正進(jìn)行革命化的調整，例如武漢華英電力科技有限公司即將推出基于嵌入式系統的調速系統仿真測試儀，該儀器將能夠有效的避免老式儀器的不可靠和死機問(wèn)題，并且在產(chǎn)品整個(gè)研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中都進(jìn)行嚴密監控和嚴格測試，以保證儀器質(zhì)量。
從測試項目來(lái)看，調速系統專(zhuān)業(yè)測試儀器正在超越調速系統測試儀范疇，很多儀器已將同期，一次調頻等非調速系統試驗項目納入儀器試驗，并且測試儀還將擔當錄波器的任務(wù)，實(shí)施對水力發(fā)電現場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控和故障錄波，這將使得測試儀能得到更好的應用，甚至從某種意義上，調速系統測試儀還可能發(fā)展成為具有水力發(fā)電廠(chǎng)故障錄波功能的綜合性?xún)x器。
華英電力是國內專(zhuān)業(yè)的電力承裝（修、試）資質(zhì)及電力承試設備研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，專(zhuān)業(yè)針對不同電壓等級的試驗需求，定制不同配置的電氣試驗產(chǎn)品。
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