水力發電機組效率監測裝置、系統及方法

2023-12-06 03:26:51 2

專利名稱：水力發電機組效率監測裝置、系統及方法
技術領域：
本發明涉及水力發電機組的狀態監測領域，具體涉及一種水力發電機組效率監測 裝置、系統及方法。
背景技術：
在水電站中，水力發電機組效率是檢驗水力發電機組性能的重要指標之一。提高 水力發電機組效率對水電站的經濟運行有著重要的意義。水力發電機組的效率試驗，就是測定在不同工況下的效率與耗水率值，從而繪製 出總耗水率曲線與總效率曲線，制定出機組之間或電站之間合理的負荷分配方案。具體的 測量原理為nu = P/yQH其中Ilu 水力機組的總效率；P——發電機有功功率；y——水的重度，9810 (N/m3)；Q——水輪機過機流量；H——機組工作水頭。因此，監測水力機組效率主要是有效監測發電機有功功率、機組工作水頭和水輪 機過機流量這三個參數。傳統的水力機組效率獲取方法為首先獲得模型水輪機在相應工況下的效率，然 後通過相似定律換算出原型水輪機的效率。實踐證明，由於種種原因，原型水輪機的效率和 由模型效率換算出的數值並不一致，有時甚至出現較大偏差。因此，如何準確的測得水力機組在各種工況下的效率是一件亟需解決的問題。

發明內容
針對現有技術存在的上述缺陷，本發明提供一種水力發電機組效率監測裝置、系 統及方法，直接測定原型水輪機在各種工況下的效率特性，具有測量精度高的優點。本發明的技術方案如下本發明提供的水力發電機組效率監測裝置，包括DSP主控晶片模塊、水輪機過機 流量測量模塊、發電機有功功率測量模塊、機組工作水頭測量模塊和人機互動模塊；所述 DSP主控晶片模塊用於控制所述水輪機過機流量測量模塊、所述發電機有功功率測量模塊、 所述機組工作水頭測量模塊的測量工作，並對測量得到的數據運算處理，計算出反映水力 發電機組效率特性的結果。優選的，所述水輪機過機流量測量模塊為多聲道時差式超聲波流量測量模塊。優選的，所述多聲道時差式超聲波流量測量模塊包括激勵信號發射模塊、回波信 號接收模塊、用於選擇從所述激勵信號發射模塊到所述回波信號接收模塊之間所需的工作 聲道並控制多聲道循環工作的聲道切換模塊和FPGA邏輯控制和計時模塊；所述聲道切換模塊與聲道陣列相連；所述FPGA邏輯控制和計時模塊包括控制模塊，用於向所述激勵信 號發射模塊發射初始激勵信號、控制所述聲道切換模塊的工作狀態；程控增益控制模塊，用 於對所述回波信號接收模塊所接收到的回波信號的增益放大倍數進行控制；計時器，用於 測量超聲波順逆流傳播時間；DRAM，用於存儲所述計時器測得的所述超聲波順逆流傳播時 間，並將該超聲波順逆流傳播時間傳輸給所述DSP主控晶片模塊。優選的，所述計時器是通過所述FPGA的PLL模塊對時鐘基頻信號進行倍頻、移相 處理後計時。優選的，所述激勵信號發射模塊包括依次相連的高速光電耦合器、CMOS功率管和 高頻變壓器；所述高速光電耦合器對接收到的來自所述FPGA邏輯控制和計時模塊的初始 激勵信號進行隔離升壓後轉換為電平較高的信號，控制所述CMOS功率管的開關形成方波； 再經過所述高頻變壓器升壓，獲得驅動超聲波換能器工作的激勵信號。優選的，所述回波信號接收模塊包括依次相連的第一級放大電路、無源濾波電路、 第二級程控可變增益放大電路和檢測單元，所述檢測單元為過零比較電路；用於對接收到 的回波信號進行放大和濾波處理，使其符合所述過零比較電路需要的幅值範圍；再通過過 零比較電路檢測到接收到回波信號的時刻。優選的，所述第一級放大電路採用J-FET輸入級的運算放大器LF357 ；所述第二級 程控可變增益放大電路採用可變增益放大器AD603 ；所述無源濾波電路採用無源帶通濾波 器；所述過零比較電路採用雙路比較器TLP3502AID。優選的，所述FPGA邏輯控制和計時模塊採用EP3C25E144作為控制核心晶片。優選的，所述發電機有功功率測量模塊包括三相電流電壓等級變換模塊、電壓或 電流信號調理模塊、電壓或電流信號採集模塊、頻率測量模塊和有功功率標準輸入採集模 塊；所述三相電流電壓等級變換模塊通過所述電壓或電流信號調理模塊分別和所述電壓或 電流信號採集模塊的信號輸入端和所述頻率測量模塊的信號輸入端相連；所述頻率測量模 塊將經所述電壓或電流信號調理模塊處理後的單相電壓信號轉換為電壓方波信號，並將該 電壓方波信號輸出給所述DSP主控晶片模塊中事件管理器的捕獲單元，通過所述DSP主控 晶片模塊計算所述電壓或電流信號調理模塊輸出的信號頻率，並根據計算出的信號頻率控 制所述DSP主控晶片模塊的內置PMW輸出脈衝的頻率；所述有功功率標準輸入採集模塊直 接與所述DSP主控晶片模塊的片內A/D單元相連，通過所述DSP主控晶片模塊計算出發電 機有功功率。優選的，所述電壓或電流信號採集模塊為設置在所述DSP主控晶片模塊外部的AD 採樣模塊；所述AD採樣模塊採用晶片AD7656 ；所述三相電流電壓等級變換模塊包括電壓 互感器和/或電流互感器；所述電壓或電流信號調理模塊包括依次相連的隔離放大電路、 低通濾波電路和電壓跟隨電路。優選的，所述機組工作水頭測量模塊包括壓力信號採集模塊，用於採集蝸殼進水 口壓力和尾水管出口壓力，並將採集到的壓力信號傳輸給所述DSP主控晶片模塊的片內AD單元。優選的，所述人機互動模塊用於將用戶的指令操作通過總線傳遞給所述DSP主控 晶片模塊和終端機，並通過數字和圖形兩種方式顯示接收到的來自所述DSP主控晶片模塊 發送的各種信息。
優選的，所述人機互動模塊包括現地級人機互動模塊、標準電流輸出模塊和CAN 總線通信模塊；所述現地級人機互動模塊用於與所述DSP主控晶片模塊交互各種信息；所 述CAN總線通信模塊用於與所述DSP主控晶片模塊和所述終端機交互各種信息；所述標準 電流輸出模塊用於將計算出的水力機組的效率以標準電流的形式供用戶使用。優選的，所述現地級人機互動模塊包括簡易鍵盤模塊、IXD顯示模塊。本發明還提供一種應用上述提供的水力發電機組效率監測裝置的水力發電機組 效率監測系統，包括終端機和至少一個水力發電機組效率監測裝置，所述終端機通過CAN 總線與所述至少一個水力發電機組效率監測裝置相連，形成分布式實時在線監測系統。本發明還提供一種應用上述水力發電機組效率監測裝置的水力發電機組效率監 測方法，包括所述DSP主控晶片模塊在接收到來自所述人機互動模塊的開始測量信號後， 分別向所述水輪機過機流量測量模塊、所述發電機有功功率測量模塊和所述機組工作水頭 測量模塊發出開始測量信號；在接收到來自所述水輪機過機流量測量模塊的測量結束信號 後，首先讀取所述水輪機過機流量測量模塊的測量結果；然後讀取所述發電機有功功率測 量模塊和所述機組工作水頭測量模塊的當前採樣數據，結合讀取到的所述水輪機過機流量 測量模塊的測量結果、所述發電機有功功率測量模塊和所述機組工作水頭測量模塊的當前 採樣數據計算水力發電機組的效率。優選的，所述DSP主控晶片模塊在讀取到所述水輪機過機流量測量模塊的測量結 果後，採用曲線分段擬合的方法來計算水輪機過機流量。優選的，所述採用曲線分段擬合的方法來計算水輪機過機流量具體為測量水輪 機過機流量目標截面上的位於不同位置的流速，得到多層線平均流速；將得到的多層線平 均流速進行曲線分段擬合，繪製出所述目標截面的線平均流速分布曲線；最後對所述線平 均流速分布曲線沿垂直直徑方向進行積分運算，得到水輪機過機流量。優選的，所述將得到的多層線平均流速進行曲線分段擬合是基於以下假設流體 在管內壁處流速為0，在近管壁處流速急速增加，在圓管中間區域流速變化平穩；採用的曲線分段擬合方法包括在上下管壁附近利用二次曲線進行擬合，在圓管 中間區域利用三次樣條曲線進行擬合。本發明的有益效果如下本發明提供的水力發電機組效率監測裝置、系統及方法，具有高速、精確的數據採 集、分析處理及傳輸能力，同時能比較準確地測量水輪機過機流量、發電機有功功率、機組 工作水頭，從而精確的計算出水力機組效率。


圖1為本發明提供的水力發電機組效率監測裝置的結構示意圖；圖2為本發明提供的水輪機過機流量測量模塊的結構示意圖；圖3為本發明提供的發電機有功功率測量模塊和機組工作水頭測量模塊的結構 示意圖；圖4為本發明提供的人機互動模塊的結構示意圖；圖5為本發明提供的DSP主控晶片模塊結構圖；圖6為本發明提供的FPGA邏輯控制和計時模塊中計時器實現原理圖7為本發明提供的激勵信號發射模塊的電路原理圖；圖8-9為本發明提供的聲道切換模塊的電路原理圖；圖10為本發明提供的回波信號接收模塊中第一級放大電路的原理圖；圖11為本發明提供的回波信號接收模塊中第二級程控可變增益放大電路的原理 圖；圖12為本發明提供的回波信號接收模塊中無源濾波電路的原理圖；圖13為本發明提供的電壓或電流信號調理模塊的原理圖；圖14為本發明提供的電壓或電流信號採集模塊的原理圖；圖15為本發明提供的頻率測量模塊的原理圖；圖16為本發明提供的CAN通信接口模塊的原理圖；圖17為本發明提供的標準電流輸出模塊的原理圖；圖18為本發明提供的曲線分段擬合的原理示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的一個具體的實施方式進行說明。水力機組工作過程中能量轉化過程為上遊水的重力勢能轉化為水流的動能，水 流通過水輪機時將動能傳遞給水輪機，水輪機帶動發電機轉動將動能轉化為電能。影響水 力機組效率的因素主要包括三種水輪機過機流量、發電機有功功率和機組工作水頭。因 此，本發明提供的裝置中主要是對上述三種參數測量，並計算水力機組工作效率。具體的，如圖1所示，為本發明提供的水力機組效率監測裝置的結構示意圖，包 括DSP主控晶片模塊，所述DSP主控晶片模塊分別和水輪機過機流量測量模塊、發電機有 功功率測量模塊、機組工作水頭測量模塊和人機互動模塊相連，用於控制所述水輪機過機 流量測量模塊、所述發電機有功功率測量模塊和所述機組工作水頭測量模塊的測量工作， 以及所述人機互動模塊的控制，並對測量得到的數據運算處理，計算出反映水力機組效率 特性的結果。下面對各功能模塊的功能詳細介紹一、水輪機過機流量測量模塊本發明提供的水輪機過機流量測量模塊是基於超聲波時差原理、針對大管徑、且 測量區域直管段較短的水電站而設計的。利用多聲道分層交叉測量技術，多聲道循環工作， 通過對採集信號進行數據處理以獲得線平均速度，進而對線平均速度進行曲線分段擬合得 出速度分布圖，最後沿垂直直徑方向積分速度分布曲線計算出水輪機過機流量。如圖2所示，為水輪機過機流量測量模塊的結構示意圖，具體的為一種多聲道時 差式超聲波流量測量模塊的結構示意圖，包括激勵信號發射模塊、回波信號接收模塊、聲道 切換模塊、FPGA邏輯控制和計時模塊。下面分別介紹上述各功能模塊的工作原理(一)激勵信號發射模塊激勵信號發射模塊用於生成直接驅動超聲波換能器工作的控制信號。如圖7所示，為激勵信號發射模塊的電路原理圖，由依次相連的高速光電耦合器 HCPL2611、CM0S功率管和高頻變壓器組成。FPGA邏輯控制和計時模塊發出的初始激勵信號 經過高速光電耦合器HCPL2611，隔離升壓後轉換為高電平為+15V的信號，控制CMOS功率管的開關形成方波，再經過高頻變壓器升壓，獲得足以驅動超聲波換能器工作的激勵信號。由 於採用高速光電耦合器對電壓進行隔離，從而避免了高電壓進入FPGA邏輯控制和計時模 塊中，對其造成電氣破壞，也就是提高了本發明所提供的裝置的安全性能；此外，由於使用 高頻變壓器產生較高電壓等級的激勵信號，從而滿足了聲道較長時的超聲波傳播的能量要 求。( 二 )聲道切換模塊如圖8-9所示，為聲道切換模塊的電路原理圖，聲道切換模塊用於控制超聲波換 能器與激勵信號發射模塊或回波信號接收模塊之間的接通與斷開，從而實現多聲道循環 工作。裝置使用的聲道切換器件包括多路復用開關(例如MAXIM公司的多路復用開關 MAX306)和固態繼電器(例如TX2-L-12型號的固態繼電器。其中，固態繼電器利用電子元 件(如開關三極體、雙向可控矽等半導體器件)的開關特性，實現無觸點無火花、快速接通 和斷開電路的功能。聲道切換模塊可以根據FPGA控制模塊提供的工作聲道編碼，通過多路選擇復用 開關，改變相應的固態繼電器的連接，實現聲道的快速切換。(三)回波信號接收模塊回波信號接收模塊用於對超聲波回波信號進行放大和濾波處理，利用電壓比較器 檢測出回波信號。包括依次相連的第一級放大電路、無源濾波電路、第二級程控可變增益 放大電路和過零比較電路。由於大管道中各層工作聲道長度相差較大，超聲波信號在傳播過程中的衰減程度 也相差很大，所以，為了保證不同工作聲道的接收信號幅值放大後處於過零比較電路所需 要的範圍內，放大電路採用兩級放大電路，第一級放大電路的運放增益可設計為20dB，第二 級程控可變增益放大電路的運放可變增益範圍可設計為30士20dB。如圖10所示，為回波信 號接收模塊中第一級放大電路的原理圖。第一級放大電路為高輸入阻抗放大電路，可選用 J-FET輸入級的運算放大器LF357，輸入阻抗達IO12O;如圖11所示，為回波信號接收模塊中 第二級程控可變增益放大電路的原理圖。第二級程控可變增益放大電路可選用可變增益放 大器AD603，根據聲道的長度信息調整AD603增益控制電壓的大小，來實現對超聲波回波信 號的程控可調增益放大。AD603的增益控制電壓可由12位數模轉換晶片TLV5639提供，在系統的固定存儲 單元中預先存入聲道長度與數模轉換晶片TLV5639控制碼的關係，在測量過程中，由FPGA 控制模塊根據工作聲道的長度提供給數模轉換晶片TLV5639相應的控制碼，得到對應的 AD603增益控制電壓，以獲得理想的增益。如圖12所示，為無源濾波電路的原理圖。無源濾波電路採用無源帶通濾波器，通 頻帶範圍可以設為200KHz至2MHz，通頻帶衰減為9dB。過零比較電路可以選用雙路比較器TLP3502AID，將經過放大、濾波的信號同時接 在雙路比較器TLP3502AID的兩個輸入端，兩個比較端分別接門限電壓和地，信號達到門限 之後的第一個過零點即判為信號接收到的時刻，門限電壓的設定可以為IV，這樣有效的減 小了誤差信號對過零比較電路的影響。(四)FPGA邏輯控制和計時模塊FPGA邏輯控制和計時模塊包括FPGA集成晶片及其外圍電路，是水輪機過機流量測量的主要控制和測量模塊。包括控制模塊，用於向激勵信號發射模塊發射初始激勵信號 以及控制聲道切換模塊的工作狀態；程控增益控制模塊，用於控制回波信號接收模塊中第 二級程控可變增益放大電路的工作狀態以及增益放大倍數；計時器，用於測量超聲波順逆 流傳播時間；DRAM，用於存儲計時器測得的超聲波順逆流傳播時間，並和DSP主控晶片模塊 交互數據。FPGA邏輯控制和計時模塊對超聲波順逆流傳播時間的測量採用現場可編程門陣 列(FPGA)內置的計數器來完成，利用FPGA的PLL模塊，通過對時鐘基頻信號進行倍頻移 相，以實現高精度計時。將50MHz的系統時鐘信號進行9倍頻移相，得到4個相位差為90 度的450MHz的計數器時鐘信號，分別作用於4個獨立的計數器，計數結束後，將4個獨立計 數器的計數值相加，得到計數結果。實際計數頻率高達1800MHz，時間解析度達到0. 56ns。FPGA邏輯控制和計時模塊可以採用Altera公司的EP3C25E144作為控制核心，芯 片配置有32位計數器和計數控制電路。如圖2所示，晶片控制激勵信號發射模塊產生超聲 波激勵電壓信號，通過聲道切換模塊選通對應的工作聲道；控制回波信號接收模塊中運算 放大器AD603改變增益以適應不同的聲道長度。此外，如圖6所示，為計時器實現原理圖。 EP3C25E144利用其內嵌PLL鎖相環單元，將基頻時鐘信號倍頻、移相，利用四個自帶32位計 數器同時計數，實現高達1800MHz的計數頻率，計時精度可以達到0. 56ns。FPGA邏輯控制和計時模塊主要功能有保證激勵信號發射模塊、回波信號接收模 塊、聲道切換模塊正常工作，控制DRAM寫入接收數據，通知DSP從DRAM中取出數據。具體 的，首先對激勵信號發射模塊、回波信號接收模塊、聲道切換模塊進行配置，發射初始激勵 信號，同時計數器開始計時，在回波信號接收模塊接收到超聲波回波信號後，停止計數並將 計數值寫入DRAM。經過延遲T2,開始同一聲道逆向傳播的測量，當該聲道測量工作完成後， 通過控制聲道切換模塊切換到下一聲道進行測量，當所有聲道測量工作完成時，向DSP發 出中斷請求，等待DSP響應。在水輪機過機流量的計算中，採用曲線分段擬合的方法，如圖18所示。基於流體 在管壁處流速為0，在近管壁處流速快速增加，在圓管中心區域流速變化平穩的假設，在上 下管壁附近利用2次曲線進行擬合，在圓管中間區域利用3次樣條曲線進行擬合，保證了線 平均流速分布曲線的連續可導。具體實施步驟如下1)確定各段曲線的表達式形式。當Rsin(4Xl8° )彡h彡R時用二次多項式凍A2 +釣A + C1 = 進行擬合，所 繪製的曲線為曲線段1 ；當-Rsin (4X18 ° )彡h彡Rsin (4X18 ° )時用3次樣條曲線函數 P1 (h ~hkf + p2 (h - hk )2 + Pi (h-hk) + p4=可幻進行插值，所繪製的曲線為曲線段2 ；當-R彡h彡-Rsin(4X18° )時用二次多項式為A2 + + C2 = 進行擬合， 所繪製的曲線為曲線段3。2)首先對-Rsin(4X18° )彡h < Rsin(4Χ 18° )段進行插值，即可確定三次樣 條函數每段的各項係數；3)為保證分段曲線的連續性，對3段曲線的多項式表達式求導，使3段曲線在交點 處求得的線平均速度值及其一次導數數值分別相等，繼而分別解出兩段二次多項式的係數 值；
4)確定了各段多項式表達式後，然後對管道斷面分段進行面積積分，即可求出過 流斷面的流量值。二、發電機有功功率測量模塊發電機有功功率測量模塊採用同步交流採樣的方法，對三相電壓電流進行採樣， 利用12點傅氏採樣法計算出發電機有功功率。如圖3所示，為發電機有功功率測量模塊和機組工作水頭測量模塊的結構圖。發 電機有功功率測量模塊包括三相電流電壓等級變換模塊、頻率測量模塊、電壓或電流信號 調理模塊、電壓或電流信號採集模塊、有功功率標準輸入採集模塊。電壓或電流信號調理模塊用於對互感器傳送過來的電壓電流信號進行調理，以便 於AD採樣，包括三部分隔離放大電路、低通濾波電路和電壓跟隨電路。如圖13所示，為電 壓或電流信號調理模塊的原理圖。隔離放大電路可以使用運算放大器0P07和INA128來實 現；低通濾波電路可以選用UAF42，完成對輸入信號的切比雪夫二階低通濾波。電壓或電流信號採集模塊用於採樣經過電壓或電流信號調理模塊處理後的功率 信號(電壓或電流信號)。功率信號可以通過片外AD採樣三相電壓電流信號計算獲得，也 可以直接通過DSP片內AD單元採樣機端功率變送器獲得。如圖14所示，為電壓或電流信 號採集模塊的原理圖。電壓或電流信號採集模塊可以使用晶片AD7656，該晶片是高集成度、 6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC，它具有最大4LSBS INL和每通道達250kSPS的採樣 率，並且在片內包含一個2. 5V內部基準電壓源和基準緩衝器。該晶片包含一個低噪聲、寬 帶採樣保持放大器(T/H)，以便處理輸入頻率高達8MHz的信號。該晶片還具有高速並行接 口，可以與DSP主控晶片模塊中的TMS320F28335晶片的數據總線連接。將經過電壓或電流信號調理模塊處理後的單相電壓信號送入頻率測量模塊，即可 獲得電壓方波信號，利用DSP晶片中事件管理器的捕捉單元即可獲得輸入方波的實時頻 率。如圖15所示，為頻率測量模塊的原理圖。頻率測量模塊的功能是將單相電壓信號轉換 為幅值為3. 3V的方波，供給DSP的捕獲單元，由DSP計算出信號頻率，進而控制PMW脈衝 的輸出頻率，實現同步採樣。頻率測量模塊中使用的電壓比較器可以選擇電壓比較器晶片 LM311，實現信號整形以獲得方波；光電耦合器可以選擇TLP550晶片，起到模擬量與數字量 隔離的作用。三、機組工作水頭測量模塊機組工作水頭測量模塊採用在蝸殼進口和尾水管出口的測量斷面布置壓力變送 器進行測量。機組工作水頭測量模塊包括壓力信號採集模塊(可以為壓力變送器)，壓力信 號採集模塊用於採集在機組工作水頭計算過程中所需的壓力信號，包括蝸殼進水口壓力和 尾水管出口壓力，然後利用DSP片內AD單元採樣壓力信號採集模塊的標準輸出值。四、人機互動模塊人機互動模塊用於將用戶的指令操作通過總線傳遞給DSP主控晶片模塊，並接收 DSP主控晶片模塊發送的各種信息，以數字和圖形兩種方式顯示測量結果。人機互動模塊還 用於與終端機交互各種信息。如圖4所示，為人機互動模塊的結構示意圖。人機互動模塊包括現地級人機互動 模塊、標準電流輸出模塊和CAN總線通信模塊。現地級人機互動模塊由簡易鍵盤模塊、IXD顯示模塊組成。
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簡易鍵盤模塊通過I2C通信接口與DSP主控晶片模塊相連，用於在調試過程中，接 收用戶的指令，並將用戶的指令提供給DSP主控晶片模塊；簡易鍵盤模塊可以由按鍵、按鍵 指示LED燈和驅動晶片組成，驅動晶片自動掃描按鍵的狀態，當有按鍵按下時，對按鍵進行 去抖，並將按鍵狀態通過串行總線發送給DSP主控晶片模塊；同時，驅動晶片還接收DSP主 控晶片模塊通過串行總線發送過來的數據，更新按鍵指示LED的顯示。LCD顯示模塊採用數據總線與DSP進行數據傳輸，並使用DSP的外設讀寫埠進行 數據和指令操作，用於將DSP主控晶片模塊提供的處理結果以數字的方式顯示給用戶。LCD 顯示模塊可以採用TFT真彩液晶顯示屏或單色LCD顯示屏，通過並行總線與DSP主控晶片 模塊相連，接收數據並進行顯示。CAN總線通信模塊分別與DSP主控晶片模塊和終端機相連。如圖16所示，為CAN總線通信模塊的原理圖。CAN總線通信模塊利用DSP主控芯 片模塊中TMS320F28335晶片自帶的CAN總線接口，與CAN總線收發器SN65HVD230相連，通 過專用通信電纜和CAN卡與人機互動模塊通信。eCAN(enhanced Control Area Net)總線 模塊是DSP晶片的通信接口，具有較強的抗幹擾能力，適用於水電廠等噪聲較大、環境比較 惡劣的場合。如圖17所示，為標準電流輸出模塊的原理圖。標準電流輸出模塊的功能是首先用 DAC晶片把數位訊號轉化為模擬信號，然後利用電壓電流轉換晶片輸出標準電流。其中DAC 晶片選用MAX538，電壓電流轉換晶片選用AD694。標準電流輸出模塊提供了一個標準輸出 埠，將計算出的水力機組的效率以標準電流的形式供用戶使用。五、DSP主控晶片模塊DSP主控晶片模塊作為裝置的控制和數據處理核心，控制裝置工作的啟停、CAN通 信接口模塊與上位機的通信，信號採集和PWM的發生；同時，負責數據的處理(流量、有功功 率、工作水頭和水輪機效率的計算)和用戶交互(鍵盤和LCD顯示)，還可以將數據上傳到 上位機。DSP主控晶片作為裝置的主處理器能夠很好地滿足運算速度、實時性和可靠性等方 面的要求，而且可以確保系統結構緊湊，可擴展性強。DSP主控晶片模塊包括DSP晶片及其外圍設備。DSP主控晶片模塊採用TI公司的TMS320F28335晶片，該晶片內嵌32位高速浮點 CPU內核，最高頻率達150MHz，運行速度快(150MIPS)，數字處理功能強，還具有豐富的片內 外設接口，便於進行模塊化設計。如圖5所示，為DSP主控晶片模塊結構圖。TMS320F28335 晶片通過數據地址總線訪問FPGA晶片中的DRAM存儲單元，實現與FPGA的通信；通過自帶 的I2C總線接口與簡易鍵盤模塊相連，接收用戶輸入的指令；通過片內eCAN通信接口模塊 與上位機相連，進行數據的傳輸；通過片內AD採樣模塊採樣壓力信號；使用外設讀寫接口 和數據總線實現LCD顯示模塊的正常工作。如圖15所示，利用頻率測量模塊測量輸入單相 電壓信號的頻率，繼而使用F28335內置PMW模塊來控制三相電壓電流信號的同步交流採 樣。利用TMS320F28335晶片高速浮點運算優點，可以快速完成效率試驗的相關數據處理工 作，包括各測量聲道線平均流速計算、曲線分段擬合、流量推算、有功功率計算、頻率計算、 工作水頭計算和效率計算等。本發明提供的水力機組效率監測裝置採用雙CPU主從協作並行測量模式，由DSP 發出開始測量命令，FPGA作為從控晶片控制水輪機過機流量測量，DSP控制發電機有功功率測量，兩者並行工作。一旦流量測量工作完成，FPGA向DSP發送一個外部中斷，由DSP通 過外設接口讀取DRAM中保存的時間數據，待流量和功率測量完畢後，由DSP開啟機組工作 水頭測量模塊進行壓力信號採集，採集完畢後，由DSP進行高速計算以獲得最終水輪機效 率。裝置採用這種模式，提高了系統的集成度、魯棒性、實時性和運行效率。六、終端機終端機通過CAN總線與至少一個水力發電機組效率監測裝置相連，形成分布式在 線監測系統。下面介紹本發明提供的水力機組效率監測裝置的整個工作流程DSP主控晶片模塊在接收到人機互動模塊傳遞來的開始測量信號後，向水輪機過 機流量測量模塊、發電機有功功率測量模塊和機組工作水頭測量模塊發出開始測量信號； 在接收到水輪機過機流量測量模塊測量結束信號後，首先讀取水輪機過機流量測量模塊的 測量結果；然後讀取發電機有功功率測量模塊和機組工作水頭測量模塊當前採樣數據，進 行效率計算。DSP的功能為計算出發電機有功功率、工作水頭，流速和流量，並最終計算出水輪 機效率。此外，還包括從片內外AD中讀取數據和從FPGA中DRAM讀寫數據等。在具體實現 上，可以設計為主要包括兩個程序第一部分是主程序，第二部分是兩個中斷程序，分別為 AD採樣中斷程序和DSP外部中斷程序。DSP初始化的工作流程為首先進行晶片復位、標誌位清零，然後進行參數的修改 (不需要修改的可跳過此步驟)，再將DAC控制量寫入相應的DRAM並配置FPGA，最後進行有 功功率測量模式的選擇並開始相應的AD採樣。三相電壓電流同步交流採樣測量有功功率 中的片外AD採樣中斷響應流程為首先讀入AD採樣數據並計算有功功率；然後，查詢機組 工作水頭測量中DSP片內AD採樣的AD_system標誌位，如果AD_system標誌位為1，表示已 完成採樣，則讀入片內AD採樣數據並計算蝸殼進口及尾水管出口壓力；然後，將相應標誌 位AD_SyStem置零，如果AD_SyStem標誌位為0，則跳過上述步驟；最後恢復片外AD採樣， 繼續對有功功率的測量。水輪機過機流量測量中讀取測量數據的外部中斷響應流程為首 先讀取DRAM中的數據並計算流量，然後將相應標誌位nRAM置零。綜上所述，本發明提供的水力機組效率監測裝置具有高速、精確的數據採集，分析 處理及傳輸能力，同時能比較準確地測量水輪機過機流量、發電機有功功率、機組工作水 頭，進而準確的計算出水力發電機組和水輪機效率。
權利要求
1.一種水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，包括DSP主控晶片模塊、水輪機過 機流量測量模塊、發電機有功功率測量模塊、機組工作水頭測量模塊和人機互動模塊；所述 DSP主控晶片模塊用於控制所述水輪機過機流量測量模塊、所述發電機有功功率測量模塊、 所述機組工作水頭測量模塊的測量工作，並對測量得到的數據運算處理，計算出反映水力 發電機組效率特性的結果。
2.根據權利要求1所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述水輪機過機 流量測量模塊為多聲道時差式超聲波流量測量模塊。
3.根據權利要求2所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述多聲道時差 式超聲波流量測量模塊包括激勵信號發射模塊、回波信號接收模塊、用於選擇從所述激勵 信號發射模塊到所述回波信號接收模塊之間所需的工作聲道並控制多聲道循環工作的聲 道切換模塊和FPGA邏輯控制和計時模塊；所述聲道切換模塊與聲道陣列相連；所述FPGA 邏輯控制和計時模塊包括控制模塊，用於向所述激勵信號發射模塊發射初始激勵信號、 控制所述聲道切換模塊的工作狀態；程控增益控制模塊，用於對所述回波信號接收模塊所 接收到的回波信號的增益放大倍數進行控制；計時器，用於測量超聲波順逆流傳播時間； DRAM，用於存儲所述計時器測得的所述超聲波順逆流傳播時間，並將該超聲波順逆流傳播 時間傳輸給所述DSP主控晶片模塊。
4.根據權利要求3所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述計時器是通 過所述FPGA的PLL模塊對時鐘基頻信號進行倍頻、移相處理後計時。
5.根據權利要求3所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述激勵信號發 射模塊包括依次相連的高速光電耦合器、CMOS功率管和高頻變壓器；所述高速光電耦合器 對接收到的來自所述FPGA邏輯控制和計時模塊的初始激勵信號進行隔離升壓後轉換為電 平較高的信號，控制所述CMOS功率管的開關形成方波；再經過所述高頻變壓器升壓，獲得 驅動超聲波換能器工作的激勵信號。
6.根據權利要求3所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述回波信號接 收模塊包括依次相連的第一級放大電路、無源濾波電路、第二級程控可變增益放大電路和 檢測單元，所述檢測單元為過零比較電路；用於對接收到的回波信號進行放大和濾波處理， 使其符合所述過零比較電路需要的幅值範圍；再通過過零比較電路檢測到接收到回波信號 的時刻。
7.根據權利要求6所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述第一級放大 電路採用J-FET輸入級的運算放大器LF357 ；所述第二級程控可變增益放大電路採用可變 增益放大器AD603 ；所述無源濾波電路採用無源帶通濾波器；所述過零比較電路採用雙路 比較器 TLP3502AID。
8.根據權利要求3所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述FPGA邏輯控 制和計時模塊採用EP3C25E144作為控制核心晶片。
9.根據權利要求1所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述發電機有功 功率測量模塊包括三相電流電壓等級變換模塊、電壓或電流信號調理模塊、電壓或電流信 號採集模塊、頻率測量模塊和有功功率標準輸入採集模塊；所述三相電流電壓等級變換模 塊通過所述電壓或電流信號調理模塊分別和所述電壓或電流信號採集模塊的信號輸入端 和所述頻率測量模塊的信號輸入端相連；所述頻率測量模塊將經所述電壓或電流信號調理模塊處理後的單相電壓信號轉換為電壓方波信號，並將該電壓方波信號輸出給所述DSP主 控晶片模塊中事件管理器的捕獲單元，通過所述DSP主控晶片模塊計算所述電壓或電流信 號調理模塊輸出的信號頻率，並根據計算出的信號頻率控制所述DSP主控晶片模塊的內置 PMW輸出脈衝的頻率；所述有功功率標準輸入採集模塊直接與所述DSP主控晶片模塊的片 內A/D單元相連，通過所述DSP主控晶片模塊計算出發電機有功功率。
10.根據權利要求9所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述電壓或電流 信號採集模塊為設置在所述DSP主控晶片模塊外部的AD採樣模塊；所述AD採樣模塊採用 晶片AD7656 ；所述三相電流電壓等級變換模塊包括電壓互感器和/或電流互感器；所述 電壓或電流信號調理模塊包括依次相連的隔離放大電路、低通濾波電路和電壓跟隨電路。
11.根據權利要求1所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述機組工作水 頭測量模塊包括壓力信號採集模塊，用於採集蝸殼進水口壓力和尾水管出口壓力，並將採 集到的壓力信號傳輸給所述DSP主控晶片模塊的片內AD單元。
12.根據權利要求1所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述人機互動模 塊用於將用戶的指令操作通過總線傳遞給所述DSP主控晶片模塊和終端機，並通過數字和 圖形兩種方式顯示接收到的來自所述DSP主控晶片模塊發送的各種信息。
13.根據權利要求12所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述人機互動 模塊包括現地級人機互動模塊、標準電流輸出模塊和CAN總線通信模塊；所述現地級人機 交互模塊用於與所述DSP主控晶片模塊交互各種信息；所述CAN總線通信模塊用於與所述 DSP主控晶片模塊和所述終端機交互各種信息；所述標準電流輸出模塊用於將計算出的水 力機組的效率以標準電流的形式供用戶使用。
14.根據權利要求13所述的水力發電機組效率監測裝置，其特徵在於，所述現地級人 機交互模塊包括簡易鍵盤模塊、IXD顯示模塊。
15.一種應用權利要求1至14任一項提供的水力發電機組效率監測裝置的水力發電機 組效率監測系統，其特徵在於，包括終端機和至少一個水力發電機組效率監測裝置，所述終 端機通過CAN總線與所述至少一個水力發電機組效率監測裝置相連，形成分布式實時在線 監測系統。
16.一種應用權利要求1至14任一項提供的水力發電機組效率監測裝置的水力發電機 組效率監測方法，其特徵在於，包括所述DSP主控晶片模塊在接收到來自所述人機互動模 塊的開始測量信號後，分別向所述水輪機過機流量測量模塊、所述發電機有功功率測量模 塊和所述機組工作水頭測量模塊發出開始測量信號；在接收到來自所述水輪機過機流量測 量模塊的測量結束信號後，首先讀取所述水輪機過機流量測量模塊的測量結果；然後讀取 所述發電機有功功率測量模塊和所述機組工作水頭測量模塊的當前採樣數據，結合讀取到 的所述水輪機過機流量測量模塊的測量結果、所述發電機有功功率測量模塊和所述機組工 作水頭測量模塊的當前採樣數據計算水力發電機組的效率。
17.根據權利要求16所述的水力發電機組效率監測方法，其特徵在於，所述DSP主控芯 片模塊在讀取到所述水輪機過機流量測量模塊的測量結果後，採用曲線分段擬合的方法來 計算水輪機過機流量。
18.根據權利要求17所述的水力發電機組效率監測方法，其特徵在於，所述採用曲線 分段擬合的方法來計算水輪機過機流量具體為測量水輪機過機流量目標截面上的位於不同位置的流速，得到多層線平均流速；將得到的多層線平均流速進行曲線分段擬合，繪製出 所述目標截面的線平均流速分布曲線；最後對所述線平均流速分布曲線沿垂直直徑方向進 行積分運算，得到水輪機過機流量。
19.根據權利要求18所述的水力發電機組效率監測方法，其特徵在於，所述將得到的 多層線平均流速進行曲線分段擬合是基於以下假設流體在管內壁處流速為0，在近管壁 處流速急速增加，在圓管中間區域流速變化平穩；採用的曲線分段擬合方法包括在上下管壁附近利用二次曲線進行擬合，在圓管中間 區域利用三次樣條曲線進行擬合。
全文摘要
本發明提供一種水力發電機組效率監測裝置、系統及方法，包括DSP主控晶片模塊、水輪機過機流量測量模塊、發電機有功功率測量模塊、機組工作水頭測量模塊和人機互動模塊；所述DSP主控晶片模塊用於控制所述水輪機過機流量測量模塊、所述發電機有功功率測量模塊和所述機組工作水頭測量模塊的測量工作，以及所述人機互動模塊的控制，並對測量得到的數據運算處理，計算出反映水力機組效率特性的結果。因此，本發明提供的水力機組效率監測裝置具有高速、精確的數據採集、分析處理及傳輸能力，同時能比較準確地測量水輪機過機流量、發電機有功功率、機組工作水頭，進而準確的計算出水力發電機組和水輪機效率。
文檔編號F03B15/00GK102116246SQ201110044499
公開日2011年7月6日 申請日期2011年2月24日 優先權日2011年2月24日
發明者盧有麟, 周建中, 李超順, 楊夢起, 熊磊, 王學敏, 羅志猛, 肖漢, 許劍洪, 許宗光, 賀徽, 黃志偉 申請人:華中科技大學