專利名稱：水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置、系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè) 裝置、系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在水電站中，水力發(fā)電機(jī)組效率是檢驗(yàn)水力發(fā)電機(jī)組性能的重要指標(biāo)之一。提高 水力發(fā)電機(jī)組效率對(duì)水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的意義。水力發(fā)電機(jī)組的效率試驗(yàn)，就是測(cè)定在不同工況下的效率與耗水率值，從而繪制 出總耗水率曲線與總效率曲線，制定出機(jī)組之間或電站之間合理的負(fù)荷分配方案。具體的 測(cè)量原理為nu = P/yQH其中Ilu 水力機(jī)組的總效率；P——發(fā)電機(jī)有功功率；y——水的重度，9810 (N/m3)；Q——水輪機(jī)過機(jī)流量；H——機(jī)組工作水頭。因此，監(jiān)測(cè)水力機(jī)組效率主要是有效監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)有功功率、機(jī)組工作水頭和水輪 機(jī)過機(jī)流量這三個(gè)參數(shù)。傳統(tǒng)的水力機(jī)組效率獲取方法為首先獲得模型水輪機(jī)在相應(yīng)工況下的效率，然 后通過相似定律換算出原型水輪機(jī)的效率。實(shí)踐證明，由于種種原因，原型水輪機(jī)的效率和 由模型效率換算出的數(shù)值并不一致，有時(shí)甚至出現(xiàn)較大偏差。因此，如何準(zhǔn)確的測(cè)得水力機(jī)組在各種工況下的效率是一件亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明提供一種水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置、系 統(tǒng)及方法，直接測(cè)定原型水輪機(jī)在各種工況下的效率特性，具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，包括DSP主控芯片模塊、水輪機(jī)過機(jī) 流量測(cè)量模塊、發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊、機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊和人機(jī)交互模塊；所述 DSP主控芯片模塊用于控制所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊、所述發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊、 所述機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊的測(cè)量工作，并對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，計(jì)算出反映水力 發(fā)電機(jī)組效率特性的結(jié)果。優(yōu)選的，所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊為多聲道時(shí)差式超聲波流量測(cè)量模塊。優(yōu)選的，所述多聲道時(shí)差式超聲波流量測(cè)量模塊包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊、回波信 號(hào)接收模塊、用于選擇從所述激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊到所述回波信號(hào)接收模塊之間所需的工作 聲道并控制多聲道循環(huán)工作的聲道切換模塊和FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)模塊包括控制模塊，用于向所述激勵(lì)信 號(hào)發(fā)射模塊發(fā)射初始激勵(lì)信號(hào)、控制所述聲道切換模塊的工作狀態(tài)；程控增益控制模塊，用 于對(duì)所述回波信號(hào)接收模塊所接收到的回波信號(hào)的增益放大倍數(shù)進(jìn)行控制；計(jì)時(shí)器，用于 測(cè)量超聲波順逆流傳播時(shí)間；DRAM，用于存儲(chǔ)所述計(jì)時(shí)器測(cè)得的所述超聲波順逆流傳播時(shí) 間，并將該超聲波順逆流傳播時(shí)間傳輸給所述DSP主控芯片模塊。優(yōu)選的，所述計(jì)時(shí)器是通過所述FPGA的PLL模塊對(duì)時(shí)鐘基頻信號(hào)進(jìn)行倍頻、移相 處理后計(jì)時(shí)。優(yōu)選的，所述激勵(lì)信號(hào)發(fā)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(duì)接收到的來自所述FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)模塊的初始 激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行隔離升壓后轉(zhuǎn)換為電平較高的信號(hào)，控制所述CMOS功率管的開關(guān)形成方波； 再經(jīng)過所述高頻變壓器升壓，獲得驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作的激勵(lì)信號(hào)。優(yōu)選的，所述回波信號(hào)接收模塊包括依次相連的第一級(jí)放大電路、無源濾波電路、 第二級(jí)程控可變?cè)鲆娣糯箅娐泛蜋z測(cè)單元，所述檢測(cè)單元為過零比較電路；用于對(duì)接收到 的回波信號(hào)進(jìn)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范圍；再通過過 零比較電路檢測(cè)到接收到回波信號(hào)的時(shí)刻。優(yōu)選的，所述第一級(jí)放大電路采用J-FET輸入級(jí)的運(yùn)算放大器LF357 ；所述第二級(jí) 程控可變?cè)鲆娣糯箅娐凡捎每勺冊(cè)鲆娣糯笃鰽D603 ；所述無源濾波電路采用無源帶通濾波 器；所述過零比較電路采用雙路比較器TLP3502AID。優(yōu)選的，所述FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)模塊采用EP3C25E144作為控制核心芯片。優(yōu)選的，所述發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊包括三相電流電壓等級(jí)變換模塊、電壓或 電流信號(hào)調(diào)理模塊、電壓或電流信號(hào)采集模塊、頻率測(cè)量模塊和有功功率標(biāo)準(zhǔn)輸入采集模 塊；所述三相電流電壓等級(jí)變換模塊通過所述電壓或電流信號(hào)調(diào)理模塊分別和所述電壓或 電流信號(hào)采集模塊的信號(hào)輸入端和所述頻率測(cè)量模塊的信號(hào)輸入端相連；所述頻率測(cè)量模 塊將經(jīng)所述電壓或電流信號(hào)調(diào)理模塊處理后的單相電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓方波信號(hào)，并將該 電壓方波信號(hào)輸出給所述DSP主控芯片模塊中事件管理器的捕獲單元，通過所述DSP主控 芯片模塊計(jì)算所述電壓或電流信號(hào)調(diào)理模塊輸出的信號(hào)頻率，并根據(jù)計(jì)算出的信號(hào)頻率控 制所述DSP主控芯片模塊的內(nèi)置PMW輸出脈沖的頻率；所述有功功率標(biāo)準(zhǔn)輸入采集模塊直 接與所述DSP主控芯片模塊的片內(nèi)A/D單元相連，通過所述DSP主控芯片模塊計(jì)算出發(fā)電 機(jī)有功功率。優(yōu)選的，所述電壓或電流信號(hào)采集模塊為設(shè)置在所述DSP主控芯片模塊外部的AD 采樣模塊；所述AD采樣模塊采用芯片AD7656 ；所述三相電流電壓等級(jí)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(hào)調(diào)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(yōu)選的，所述機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊包括壓力信號(hào)采集模塊，用于采集蝸殼進(jìn)水 口壓力和尾水管出口壓力，并將采集到的壓力信號(hào)傳輸給所述DSP主控芯片模塊的片內(nèi)AD單元。優(yōu)選的，所述人機(jī)交互模塊用于將用戶的指令操作通過總線傳遞給所述DSP主控 芯片模塊和終端機(jī)，并通過數(shù)字和圖形兩種方式顯示接收到的來自所述DSP主控芯片模塊 發(fā)送的各種信息。
優(yōu)選的，所述人機(jī)交互模塊包括現(xiàn)地級(jí)人機(jī)交互模塊、標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊和CAN 總線通信模塊；所述現(xiàn)地級(jí)人機(jī)交互模塊用于與所述DSP主控芯片模塊交互各種信息；所 述CAN總線通信模塊用于與所述DSP主控芯片模塊和所述終端機(jī)交互各種信息；所述標(biāo)準(zhǔn) 電流輸出模塊用于將計(jì)算出的水力機(jī)組的效率以標(biāo)準(zhǔn)電流的形式供用戶使用。優(yōu)選的，所述現(xiàn)地級(jí)人機(jī)交互模塊包括簡(jiǎn)易鍵盤模塊、IXD顯示模塊。本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述提供的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置的水力發(fā)電機(jī)組 效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括終端機(jī)和至少一個(gè)水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，所述終端機(jī)通過CAN 總線與所述至少一個(gè)水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置相連，形成分布式實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān) 測(cè)方法，包括所述DSP主控芯片模塊在接收到來自所述人機(jī)交互模塊的開始測(cè)量信號(hào)后， 分別向所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊、所述發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊和所述機(jī)組工作水頭 測(cè)量模塊發(fā)出開始測(cè)量信號(hào)；在接收到來自所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊的測(cè)量結(jié)束信號(hào) 后，首先讀取所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊的測(cè)量結(jié)果；然后讀取所述發(fā)電機(jī)有功功率測(cè) 量模塊和所述機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊的當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)，結(jié)合讀取到的所述水輪機(jī)過機(jī)流量 測(cè)量模塊的測(cè)量結(jié)果、所述發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊和所述機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊的當(dāng)前 采樣數(shù)據(jù)計(jì)算水力發(fā)電機(jī)組的效率。優(yōu)選的，所述DSP主控芯片模塊在讀取到所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊的測(cè)量結(jié) 果后，采用曲線分段擬合的方法來計(jì)算水輪機(jī)過機(jī)流量。優(yōu)選的，所述采用曲線分段擬合的方法來計(jì)算水輪機(jī)過機(jī)流量具體為測(cè)量水輪 機(jī)過機(jī)流量目標(biāo)截面上的位于不同位置的流速，得到多層線平均流速；將得到的多層線平 均流速進(jìn)行曲線分段擬合，繪制出所述目標(biāo)截面的線平均流速分布曲線；最后對(duì)所述線平 均流速分布曲線沿垂直直徑方向進(jìn)行積分運(yùn)算，得到水輪機(jī)過機(jī)流量。優(yōu)選的，所述將得到的多層線平均流速進(jìn)行曲線分段擬合是基于以下假設(shè)流體 在管內(nèi)壁處流速為0，在近管壁處流速急速增加，在圓管中間區(qū)域流速變化平穩(wěn)；采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(jìn)行擬合，在圓管 中間區(qū)域利用三次樣條曲線進(jìn)行擬合。本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明提供的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置、系統(tǒng)及方法，具有高速、精確的數(shù)據(jù)采 集、分析處理及傳輸能力，同時(shí)能比較準(zhǔn)確地測(cè)量水輪機(jī)過機(jī)流量、發(fā)電機(jī)有功功率、機(jī)組 工作水頭，從而精確的計(jì)算出水力機(jī)組效率。


圖1為本發(fā)明提供的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊和機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊的結(jié)構(gòu) 示意圖；圖4為本發(fā)明提供的人機(jī)交互模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明提供的DSP主控芯片模塊結(jié)構(gòu)圖；圖6為本發(fā)明提供的FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)模塊中計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)原理圖7為本發(fā)明提供的激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊的電路原理圖；圖8-9為本發(fā)明提供的聲道切換模塊的電路原理圖；圖10為本發(fā)明提供的回波信號(hào)接收模塊中第一級(jí)放大電路的原理圖；圖11為本發(fā)明提供的回波信號(hào)接收模塊中第二級(jí)程控可變?cè)鲆娣糯箅娐返脑?圖；圖12為本發(fā)明提供的回波信號(hào)接收模塊中無源濾波電路的原理圖；圖13為本發(fā)明提供的電壓或電流信號(hào)調(diào)理模塊的原理圖；圖14為本發(fā)明提供的電壓或電流信號(hào)采集模塊的原理圖；圖15為本發(fā)明提供的頻率測(cè)量模塊的原理圖；圖16為本發(fā)明提供的CAN通信接口模塊的原理圖；圖17為本發(fā)明提供的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊的原理圖；圖18為本發(fā)明提供的曲線分段擬合的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)具體的實(shí)施方式進(jìn)行說明。水力機(jī)組工作過程中能量轉(zhuǎn)化過程為上游水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為水流的動(dòng)能，水 流通過水輪機(jī)時(shí)將動(dòng)能傳遞給水輪機(jī)，水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。影響水 力機(jī)組效率的因素主要包括三種水輪機(jī)過機(jī)流量、發(fā)電機(jī)有功功率和機(jī)組工作水頭。因 此，本發(fā)明提供的裝置中主要是對(duì)上述三種參數(shù)測(cè)量，并計(jì)算水力機(jī)組工作效率。具體的，如圖1所示，為本發(fā)明提供的水力機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包 括DSP主控芯片模塊，所述DSP主控芯片模塊分別和水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊、發(fā)電機(jī)有 功功率測(cè)量模塊、機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊和人機(jī)交互模塊相連，用于控制所述水輪機(jī)過機(jī) 流量測(cè)量模塊、所述發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊和所述機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊的測(cè)量工作， 以及所述人機(jī)交互模塊的控制，并對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，計(jì)算出反映水力機(jī)組效率 特性的結(jié)果。下面對(duì)各功能模塊的功能詳細(xì)介紹一、水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊本發(fā)明提供的水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊是基于超聲波時(shí)差原理、針對(duì)大管徑、且 測(cè)量區(qū)域直管段較短的水電站而設(shè)計(jì)的。利用多聲道分層交叉測(cè)量技術(shù)，多聲道循環(huán)工作， 通過對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以獲得線平均速度，進(jìn)而對(duì)線平均速度進(jìn)行曲線分段擬合得 出速度分布圖，最后沿垂直直徑方向積分速度分布曲線計(jì)算出水輪機(jī)過機(jī)流量。如圖2所示，為水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，具體的為一種多聲道時(shí) 差式超聲波流量測(cè)量模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊、回波信號(hào)接收模塊、聲道 切換模塊、FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)模塊。下面分別介紹上述各功能模塊的工作原理(一)激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊用于生成直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作的控制信號(hào)。如圖7所示，為激勵(lì)信號(hào)發(fā)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(jì)時(shí)模塊發(fā)出的初始激勵(lì)信號(hào) 經(jīng)過高速光電耦合器HCPL2611，隔離升壓后轉(zhuǎn)換為高電平為+15V的信號(hào)，控制CMOS功率管的開關(guān)形成方波，再經(jīng)過高頻變壓器升壓，獲得足以驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作的激勵(lì)信號(hào)。由 于采用高速光電耦合器對(duì)電壓進(jìn)行隔離，從而避免了高電壓進(jìn)入FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)模 塊中，對(duì)其造成電氣破壞，也就是提高了本發(fā)明所提供的裝置的安全性能；此外，由于使用 高頻變壓器產(chǎn)生較高電壓等級(jí)的激勵(lì)信號(hào)，從而滿足了聲道較長(zhǎng)時(shí)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，聲道切換模塊用于控制超聲波換 能器與激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊或回波信號(hào)接收模塊之間的接通與斷開，從而實(shí)現(xiàn)多聲道循環(huán) 工作。裝置使用的聲道切換器件包括多路復(fù)用開關(guān)(例如MAXIM公司的多路復(fù)用開關(guān) MAX306)和固態(tài)繼電器(例如TX2-L-12型號(hào)的固態(tài)繼電器。其中，固態(tài)繼電器利用電子元 件(如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)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(jù)FPGA控制模塊提供的工作聲道編碼，通過多路選擇復(fù)用 開關(guān)，改變相應(yīng)的固態(tài)繼電器的連接，實(shí)現(xiàn)聲道的快速切換。(三)回波信號(hào)接收模塊回波信號(hào)接收模塊用于對(duì)超聲波回波信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，利用電壓比較器 檢測(cè)出回波信號(hào)。包括依次相連的第一級(jí)放大電路、無源濾波電路、第二級(jí)程控可變?cè)鲆?放大電路和過零比較電路。由于大管道中各層工作聲道長(zhǎng)度相差較大，超聲波信號(hào)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(hào)幅值放大后處于過零比較電路所需 要的范圍內(nèi)，放大電路采用兩級(jí)放大電路，第一級(jí)放大電路的運(yùn)放增益可設(shè)計(jì)為20dB，第二 級(jí)程控可變?cè)鲆娣糯箅娐返倪\(yùn)放可變?cè)鲆娣秶稍O(shè)計(jì)為30士20dB。如圖10所示，為回波信 號(hào)接收模塊中第一級(jí)放大電路的原理圖。第一級(jí)放大電路為高輸入阻抗放大電路，可選用 J-FET輸入級(jí)的運(yùn)算放大器LF357，輸入阻抗達(dá)IO12O;如圖11所示，為回波信號(hào)接收模塊中 第二級(jí)程控可變?cè)鲆娣糯箅娐返脑韴D。第二級(jí)程控可變?cè)鲆娣糯箅娐房蛇x用可變?cè)鲆娣?大器AD603，根據(jù)聲道的長(zhǎng)度信息調(diào)整AD603增益控制電壓的大小，來實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波回波信 號(hào)的程控可調(diào)增益放大。AD603的增益控制電壓可由12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLV5639提供，在系統(tǒng)的固定存儲(chǔ) 單元中預(yù)先存入聲道長(zhǎng)度與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLV5639控制碼的關(guān)系，在測(cè)量過程中，由FPGA 控制模塊根據(jù)工作聲道的長(zhǎng)度提供給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLV5639相應(yīng)的控制碼，得到對(duì)應(yīng)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。無源濾波電路采用無源帶通濾波器，通 頻帶范圍可以設(shè)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(jīng)過放大、濾波的信號(hào)同時(shí)接 在雙路比較器TLP3502AID的兩個(gè)輸入端，兩個(gè)比較端分別接門限電壓和地，信號(hào)達(dá)到門限 之后的第一個(gè)過零點(diǎn)即判為信號(hào)接收到的時(shí)刻，門限電壓的設(shè)定可以為IV，這樣有效的減 小了誤差信號(hào)對(duì)過零比較電路的影響。(四)FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)模塊FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)模塊包括FPGA集成芯片及其外圍電路，是水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量的主要控制和測(cè)量模塊。包括控制模塊，用于向激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊發(fā)射初始激勵(lì)信號(hào) 以及控制聲道切換模塊的工作狀態(tài)；程控增益控制模塊，用于控制回波信號(hào)接收模塊中第 二級(jí)程控可變?cè)鲆娣糯箅娐返墓ぷ鳡顟B(tài)以及增益放大倍數(shù)；計(jì)時(shí)器，用于測(cè)量超聲波順逆 流傳播時(shí)間；DRAM，用于存儲(chǔ)計(jì)時(shí)器測(cè)得的超聲波順逆流傳播時(shí)間，并和DSP主控芯片模塊 交互數(shù)據(jù)。FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)模塊對(duì)超聲波順逆流傳播時(shí)間的測(cè)量采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣 列(FPGA)內(nèi)置的計(jì)數(shù)器來完成，利用FPGA的PLL模塊，通過對(duì)時(shí)鐘基頻信號(hào)進(jìn)行倍頻移 相，以實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)時(shí)。將50MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行9倍頻移相，得到4個(gè)相位差為90 度的450MHz的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)，分別作用于4個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)束后，將4個(gè)獨(dú)立計(jì) 數(shù)器的計(jì)數(shù)值相加，得到計(jì)數(shù)結(jié)果。實(shí)際計(jì)數(shù)頻率高達(dá)1800MHz，時(shí)間分辨率達(dá)到0. 56ns。FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)模塊可以采用Altera公司的EP3C25E144作為控制核心，芯 片配置有32位計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)控制電路。如圖2所示，芯片控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊產(chǎn)生超聲 波激勵(lì)電壓信號(hào)，通過聲道切換模塊選通對(duì)應(yīng)的工作聲道；控制回波信號(hào)接收模塊中運(yùn)算 放大器AD603改變?cè)鲆嬉赃m應(yīng)不同的聲道長(zhǎng)度。此外，如圖6所示，為計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)原理圖。 EP3C25E144利用其內(nèi)嵌PLL鎖相環(huán)單元，將基頻時(shí)鐘信號(hào)倍頻、移相，利用四個(gè)自帶32位計(jì) 數(shù)器同時(shí)計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)1800MHz的計(jì)數(shù)頻率，計(jì)時(shí)精度可以達(dá)到0. 56ns。FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)模塊主要功能有保證激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊、回波信號(hào)接收模 塊、聲道切換模塊正常工作，控制DRAM寫入接收數(shù)據(jù)，通知DSP從DRAM中取出數(shù)據(jù)。具體 的，首先對(duì)激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊、回波信號(hào)接收模塊、聲道切換模塊進(jìn)行配置，發(fā)射初始激勵(lì) 信號(hào)，同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，在回波信號(hào)接收模塊接收到超聲波回波信號(hào)后，停止計(jì)數(shù)并將 計(jì)數(shù)值寫入DRAM。經(jīng)過延遲T2,開始同一聲道逆向傳播的測(cè)量，當(dāng)該聲道測(cè)量工作完成后， 通過控制聲道切換模塊切換到下一聲道進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)所有聲道測(cè)量工作完成時(shí)，向DSP發(fā) 出中斷請(qǐng)求，等待DSP響應(yīng)。在水輪機(jī)過機(jī)流量的計(jì)算中，采用曲線分段擬合的方法，如圖18所示?；诹黧w 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(qū)域流速變化平穩(wěn)的假設(shè)，在上 下管壁附近利用2次曲線進(jìn)行擬合，在圓管中間區(qū)域利用3次樣條曲線進(jìn)行擬合，保證了線 平均流速分布曲線的連續(xù)可導(dǎo)。具體實(shí)施步驟如下1)確定各段曲線的表達(dá)式形式。當(dāng)Rsin(4Xl8° )彡h彡R時(shí)用二次多項(xiàng)式凍A2 +釣A + C1 = 進(jìn)行擬合，所 繪制的曲線為曲線段1 ；當(dāng)-Rsin (4X18 ° )彡h彡Rsin (4X18 ° )時(shí)用3次樣條曲線函數(shù) P1 (h ~hkf + p2 (h - hk )2 + Pi (h-hk) + p4=可幻進(jìn)行插值，所繪制的曲線為曲線段2 ；當(dāng)-R彡h彡-Rsin(4X18° )時(shí)用二次多項(xiàng)式為A2 + + C2 = 進(jìn)行擬合， 所繪制的曲線為曲線段3。2)首先對(duì)-Rsin(4X18° )彡h < Rsin(4Χ 18° )段進(jìn)行插值，即可確定三次樣 條函數(shù)每段的各項(xiàng)系數(shù)；3)為保證分段曲線的連續(xù)性，對(duì)3段曲線的多項(xiàng)式表達(dá)式求導(dǎo)，使3段曲線在交點(diǎn) 處求得的線平均速度值及其一次導(dǎo)數(shù)數(shù)值分別相等，繼而分別解出兩段二次多項(xiàng)式的系數(shù) 值；
4)確定了各段多項(xiàng)式表達(dá)式后，然后對(duì)管道斷面分段進(jìn)行面積積分，即可求出過 流斷面的流量值。二、發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊采用同步交流采樣的方法，對(duì)三相電壓電流進(jìn)行采樣， 利用12點(diǎn)傅氏采樣法計(jì)算出發(fā)電機(jī)有功功率。如圖3所示，為發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊和機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊的結(jié)構(gòu)圖。發(fā) 電機(jī)有功功率測(cè)量模塊包括三相電流電壓等級(jí)變換模塊、頻率測(cè)量模塊、電壓或電流信號(hào) 調(diào)理模塊、電壓或電流信號(hào)采集模塊、有功功率標(biāo)準(zhǔn)輸入采集模塊。電壓或電流信號(hào)調(diào)理模塊用于對(duì)互感器傳送過來的電壓電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以便 于AD采樣，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(hào)調(diào)理模塊的原理圖。隔離放大電路可以使用運(yùn)算放大器0P07和INA128來實(shí) 現(xiàn)；低通濾波電路可以選用UAF42，完成對(duì)輸入信號(hào)的切比雪夫二階低通濾波。電壓或電流信號(hào)采集模塊用于采樣經(jīng)過電壓或電流信號(hào)調(diào)理模塊處理后的功率 信號(hào)(電壓或電流信號(hào))。功率信號(hào)可以通過片外AD采樣三相電壓電流信號(hào)計(jì)算獲得，也 可以直接通過DSP片內(nèi)AD單元采樣機(jī)端功率變送器獲得。如圖14所示，為電壓或電流信 號(hào)采集模塊的原理圖。電壓或電流信號(hào)采集模塊可以使用芯片AD7656，該芯片是高集成度、 6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC，它具有最大4LSBS INL和每通道達(dá)250kSPS的采樣 率，并且在片內(nèi)包含一個(gè)2. 5V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器。該芯片包含一個(gè)低噪聲、寬 帶采樣保持放大器(T/H)，以便處理輸入頻率高達(dá)8MHz的信號(hào)。該芯片還具有高速并行接 口，可以與DSP主控芯片模塊中的TMS320F28335芯片的數(shù)據(jù)總線連接。將經(jīng)過電壓或電流信號(hào)調(diào)理模塊處理后的單相電壓信號(hào)送入頻率測(cè)量模塊，即可 獲得電壓方波信號(hào)，利用DSP芯片中事件管理器的捕捉單元即可獲得輸入方波的實(shí)時(shí)頻 率。如圖15所示，為頻率測(cè)量模塊的原理圖。頻率測(cè)量模塊的功能是將單相電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換 為幅值為3. 3V的方波，供給DSP的捕獲單元，由DSP計(jì)算出信號(hào)頻率，進(jìn)而控制PMW脈沖 的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)同步采樣。頻率測(cè)量模塊中使用的電壓比較器可以選擇電壓比較器芯片 LM311，實(shí)現(xiàn)信號(hào)整形以獲得方波；光電耦合器可以選擇TLP550芯片，起到模擬量與數(shù)字量 隔離的作用。三、機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊采用在蝸殼進(jìn)口和尾水管出口的測(cè)量斷面布置壓力變送 器進(jìn)行測(cè)量。機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊包括壓力信號(hào)采集模塊(可以為壓力變送器)，壓力信 號(hào)采集模塊用于采集在機(jī)組工作水頭計(jì)算過程中所需的壓力信號(hào)，包括蝸殼進(jìn)水口壓力和 尾水管出口壓力，然后利用DSP片內(nèi)AD單元采樣壓力信號(hào)采集模塊的標(biāo)準(zhǔn)輸出值。四、人機(jī)交互模塊人機(jī)交互模塊用于將用戶的指令操作通過總線傳遞給DSP主控芯片模塊，并接收 DSP主控芯片模塊發(fā)送的各種信息，以數(shù)字和圖形兩種方式顯示測(cè)量結(jié)果。人機(jī)交互模塊還 用于與終端機(jī)交互各種信息。如圖4所示，為人機(jī)交互模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。人機(jī)交互模塊包括現(xiàn)地級(jí)人機(jī)交互 模塊、標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊和CAN總線通信模塊?，F(xiàn)地級(jí)人機(jī)交互模塊由簡(jiǎn)易鍵盤模塊、IXD顯示模塊組成。
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簡(jiǎn)易鍵盤模塊通過I2C通信接口與DSP主控芯片模塊相連，用于在調(diào)試過程中，接 收用戶的指令，并將用戶的指令提供給DSP主控芯片模塊；簡(jiǎn)易鍵盤模塊可以由按鍵、按鍵 指示LED燈和驅(qū)動(dòng)芯片組成，驅(qū)動(dòng)芯片自動(dòng)掃描按鍵的狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，對(duì)按鍵進(jìn)行 去抖，并將按鍵狀態(tài)通過串行總線發(fā)送給DSP主控芯片模塊；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片還接收DSP主 控芯片模塊通過串行總線發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，更新按鍵指示LED的顯示。LCD顯示模塊采用數(shù)據(jù)總線與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并使用DSP的外設(shè)讀寫端口進(jìn)行 數(shù)據(jù)和指令操作，用于將DSP主控芯片模塊提供的處理結(jié)果以數(shù)字的方式顯示給用戶。LCD 顯示模塊可以采用TFT真彩液晶顯示屏或單色LCD顯示屏，通過并行總線與DSP主控芯片 模塊相連，接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示。CAN總線通信模塊分別與DSP主控芯片模塊和終端機(jī)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芯片自帶的CAN總線接口，與CAN總線收發(fā)器SN65HVD230相連，通 過專用通信電纜和CAN卡與人機(jī)交互模塊通信。eCAN(enhanced Control Area Net)總線 模塊是DSP芯片的通信接口，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，適用于水電廠等噪聲較大、環(huán)境比較 惡劣的場(chǎng)合。如圖17所示，為標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊的原理圖。標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊的功能是首先用 DAC芯片把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，然后利用電壓電流轉(zhuǎn)換芯片輸出標(biāo)準(zhǔn)電流。其中DAC 芯片選用MAX538，電壓電流轉(zhuǎn)換芯片選用AD694。標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出 端口，將計(jì)算出的水力機(jī)組的效率以標(biāo)準(zhǔn)電流的形式供用戶使用。五、DSP主控芯片模塊DSP主控芯片模塊作為裝置的控制和數(shù)據(jù)處理核心，控制裝置工作的啟停、CAN通 信接口模塊與上位機(jī)的通信，信號(hào)采集和PWM的發(fā)生；同時(shí)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理(流量、有功功 率、工作水頭和水輪機(jī)效率的計(jì)算)和用戶交互(鍵盤和LCD顯示)，還可以將數(shù)據(jù)上傳到 上位機(jī)。DSP主控芯片作為裝置的主處理器能夠很好地滿足運(yùn)算速度、實(shí)時(shí)性和可靠性等方 面的要求，而且可以確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可擴(kuò)展性強(qiáng)。DSP主控芯片模塊包括DSP芯片及其外圍設(shè)備。DSP主控芯片模塊采用TI公司的TMS320F28335芯片，該芯片內(nèi)嵌32位高速浮點(diǎn) CPU內(nèi)核，最高頻率達(dá)150MHz，運(yùn)行速度快(150MIPS)，數(shù)字處理功能強(qiáng)，還具有豐富的片內(nèi) 外設(shè)接口，便于進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。如圖5所示，為DSP主控芯片模塊結(jié)構(gòu)圖。TMS320F28335 芯片通過數(shù)據(jù)地址總線訪問FPGA芯片中的DRAM存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)與FPGA的通信；通過自帶 的I2C總線接口與簡(jiǎn)易鍵盤模塊相連，接收用戶輸入的指令；通過片內(nèi)eCAN通信接口模塊 與上位機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；通過片內(nèi)AD采樣模塊采樣壓力信號(hào)；使用外設(shè)讀寫接口 和數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)LCD顯示模塊的正常工作。如圖15所示，利用頻率測(cè)量模塊測(cè)量輸入單相 電壓信號(hào)的頻率，繼而使用F28335內(nèi)置PMW模塊來控制三相電壓電流信號(hào)的同步交流采 樣。利用TMS320F28335芯片高速浮點(diǎn)運(yùn)算優(yōu)點(diǎn)，可以快速完成效率試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)處理工 作，包括各測(cè)量聲道線平均流速計(jì)算、曲線分段擬合、流量推算、有功功率計(jì)算、頻率計(jì)算、 工作水頭計(jì)算和效率計(jì)算等。本發(fā)明提供的水力機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置采用雙CPU主從協(xié)作并行測(cè)量模式，由DSP 發(fā)出開始測(cè)量命令，F(xiàn)PGA作為從控芯片控制水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量，DSP控制發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量，兩者并行工作。一旦流量測(cè)量工作完成，F(xiàn)PGA向DSP發(fā)送一個(gè)外部中斷，由DSP通 過外設(shè)接口讀取DRAM中保存的時(shí)間數(shù)據(jù)，待流量和功率測(cè)量完畢后，由DSP開啟機(jī)組工作 水頭測(cè)量模塊進(jìn)行壓力信號(hào)采集，采集完畢后，由DSP進(jìn)行高速計(jì)算以獲得最終水輪機(jī)效 率。裝置采用這種模式，提高了系統(tǒng)的集成度、魯棒性、實(shí)時(shí)性和運(yùn)行效率。六、終端機(jī)終端機(jī)通過CAN總線與至少一個(gè)水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置相連，形成分布式在 線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。下面介紹本發(fā)明提供的水力機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置的整個(gè)工作流程DSP主控芯片模塊在接收到人機(jī)交互模塊傳遞來的開始測(cè)量信號(hào)后，向水輪機(jī)過 機(jī)流量測(cè)量模塊、發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊和機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊發(fā)出開始測(cè)量信號(hào)； 在接收到水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊測(cè)量結(jié)束信號(hào)后，首先讀取水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊的 測(cè)量結(jié)果；然后讀取發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊和機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)，進(jìn) 行效率計(jì)算。DSP的功能為計(jì)算出發(fā)電機(jī)有功功率、工作水頭，流速和流量，并最終計(jì)算出水輪 機(jī)效率。此外，還包括從片內(nèi)外AD中讀取數(shù)據(jù)和從FPGA中DRAM讀寫數(shù)據(jù)等。在具體實(shí)現(xiàn) 上，可以設(shè)計(jì)為主要包括兩個(gè)程序第一部分是主程序，第二部分是兩個(gè)中斷程序，分別為 AD采樣中斷程序和DSP外部中斷程序。DSP初始化的工作流程為首先進(jìn)行芯片復(fù)位、標(biāo)志位清零，然后進(jìn)行參數(shù)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(yīng)的DRAM并配置FPGA，最后進(jìn)行有 功功率測(cè)量模式的選擇并開始相應(yīng)的AD采樣。三相電壓電流同步交流采樣測(cè)量有功功率 中的片外AD采樣中斷響應(yīng)流程為首先讀入AD采樣數(shù)據(jù)并計(jì)算有功功率；然后，查詢機(jī)組 工作水頭測(cè)量中DSP片內(nèi)AD采樣的AD_system標(biāo)志位，如果AD_system標(biāo)志位為1，表示已 完成采樣，則讀入片內(nèi)AD采樣數(shù)據(jù)并計(jì)算蝸殼進(jìn)口及尾水管出口壓力；然后，將相應(yīng)標(biāo)志 位AD_SyStem置零，如果AD_SyStem標(biāo)志位為0，則跳過上述步驟；最后恢復(fù)片外AD采樣， 繼續(xù)對(duì)有功功率的測(cè)量。水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量中讀取測(cè)量數(shù)據(jù)的外部中斷響應(yīng)流程為首 先讀取DRAM中的數(shù)據(jù)并計(jì)算流量，然后將相應(yīng)標(biāo)志位nRAM置零。綜上所述，本發(fā)明提供的水力機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置具有高速、精確的數(shù)據(jù)采集，分析 處理及傳輸能力，同時(shí)能比較準(zhǔn)確地測(cè)量水輪機(jī)過機(jī)流量、發(fā)電機(jī)有功功率、機(jī)組工作水 頭，進(jìn)而準(zhǔn)確的計(jì)算出水力發(fā)電機(jī)組和水輪機(jī)效率。
權(quán)利要求
1.一種水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，包括DSP主控芯片模塊、水輪機(jī)過 機(jī)流量測(cè)量模塊、發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊、機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊和人機(jī)交互模塊；所述 DSP主控芯片模塊用于控制所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊、所述發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊、 所述機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊的測(cè)量工作，并對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，計(jì)算出反映水力 發(fā)電機(jī)組效率特性的結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述水輪機(jī)過機(jī) 流量測(cè)量模塊為多聲道時(shí)差式超聲波流量測(cè)量模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述多聲道時(shí)差 式超聲波流量測(cè)量模塊包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊、回波信號(hào)接收模塊、用于選擇從所述激勵(lì) 信號(hào)發(fā)射模塊到所述回波信號(hào)接收模塊之間所需的工作聲道并控制多聲道循環(huán)工作的聲 道切換模塊和FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)模塊包括控制模塊，用于向所述激勵(lì)信號(hào)發(fā)射模塊發(fā)射初始激勵(lì)信號(hào)、 控制所述聲道切換模塊的工作狀態(tài)；程控增益控制模塊，用于對(duì)所述回波信號(hào)接收模塊所 接收到的回波信號(hào)的增益放大倍數(shù)進(jìn)行控制；計(jì)時(shí)器，用于測(cè)量超聲波順逆流傳播時(shí)間； DRAM，用于存儲(chǔ)所述計(jì)時(shí)器測(cè)得的所述超聲波順逆流傳播時(shí)間，并將該超聲波順逆流傳播 時(shí)間傳輸給所述DSP主控芯片模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述計(jì)時(shí)器是通 過所述FPGA的PLL模塊對(duì)時(shí)鐘基頻信號(hào)進(jìn)行倍頻、移相處理后計(jì)時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述激勵(lì)信號(hào)發(fā) 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(duì)接收到的來自所述FPGA邏輯控制和計(jì)時(shí)模塊的初始激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行隔離升壓后轉(zhuǎn)換為電 平較高的信號(hào)，控制所述CMOS功率管的開關(guān)形成方波；再經(jīng)過所述高頻變壓器升壓，獲得 驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作的激勵(lì)信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述回波信號(hào)接 收模塊包括依次相連的第一級(jí)放大電路、無源濾波電路、第二級(jí)程控可變?cè)鲆娣糯箅娐泛?檢測(cè)單元，所述檢測(cè)單元為過零比較電路；用于對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)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范圍；再通過過零比較電路檢測(cè)到接收到回波信號(hào) 的時(shí)刻。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述第一級(jí)放大 電路采用J-FET輸入級(jí)的運(yùn)算放大器LF357 ；所述第二級(jí)程控可變?cè)鲆娣糯箅娐凡捎每勺?增益放大器AD603 ；所述無源濾波電路采用無源帶通濾波器；所述過零比較電路采用雙路 比較器 TLP3502AID。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述FPGA邏輯控 制和計(jì)時(shí)模塊采用EP3C25E144作為控制核心芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)有功 功率測(cè)量模塊包括三相電流電壓等級(jí)變換模塊、電壓或電流信號(hào)調(diào)理模塊、電壓或電流信 號(hào)采集模塊、頻率測(cè)量模塊和有功功率標(biāo)準(zhǔn)輸入采集模塊；所述三相電流電壓等級(jí)變換模 塊通過所述電壓或電流信號(hào)調(diào)理模塊分別和所述電壓或電流信號(hào)采集模塊的信號(hào)輸入端 和所述頻率測(cè)量模塊的信號(hào)輸入端相連；所述頻率測(cè)量模塊將經(jīng)所述電壓或電流信號(hào)調(diào)理模塊處理后的單相電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓方波信號(hào)，并將該電壓方波信號(hào)輸出給所述DSP主 控芯片模塊中事件管理器的捕獲單元，通過所述DSP主控芯片模塊計(jì)算所述電壓或電流信 號(hào)調(diào)理模塊輸出的信號(hào)頻率，并根據(jù)計(jì)算出的信號(hào)頻率控制所述DSP主控芯片模塊的內(nèi)置 PMW輸出脈沖的頻率；所述有功功率標(biāo)準(zhǔn)輸入采集模塊直接與所述DSP主控芯片模塊的片 內(nèi)A/D單元相連，通過所述DSP主控芯片模塊計(jì)算出發(fā)電機(jī)有功功率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述電壓或電流 信號(hào)采集模塊為設(shè)置在所述DSP主控芯片模塊外部的AD采樣模塊；所述AD采樣模塊采用 芯片AD7656 ；所述三相電流電壓等級(jí)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(hào)調(diào)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(jù)權(quán)利要求1所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述機(jī)組工作水 頭測(cè)量模塊包括壓力信號(hào)采集模塊，用于采集蝸殼進(jìn)水口壓力和尾水管出口壓力，并將采 集到的壓力信號(hào)傳輸給所述DSP主控芯片模塊的片內(nèi)AD單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述人機(jī)交互模 塊用于將用戶的指令操作通過總線傳遞給所述DSP主控芯片模塊和終端機(jī)，并通過數(shù)字和 圖形兩種方式顯示接收到的來自所述DSP主控芯片模塊發(fā)送的各種信息。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述人機(jī)交互 模塊包括現(xiàn)地級(jí)人機(jī)交互模塊、標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊和CAN總線通信模塊；所述現(xiàn)地級(jí)人機(jī) 交互模塊用于與所述DSP主控芯片模塊交互各種信息；所述CAN總線通信模塊用于與所述 DSP主控芯片模塊和所述終端機(jī)交互各種信息；所述標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊用于將計(jì)算出的水 力機(jī)組的效率以標(biāo)準(zhǔn)電流的形式供用戶使用。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述現(xiàn)地級(jí)人 機(jī)交互模塊包括簡(jiǎn)易鍵盤模塊、IXD顯示模塊。
15.一種應(yīng)用權(quán)利要求1至14任一項(xiàng)提供的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置的水力發(fā)電機(jī) 組效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括終端機(jī)和至少一個(gè)水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置，所述終 端機(jī)通過CAN總線與所述至少一個(gè)水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置相連，形成分布式實(shí)時(shí)在線 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
16.一種應(yīng)用權(quán)利要求1至14任一項(xiàng)提供的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置的水力發(fā)電機(jī) 組效率監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括所述DSP主控芯片模塊在接收到來自所述人機(jī)交互模 塊的開始測(cè)量信號(hào)后，分別向所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊、所述發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模 塊和所述機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊發(fā)出開始測(cè)量信號(hào)；在接收到來自所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè) 量模塊的測(cè)量結(jié)束信號(hào)后，首先讀取所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊的測(cè)量結(jié)果；然后讀取 所述發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊和所述機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊的當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)，結(jié)合讀取到 的所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊的測(cè)量結(jié)果、所述發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊和所述機(jī)組工 作水頭測(cè)量模塊的當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)計(jì)算水力發(fā)電機(jī)組的效率。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述DSP主控芯 片模塊在讀取到所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊的測(cè)量結(jié)果后，采用曲線分段擬合的方法來 計(jì)算水輪機(jī)過機(jī)流量。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述采用曲線 分段擬合的方法來計(jì)算水輪機(jī)過機(jī)流量具體為測(cè)量水輪機(jī)過機(jī)流量目標(biāo)截面上的位于不同位置的流速，得到多層線平均流速；將得到的多層線平均流速進(jìn)行曲線分段擬合，繪制出 所述目標(biāo)截面的線平均流速分布曲線；最后對(duì)所述線平均流速分布曲線沿垂直直徑方向進(jìn) 行積分運(yùn)算，得到水輪機(jī)過機(jī)流量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述將得到的 多層線平均流速進(jìn)行曲線分段擬合是基于以下假設(shè)流體在管內(nèi)壁處流速為0，在近管壁 處流速急速增加，在圓管中間區(qū)域流速變化平穩(wěn)；采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(jìn)行擬合，在圓管中間 區(qū)域利用三次樣條曲線進(jìn)行擬合。
全文摘要
本發(fā)明提供一種水力發(fā)電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置、系統(tǒng)及方法，包括DSP主控芯片模塊、水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊、發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊、機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊和人機(jī)交互模塊；所述DSP主控芯片模塊用于控制所述水輪機(jī)過機(jī)流量測(cè)量模塊、所述發(fā)電機(jī)有功功率測(cè)量模塊和所述機(jī)組工作水頭測(cè)量模塊的測(cè)量工作，以及所述人機(jī)交互模塊的控制，并對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，計(jì)算出反映水力機(jī)組效率特性的結(jié)果。因此，本發(fā)明提供的水力機(jī)組效率監(jiān)測(cè)裝置具有高速、精確的數(shù)據(jù)采集、分析處理及傳輸能力，同時(shí)能比較準(zhǔn)確地測(cè)量水輪機(jī)過機(jī)流量、發(fā)電機(jī)有功功率、機(jī)組工作水頭，進(jìn)而準(zhǔn)確的計(jì)算出水力發(fā)電機(jī)組和水輪機(jī)效率。
文檔編號(hào)F03B15/00GK102116246SQ201110044499
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2011年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月24日
發(fā)明者盧有麟, 周建中, 李超順, 楊夢(mèng)起, 熊磊, 王學(xué)敏, 羅志猛, 肖漢, 許劍洪, 許宗光, 賀徽, 黃志偉 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)