CN102116246B - 水力发电机组效率监测装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水力发电机组效率监测装置、系统及方法，包括：DSP主控芯片模块、水轮机过机流量测量模块、发电机有功功率测量模块、机组工作水头测量模块和人机交互模块；所述DSP主控芯片模块用于控制所述水轮机过机流量测量模块、所述发电机有功功率测量模块和所述机组工作水头测量模块的测量工作，以及所述人机交互模块的控制，并对测量得到的数据运算处理，计算出反映水力机组效率特性的结果。因此，本发明提供的水力机组效率监测装置具有高速、精确的数据采集、分析处理及传输能力，同时能比较准确地测量水轮机过机流量、发电机有功功率、机组工作水头，进而准确的计算出水力发电机组和水轮机效率。

Description

水力发电机组效率监测装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及水力发电机组的状态监测领域，具体涉及一种水力发电机组效率监测装置、系统及方法。 

背景技术

在水电站中，水力发电机组效率是检验水力发电机组性能的重要指标之一。提高水力发电机组效率对水电站的经济运行有着重要的意义。 

水力发电机组的效率试验，就是测定在不同工况下的效率与耗水率值，从而绘制出总耗水率曲线与总效率曲线，制定出机组之间或电站之间合理的负荷分配方案。具体的测量原理为： 

η_u＝P/γQH 

其中：η_u：水力机组的总效率； 

P——发电机有功功率； 

γ——水的重度，9810(N/m³)； 

Q——水轮机过机流量； 

H——机组工作水头。 

因此，监测水力机组效率主要是有效监测发电机有功功率、机组工作水头和水轮机过机流量这三个参数。 

传统的水力机组效率获取方法为：首先获得模型水轮机在相应工况下的效率，然后通过相似定律换算出原型水轮机的效率。实践证明，由于种种原因，原型水轮机的效率和由模型效率换算出的数值并不一致，有时甚至出现较大偏差。 

因此，如何准确的测得水力机组在各种工况下的效率是一件亟需解决的问题。 

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种水力发电机组效率监测装置、系统及方法，直接测定原型水轮机在各种工况下的效率特性，具有测量精度高的优点。 

本发明的技术方案如下： 

本发明提供的水力发电机组效率监测装置，包括：DSP主控芯片模块、水轮机过机流量测量模块、发电机有功功率测量模块、机组工作水头测量模块和人机交互模块；所述DSP主控芯片模块用于控制所述水轮机过机流量测量模块、所述发电机有功功率测量模块、所述机组工作水头测量模块的测量工作，并对测量得到的数据运算处理，计算出反映水力发电机组效率特性的结果；所述水轮机过机流量测量模块为多声道时差式超声波流量测量模块，所述多声道时差式超声波流量测量模块包括：激励信号发射模块、回波信号接收模块、用于选择从所述激励信号发射模块到所述回波信号接收模块之间所需的工作声道并控制多声道循环工作的声道切换模块和FPGA逻辑控制和计时模块；所述声道切换模块与声道阵列相连；所述FPGA逻辑控制和计时模块包括：控制模块，用于向所述激励信号发射模块发射初始激励信号、控制所述声道切换模块的工作状态；程控增益控制模块，用于对所述回波信号接收模块所接收到的回波信号的增益放大倍数进行控制；计时器，用于测量超声波顺逆流传播时间；DRAM，用于存储所述计时器测得的所述超声波顺逆流传播时间，并将该超声波顺逆流传播时间传输给所述DSP主控芯片模块。 

优选的，所述计时器是通过所述FPGA的PLL模块对时钟基频信号进行倍频、移相处理后计时。 

优选的，所述激励信号发射模块包括依次相连的高速光电耦合器、CMOS功率管和高频变压器；所述高速光电耦合器对接收到的来自所述FPGA逻辑控制和计时模块的初始激励信号进行隔离升压后转换为电平较高的信号，控制所述CMOS功率管的开关形成方波；再经过所述高频变压器升压，获得驱动超声波换能器工作的激励信号。 

优选的，所述回波信号接收模块包括依次相连的第一级放大电路、无源滤波电路、第二级程控可变增益放大电路和检测单元，所述检测单元为过零比较电路；用于对接收到的回波信号进行放大和滤波处理，使其符合所述过零比较电路需要的幅值范围；再通过过零比较电路检测到接收到回波信号的时刻。 

优选的，所述第一级放大电路采用J-FET输入级的运算放大器LF357；所述第二级程控可变增益放大电路采用可变增益放大器AD603；所述无源滤波电路 采用无源带通滤波器；所述过零比较电路采用双路比较器TLP3502AID。 

优选的，所述FPGA逻辑控制和计时模块采用EP3C25E144作为控制核心芯片。 

优选的，所述发电机有功功率测量模块包括：三相电流电压等级变换模块、电压或电流信号调理模块、电压或电流信号采集模块、频率测量模块和有功功率标准输入采集模块；所述三相电流电压等级变换模块通过所述电压或电流信号调理模块分别和所述电压或电流信号采集模块的信号输入端和所述频率测量模块的信号输入端相连；所述频率测量模块将经所述电压或电流信号调理模块处理后的单相电压信号转换为电压方波信号，并将该电压方波信号输出给所述DSP主控芯片模块中事件管理器的捕获单元，通过所述DSP主控芯片模块计算所述电压或电流信号调理模块输出的信号频率，并根据计算出的信号频率控制所述DSP主控芯片模块的内置PMW输出脉冲的频率；所述有功功率标准输入采集模块直接与所述DSP主控芯片模块的片内A/D单元相连，通过所述DSP主控芯片模块计算出发电机有功功率。 

优选的，所述电压或电流信号采集模块为设置在所述DSP主控芯片模块外部的AD采样模块；所述AD采样模块采用芯片AD7656；所述三相电流电压等级变换模块包括：电压互感器和/或电流互感器；所述电压或电流信号调理模块包括依次相连的：隔离放大电路、低通滤波电路和电压跟随电路。 

优选的，所述机组工作水头测量模块包括压力信号采集模块，用于采集蜗壳进水口压力和尾水管出口压力，并将采集到的压力信号传输给所述DSP主控芯片模块的片内AD单元。 

优选的，所述人机交互模块用于将用户的指令操作通过总线传递给所述DSP主控芯片模块和终端机，并通过数字和图形两种方式显示接收到的来自所述DSP主控芯片模块发送的各种信息。 

优选的，所述人机交互模块包括现地级人机交互模块、标准电流输出模块和CAN总线通信模块；所述现地级人机交互模块用于与所述DSP主控芯片模块交互各种信息；所述CAN总线通信模块用于与所述DSP主控芯片模块和所述终端机交互各种信息；所述标准电流输出模块用于将计算出的水力机组的效率以标准电流的形式供用户使用。 

优选的，所述现地级人机交互模块包括：简易键盘模块、LCD显示模块。 

本发明还提供一种应用上述提供的水力发电机组效率监测装置的水力发电机组效率监测系统，包括终端机和至少一个水力发电机组效率监测装置，所述终端机通过CAN总线与所述至少一个水力发电机组效率监测装置相连，形成分布式实时在线监测系统。 

本发明还提供一种应用上述水力发电机组效率监测装置的水力发电机组效率监测方法，包括：所述DSP主控芯片模块在接收到来自所述人机交互模块的开始测量信号后，分别向所述水轮机过机流量测量模块、所述发电机有功功率测量模块和所述机组工作水头测量模块发出开始测量信号；在接收到来自所述水轮机过机流量测量模块的测量结束信号后，首先读取所述水轮机过机流量测量模块的测量结果；然后读取所述发电机有功功率测量模块和所述机组工作水头测量模块的当前采样数据，结合读取到的所述水轮机过机流量测量模块的测量结果、所述发电机有功功率测量模块和所述机组工作水头测量模块的当前采样数据计算水力发电机组的效率。 

优选的，所述DSP主控芯片模块在读取到所述水轮机过机流量测量模块的测量结果后，采用曲线分段拟合的方法来计算水轮机过机流量。 

优选的，所述采用曲线分段拟合的方法来计算水轮机过机流量具体为：测量水轮机过机流量目标截面上的位于不同位置的流速，得到多层线平均流速；将得到的多层线平均流速进行曲线分段拟合，绘制出所述目标截面的线平均流速分布曲线；最后对所述线平均流速分布曲线沿垂直直径方向进行积分运算，得到水轮机过机流量。 

优选的，所述将得到的多层线平均流速进行曲线分段拟合是基于以下假设：流体在管内壁处流速为0，在近管壁处流速急速增加，在圆管中间区域流速变化平稳； 

采用的曲线分段拟合方法包括：在上下管壁附近利用二次曲线进行拟合，在圆管中间区域利用三次样条曲线进行拟合。 

本发明的有益效果如下： 

本发明提供的水力发电机组效率监测装置、系统及方法，具有高速、精确的数据采集、分析处理及传输能力，同时能比较准确地测量水轮机过机流量、发电机有功功率、机组工作水头，从而精确的计算出水力机组效率。 

附图说明

图1为本发明提供的水力发电机组效率监测装置的结构示意图； 

图2为本发明提供的水轮机过机流量测量模块的结构示意图； 

图3为本发明提供的发电机有功功率测量模块和机组工作水头测量模块的结构示意图； 

图4为本发明提供的人机交互模块的结构示意图； 

图5为本发明提供的DSP主控芯片模块结构图； 

图6为本发明提供的FPGA逻辑控制和计时模块中计时器实现原理图； 

图7为本发明提供的激励信号发射模块的电路原理图； 

图8-9为本发明提供的声道切换模块的电路原理图； 

图10为本发明提供的回波信号接收模块中第一级放大电路的原理图； 

图11为本发明提供的回波信号接收模块中第二级程控可变增益放大电路的原理图； 

图12为本发明提供的回波信号接收模块中无源滤波电路的原理图； 

图13为本发明提供的电压或电流信号调理模块的原理图； 

图14为本发明提供的电压或电流信号采集模块的原理图； 

图15为本发明提供的频率测量模块的原理图； 

图16为本发明提供的CAN通信接口模块的原理图； 

图17为本发明提供的标准电流输出模块的原理图； 

图18为本发明提供的曲线分段拟合的原理示意图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一个具体的实施方式进行说明。 

水力机组工作过程中能量转化过程为：上游水的重力势能转化为水流的动能，水流通过水轮机时将动能传递给水轮机，水轮机带动发电机转动将动能转化为电能。影响水力机组效率的因素主要包括三种：水轮机过机流量、发电机有功功率和机组工作水头。因此，本发明提供的装置中主要是对上述三种参数测量，并计算水力机组工作效率。 

具体的，如图1所示，为本发明提供的水力机组效率监测装置的结构示意图，包括：DSP主控芯片模块，所述DSP主控芯片模块分别和水轮机过机流量测量模块、发电机有功功率测量模块、机组工作水头测量模块和人机交互模块相连，用于控制所述水轮机过机流量测量模块、所述发电机有功功率测量模块和所述机组工作水头测量模块的测量工作，以及所述人机交互模块的控制，并对测量得到的数据运算处理，计算出反映水力机组效率特性的结果。 

下面对各功能模块的功能详细介绍： 

一、水轮机过机流量测量模块 

本发明提供的水轮机过机流量测量模块是基于超声波时差原理、针对大管径、且测量区域直管段较短的水电站而设计的。利用多声道分层交叉测量技术，多声道循环工作，通过对采集信号进行数据处理以获得线平均速度，进而对线平均速度进行曲线分段拟合得出速度分布图，最后沿垂直直径方向积分速度分布曲线计算出水轮机过机流量。 

如图2所示，为水轮机过机流量测量模块的结构示意图，具体的为一种多声道时差式超声波流量测量模块的结构示意图，包括激励信号发射模块、回波信号接收模块、声道切换模块、FPGA逻辑控制和计时模块。下面分别介绍上述各功能模块的工作原理： 

(一)激励信号发射模块 

激励信号发射模块用于生成直接驱动超声波换能器工作的控制信号。 

如图7所示，为激励信号发射模块的电路原理图，由依次相连的高速光电耦合器HCPL2611、CMOS功率管和高频变压器组成。FPGA逻辑控制和计时模块发出的初始激励信号经过高速光电耦合器HCPL2611，隔离升压后转换为高电平为+15V的信号，控制CMOS功率管的开关形成方波，再经过高频变压器升压，获得足以驱动超声波换能器工作的激励信号。由于采用高速光电耦合器对电压进行隔离，从而避免了高电压进入FPGA逻辑控制和计时模块中，对其造成电气破坏，也就是提高了本发明所提供的装置的安全性能；此外，由于使用高频变压器产生较高电压等级的激励信号，从而满足了声道较长时的超声波传播的能量要求。 

(二)声道切换模块 

如图8-9所示，为声道切换模块的电路原理图，声道切换模块用于控制超声波换能器与激励信号发射模块或回波信号接收模块之间的接通与断开，从而实现多声道循环工作。装置使用的声道切换器件包括多路复用开关(例如：MAXIM公司的多路复用开关MAX306)和固态继电器(例如：TX2-L-12型号的固态继电器。其中，固态继电器利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，实现无触点无火花、快速接通和断开电路的功能。 

声道切换模块可以根据FPGA控制模块提供的工作声道编码，通过多路选择复用开关，改变相应的固态继电器的连接，实现声道的快速切换。 

(三)回波信号接收模块 

回波信号接收模块用于对超声波回波信号进行放大和滤波处理，利用电压比较器检测出回波信号。包括：依次相连的第一级放大电路、无源滤波电路、第二级程控可变增益放大电路和过零比较电路。 

由于大管道中各层工作声道长度相差较大，超声波信号在传播过程中的衰减程度也相差很大，所以，为了保证不同工作声道的接收信号幅值放大后处于过零比较电路所需要的范围内，放大电路采用两级放大电路，第一级放大电路的运放增益可设计为20dB，第二级程控可变增益放大电路的运放可变增益范围可设计为30±20dB。如图10所示，为回波信号接收模块中第一级放大电路的原理图。第一级放大电路为高输入阻抗放大电路，可选用J-FET输入级的运算放大器LF357，输入阻抗达10¹²O；如图11所示，为回波信号接收模块中第二级程控可变增益放大电路的原理图。第二级程控可变增益放大电路可选用可变增益放大器AD603，根据声道的长度信息调整AD603增益控制电压的大小，来实现对超声波回波信号的程控可调增益放大。 

AD603的增益控制电压可由12位数模转换芯片TLV5639提供，在系统的固定存储单元中预先存入声道长度与数模转换芯片TLV5639控制码的关系，在测量过程中，由FPGA控制模块根据工作声道的长度提供给数模转换芯片TLV5639相应的控制码，得到对应的AD603增益控制电压，以获得理想的增益。 

如图12所示，为无源滤波电路的原理图。无源滤波电路采用无源带通滤波器，通频带范围可以设为200KHz至2MHz，通频带衰减为9dB。 

过零比较电路可以选用双路比较器TLP3502AID，将经过放大、滤波的信号 同时接在双路比较器TLP3502AID的两个输入端，两个比较端分别接门限电压和地，信号达到门限之后的第一个过零点即判为信号接收到的时刻，门限电压的设定可以为1V，这样有效的减小了误差信号对过零比较电路的影响。 

(四)FPGA逻辑控制和计时模块 

FPGA逻辑控制和计时模块包括FPGA集成芯片及其外围电路，是水轮机过机流量测量的主要控制和测量模块。包括：控制模块，用于向激励信号发射模块发射初始激励信号以及控制声道切换模块的工作状态；程控增益控制模块，用于控制回波信号接收模块中第二级程控可变增益放大电路的工作状态以及增益放大倍数；计时器，用于测量超声波顺逆流传播时间；DRAM，用于存储计时器测得的超声波顺逆流传播时间，并和DSP主控芯片模块交互数据。 

FPGA逻辑控制和计时模块对超声波顺逆流传播时间的测量采用现场可编程门阵列(FPGA)内置的计数器来完成，利用FPGA的PLL模块，通过对时钟基频信号进行倍频移相，以实现高精度计时。将50MHz的系统时钟信号进行9倍频移相，得到4个相位差为90度的450MHz的计数器时钟信号，分别作用于4个独立的计数器，计数结束后，将4个独立计数器的计数值相加，得到计数结果。实际计数频率高达1800MHz，时间分辨率达到0.56ns。 

FPGA逻辑控制和计时模块可以采用Altera公司的EP3C25E144作为控制核心，芯片配置有32位计数器和计数控制电路。如图2所示，芯片控制激励信号发射模块产生超声波激励电压信号，通过声道切换模块选通对应的工作声道；控制回波信号接收模块中运算放大器AD603改变增益以适应不同的声道长度。此外，如图6所示，为计时器实现原理图。EP3C25E144利用其内嵌PLL锁相环单元，将基频时钟信号倍频、移相，利用四个自带32位计数器同时计数，实现高达1800MHz的计数频率，计时精度可以达到0.56ns。 

FPGA逻辑控制和计时模块主要功能有：保证激励信号发射模块、回波信号接收模块、声道切换模块正常工作，控制DRAM写入接收数据，通知DSP从DRAM中取出数据。具体的，首先对激励信号发射模块、回波信号接收模块、声道切换模块进行配置，发射初始激励信号，同时计数器开始计时，在回波信号接收模块接收到超声波回波信号后，停止计数并将计数值写入DRAM。经过延迟T₂，开始同一声道逆向传播的测量，当该声道测量工作完成后，通过控制声道切换 模块切换到下一声道进行测量，当所有声道测量工作完成时，向DSP发出中断请求，等待DSP响应。 

在水轮机过机流量的计算中，采用曲线分段拟合的方法，如图18所示。基于流体在管壁处流速为0，在近管壁处流速快速增加，在圆管中心区域流速变化平稳的假设，在上下管壁附近利用2次曲线进行拟合，在圆管中间区域利用3次样条曲线进行拟合，保证了线平均流速分布曲线的连续可导。具体实施步骤如下： 

1)确定各段曲线的表达式形式。 

当Rsin(4×18°)≤h≤R时：用二次多项式 

进行拟合，所绘制的曲线为曲线段1； 

当-Rsin(4×18°)≤h≤Rsin(4×18°)时：用3次样条曲线函数 

进行插值，所绘制的曲线为曲线段2； 

当-R≤h≤-Rsin(4×18°)时：用二次多项式 

进行拟合，所绘制的曲线为曲线段3。 

2)首先对-Rsin(4×18°)≤h≤Rsin(4×18°)段进行插值，即可确定三次样条函数每段的各项系数； 

3)为保证分段曲线的连续性，对3段曲线的多项式表达式求导，使3段曲线在交点处求得的线平均速度值及其一次导数数值分别相等，继而分别解出两段二次多项式的系数值； 

4)确定了各段多项式表达式后，然后对管道断面分段进行面积积分，即可求出过流断面的流量值。 

二、发电机有功功率测量模块 

发电机有功功率测量模块采用同步交流采样的方法，对三相电压电流进行采样，利用12点傅氏采样法计算出发电机有功功率。 

如图3所示，为发电机有功功率测量模块和机组工作水头测量模块的结构图。发电机有功功率测量模块包括三相电流电压等级变换模块、频率测量模块、电压或电流信号调理模块、电压或电流信号采集模块、有功功率标准输入采集模块。 

电压或电流信号调理模块用于对互感器传送过来的电压电流信号进行调 理，以便于AD采样，包括三部分：隔离放大电路、低通滤波电路和电压跟随电路。如图13所示，为电压或电流信号调理模块的原理图。隔离放大电路可以使用运算放大器OP07和INA128来实现；低通滤波电路可以选用UAF42，完成对输入信号的切比雪夫二阶低通滤波。 

电压或电流信号采集模块用于采样经过电压或电流信号调理模块处理后的功率信号(电压或电流信号)。功率信号可以通过片外AD采样三相电压电流信号计算获得，也可以直接通过DSP片内AD单元采样机端功率变送器获得。如图14所示，为电压或电流信号采集模块的原理图。电压或电流信号采集模块可以使用芯片AD7656，该芯片是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC，它具有最大4LSBS INL和每通道达250kSPS的采样率，并且在片内包含一个2.5V内部基准电压源和基准缓冲器。该芯片包含一个低噪声、宽带采样保持放大器(T/H)，以便处理输入频率高达8MHz的信号。该芯片还具有高速并行接口，可以与DSP主控芯片模块中的TMS320F28335芯片的数据总线连接。 

将经过电压或电流信号调理模块处理后的单相电压信号送入频率测量模块，即可获得电压方波信号，利用DSP芯片中事件管理器的捕捉单元即可获得输入方波的实时频率。如图15所示，为频率测量模块的原理图。频率测量模块的功能是将单相电压信号转换为幅值为3.3V的方波，供给DSP的捕获单元，由DSP计算出信号频率，进而控制PMW脉冲的输出频率，实现同步采样。频率测量模块中使用的电压比较器可以选择电压比较器芯片LM311，实现信号整形以获得方波；光电耦合器可以选择TLP550芯片，起到模拟量与数字量隔离的作用。 

三、机组工作水头测量模块 

机组工作水头测量模块采用在蜗壳进口和尾水管出口的测量断面布置压力变送器进行测量。机组工作水头测量模块包括压力信号采集模块(可以为压力变送器)，压力信号采集模块用于采集在机组工作水头计算过程中所需的压力信号，包括蜗壳进水口压力和尾水管出口压力，然后利用DSP片内AD单元采样压力信号采集模块的标准输出值。 

四、人机交互模块 

人机交互模块用于将用户的指令操作通过总线传递给DSP主控芯片模块，并接收DSP主控芯片模块发送的各种信息，以数字和图形两种方式显示测量结 果。人机交互模块还用于与终端机交互各种信息。 

如图4所示，为人机交互模块的结构示意图。人机交互模块包括现地级人机交互模块、标准电流输出模块和CAN总线通信模块。 

现地级人机交互模块由简易键盘模块、LCD显示模块组成。 

简易键盘模块通过I2C通信接口与DSP主控芯片模块相连，用于在调试过程中，接收用户的指令，并将用户的指令提供给DSP主控芯片模块；简易键盘模块可以由按键、按键指示LED灯和驱动芯片组成，驱动芯片自动扫描按键的状态，当有按键按下时，对按键进行去抖，并将按键状态通过串行总线发送给DSP主控芯片模块；同时，驱动芯片还接收DSP主控芯片模块通过串行总线发送过来的数据，更新按键指示LED的显示。 

LCD显示模块采用数据总线与DSP进行数据传输，并使用DSP的外设读写端口进行数据和指令操作，用于将DSP主控芯片模块提供的处理结果以数字的方式显示给用户。LCD显示模块可以采用TFT真彩液晶显示屏或单色LCD显示屏，通过并行总线与DSP主控芯片模块相连，接收数据并进行显示。 

CAN总线通信模块分别与DSP主控芯片模块和终端机相连。 

如图16所示，为CAN总线通信模块的原理图。CAN总线通信模块利用DSP主控芯片模块中TMS320F28335芯片自带的CAN总线接口，与CAN总线收发器SN65HVD230相连，通过专用通信电缆和CAN卡与人机交互模块通信。eCAN(enhanced Control Area Net)总线模块是DSP芯片的通信接口，具有较强的抗干扰能力，适用于水电厂等噪声较大、环境比较恶劣的场合。 

如图17所示，为标准电流输出模块的原理图。标准电流输出模块的功能是首先用DAC芯片把数字信号转化为模拟信号，然后利用电压电流转换芯片输出标准电流。其中DAC芯片选用MAX538，电压电流转换芯片选用AD694。标准电流输出模块提供了一个标准输出端口，将计算出的水力机组的效率以标准电流的形式供用户使用。 

五、DSP主控芯片模块 

DSP主控芯片模块作为装置的控制和数据处理核心，控制装置工作的启停、CAN通信接口模块与上位机的通信，信号采集和PWM的发生；同时，负责数据的处理(流量、有功功率、工作水头和水轮机效率的计算)和用户交互(键盘 和LCD显示)，还可以将数据上传到上位机。DSP主控芯片作为装置的主处理器能够很好地满足运算速度、实时性和可靠性等方面的要求，而且可以确保系统结构紧凑，可扩展性强。 

DSP主控芯片模块包括DSP芯片及其外围设备。 

DSP主控芯片模块采用TI公司的TMS320F28335芯片，该芯片内嵌32位高速浮点CPU内核，最高频率达150MHz，运行速度快(150MIPS)，数字处理功能强，还具有丰富的片内外设接口，便于进行模块化设计。如图5所示，为DSP主控芯片模块结构图。TMS320F28335芯片通过数据地址总线访问FPGA芯片中的DRAM存储单元，实现与FPGA的通信；通过自带的I2C总线接口与简易键盘模块相连，接收用户输入的指令；通过片内eCAN通信接口模块与上位机相连，进行数据的传输；通过片内AD采样模块采样压力信号；使用外设读写接口和数据总线实现LCD显示模块的正常工作。如图15所示，利用频率测量模块测量输入单相电压信号的频率，继而使用F28335内置PMW模块来控制三相电压电流信号的同步交流采样。利用TMS320F28335芯片高速浮点运算优点，可以快速完成效率试验的相关数据处理工作，包括各测量声道线平均流速计算、曲线分段拟合、流量推算、有功功率计算、频率计算、工作水头计算和效率计算等。 

本发明提供的水力机组效率监测装置采用双CPU主从协作并行测量模式，由DSP发出开始测量命令，FPGA作为从控芯片控制水轮机过机流量测量，DSP控制发电机有功功率测量，两者并行工作。一旦流量测量工作完成，FPGA向DSP发送一个外部中断，由DSP通过外设接口读取DRAM中保存的时间数据，待流量和功率测量完毕后，由DSP开启机组工作水头测量模块进行压力信号采集，采集完毕后，由DSP进行高速计算以获得最终水轮机效率。装置采用这种模式，提高了系统的集成度、鲁棒性、实时性和运行效率。 

六、终端机 

终端机通过CAN总线与至少一个水力发电机组效率监测装置相连，形成分布式在线监测系统。 

下面介绍本发明提供的水力机组效率监测装置的整个工作流程： 

DSP主控芯片模块在接收到人机交互模块传递来的开始测量信号后，向水轮机过机流量测量模块、发电机有功功率测量模块和机组工作水头测量模块发 出开始测量信号；在接收到水轮机过机流量测量模块测量结束信号后，首先读取水轮机过机流量测量模块的测量结果；然后读取发电机有功功率测量模块和机组工作水头测量模块当前采样数据，进行效率计算。 

DSP的功能为计算出发电机有功功率、工作水头，流速和流量，并最终计算出水轮机效率。此外，还包括从片内外AD中读取数据和从FPGA中DRAM读写数据等。在具体实现上，可以设计为主要包括两个程序：第一部分是主程序，第二部分是两个中断程序，分别为AD采样中断程序和DSP外部中断程序。 

DSP初始化的工作流程为：首先进行芯片复位、标志位清零，然后进行参数的修改(不需要修改的可跳过此步骤)，再将DAC控制量写入相应的DRAM并配置FPGA，最后进行有功功率测量模式的选择并开始相应的AD采样。三相电压电流同步交流采样测量有功功率中的片外AD采样中断响应流程为：首先读入AD采样数据并计算有功功率；然后，查询机组工作水头测量中DSP片内AD采样的AD_system标志位，如果AD_system标志位为1，表示已完成采样，则读入片内AD采样数据并计算蜗壳进口及尾水管出口压力；然后，将相应标志位AD_system置零，如果AD_system标志位为0，则跳过上述步骤；最后恢复片外AD采样，继续对有功功率的测量。水轮机过机流量测量中读取测量数据的外部中断响应流程为：首先读取DRAM中的数据并计算流量，然后将相应标志位nRAM置零。 

综上所述，本发明提供的水力机组效率监测装置具有高速、精确的数据采集，分析处理及传输能力，同时能比较准确地测量水轮机过机流量、发电机有功功率、机组工作水头，进而准确的计算出水力发电机组和水轮机效率。 

Claims (17)

1.一种水力发电机组效率监测装置，其特征在于，包括：DSP主控芯片模块、水轮机过机流量测量模块、发电机有功功率测量模块、机组工作水头测量模块和人机交互模块；所述DSP主控芯片模块用于控制所述水轮机过机流量测量模块、所述发电机有功功率测量模块、所述机组工作水头测量模块的测量工作，并对测量得到的数据运算处理，计算出反映水力发电机组效率特性的结果；所述水轮机过机流量测量模块为多声道时差式超声波流量测量模块，所述多声道时差式超声波流量测量模块包括：激励信号发射模块、回波信号接收模块、用于选择从所述激励信号发射模块到所述回波信号接收模块之间所需的工作声道并控制多声道循环工作的声道切换模块和FPGA逻辑控制和计时模块；所述声道切换模块与声道阵列相连；所述FPGA逻辑控制和计时模块包括：控制模块，用于向所述激励信号发射模块发射初始激励信号、控制所述声道切换模块的工作状态；程控增益控制模块，用于对所述回波信号接收模块所接收到的回波信号的增益放大倍数进行控制；计时器，用于测量超声波顺逆流传播时间；DRAM，用于存储所述计时器测得的所述超声波顺逆流传播时间，并将该超声波顺逆流传播时间传输给所述DSP主控芯片模块。

2.根据权利要求1所述的水力发电机组效率监测装置，其特征在于，所述计时器是通过所述FPGA的PLL模块对时钟基频信号进行倍频、移相处理后计时。

3.根据权利要求1所述的水力发电机组效率监测装置，其特征在于，所述激励信号发射模块包括依次相连的高速光电耦合器、CMOS功率管和高频变压器；所述高速光电耦合器对接收到的来自所述FPGA逻辑控制和计时模块的初始激励信号进行隔离升压后转换为电平较高的信号，控制所述CMOS功率管的开关形成方波；再经过所述高频变压器升压，获得驱动超声波换能器工作的激励信号。

4.根据权利要求1所述的水力发电机组效率监测装置，其特征在于，所述回波信号接收模块包括依次相连的第一级放大电路、无源滤波电路、第二级程控可变增益放大电路和检测单元，所述检测单元为过零比较电路；用于对接收到的回波信号进行放大和滤波处理，使其符合所述过零比较电路需要的幅值范围；再通过过零比较电路检测到接收到回波信号的时刻。

5.根据权利要求4所述的水力发电机组效率监测装置，其特征在于，所述第一级放大电路采用J-FET输入级的运算放大器LF357；所述第二级程控可变增益放大电路采用可变增益放大器AD603；所述无源滤波电路采用无源带通滤波器；所述过零比较电路采用双路比较器TLP3502AID。

6.根据权利要求1所述的水力发电机组效率监测装置，其特征在于，所述FPGA逻辑控制和计时模块采用EP3C25E144作为控制核心芯片。

7.根据权利要求1所述的水力发电机组效率监测装置，其特征在于，所述发电机有功功率测量模块包括：三相电流电压等级变换模块、电压或电流信号调理模块、电压或电流信号采集模块、频率测量模块和有功功率标准输入采集模块；所述三相电流电压等级变换模块通过所述电压或电流信号调理模块分别和所述电压或电流信号采集模块的信号输入端和所述频率测量模块的信号输入端相连；所述频率测量模块将经所述电压或电流信号调理模块处理后的单相电压信号转换为电压方波信号，并将该电压方波信号输出给所述DSP主控芯片模块中事件管理器的捕获单元，通过所述DSP主控芯片模块计算所述电压或电流信号调理模块输出的信号频率，并根据计算出的信号频率控制所述DSP主控芯片模块的内置PMW输出脉冲的频率；所述有功功率标准输入采集模块直接与所述DSP主控芯片模块的片内A/D单元相连，通过所述DSP主控芯片模块计算出发电机有功功率。

8.根据权利要求7所述的水力发电机组效率监测装置，其特征在于，所述电压或电流信号采集模块为设置在所述DSP主控芯片模块外部的AD采样模块；所述AD采样模块采用芯片AD7656；所述三相电流电压等级变换模块包括：电压互感器和/或电流互感器；所述电压或电流信号调理模块包括依次相连的：隔离放大电路、低通滤波电路和电压跟随电路。

9.根据权利要求1所述的水力发电机组效率监测装置，其特征在于，所述机组工作水头测量模块包括压力信号采集模块，用于采集蜗壳进水口压力和尾水管出口压力，并将采集到的压力信号传输给所述DSP主控芯片模块的片内AD单元。

10.根据权利要求1所述的水力发电机组效率监测装置，其特征在于，所述人机交互模块用于将用户的指令操作通过总线传递给所述DSP主控芯片模块和终端机，并通过数字和图形两种方式显示接收到的来自所述DSP主控芯片模块发送的各种信息。

11.根据权利要求10所述的水力发电机组效率监测装置，其特征在于，所述人机交互模块包括现地级人机交互模块、标准电流输出模块和CAN总线通信模块；所述现地级人机交互模块用于与所述DSP主控芯片模块交互各种信息；所述CAN总线通信模块用于与所述DSP主控芯片模块和所述终端机交互各种信息；所述标准电流输出模块用于将计算出的水力机组的效率以标准电流的形式供用户使用。

12.根据权利要求11所述的水力发电机组效率监测装置，其特征在于，所述现地级人机交互模块包括：简易键盘模块、LCD显示模块。

13.一种应用权利要求1至12任一项提供的水力发电机组效率监测装置的水力发电机组效率监测系统，其特征在于，包括终端机和至少一个水力发电机组效率监测装置，所述终端机通过CAN总线与所述至少一个水力发电机组效率监测装置相连，形成分布式实时在线监测系统。

14.一种应用权利要求1至12任一项提供的水力发电机组效率监测装置的水力发电机组效率监测方法，其特征在于，包括：所述DSP主控芯片模块在接收到来自所述人机交互模块的开始测量信号后，分别向所述水轮机过机流量测量模块、所述发电机有功功率测量模块和所述机组工作水头测量模块发出开始测量信号；在接收到来自所述水轮机过机流量测量模块的测量结束信号后，首先读取所述水轮机过机流量测量模块的测量结果；然后读取所述发电机有功功率测量模块和所述机组工作水头测量模块的当前采样数据，结合读取到的所述水轮机过机流量测量模块的测量结果、所述发电机有功功率测量模块和所述机组工作水头测量模块的当前采样数据计算水力发电机组的效率。

15.根据权利要求14所述的水力发电机组效率监测方法，其特征在于，所述DSP主控芯片模块在读取到所述水轮机过机流量测量模块的测量结果后，采用曲线分段拟合的方法来计算水轮机过机流量。

16.根据权利要求15所述的水力发电机组效率监测方法，其特征在于，所述采用曲线分段拟合的方法来计算水轮机过机流量具体为：测量水轮机过机流量目标截面上的位于不同位置的流速，得到多层线平均流速；将得到的多层线平均流速进行曲线分段拟合，绘制出所述目标截面的线平均流速分布曲线；最后对所述线平均流速分布曲线沿垂直直径方向进行积分运算，得到水轮机过机流量。

17.根据权利要求16所述的水力发电机组效率监测方法，其特征在于，所述将得到的多层线平均流速进行曲线分段拟合是基于以下假设：流体在管内壁处流速为0，在近管壁处流速急速增加，在圆管中间区域流速变化平稳；

采用的曲线分段拟合方法包括：在上下管壁附近利用二次曲线进行拟合，在圆管中间区域利用三次样条曲线进行拟合。

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