CN102175445A

CN102175445A - 水轮机调速系统仿真测试装置

Info

Publication number: CN102175445A
Application number: CN2011100445001A
Authority: CN
Inventors: 周建中; 李超顺; 寇攀高; 卢有麟; 雷慧; 李丰攀; 李穆; 肖剑; 王永强; 张孝远; 王学敏; 乔坦; 吴想
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: CN102175445B

Abstract

本发明提供一种水轮机调速系统仿真测试装置，包括：DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块，所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块为所述水轮机调速系统仿真测试装置的逻辑控制核心，用于分别控制模拟信号调理模块、开关信号输入模块、频率信号发生模块、频率信号测量模块、仿真指令控制模块、模型库存储模块和USB通信接口模块的工作过程。本发明提供的水轮机调速系统仿真测试装置，功能齐全，能对多种输入信号进行处理，达到仿真数字机组的功能。而且，本发明采用的独特的隔离电路布置方式能够保证各通道之间达到相互隔离，通道前后级之间隔离，从而提高了抗干扰能力。

Description

水轮机调速系统仿真测试装置

技术领域

本发明涉及水力发电技术领域，特别涉及一种水轮机调速系统仿真测试装置。

背景技术

水轮机调速器是水力发电机组重要的控制部件，因此，在调速器出厂前、新投运或检修后，对调速器性能进行测试，从而降低调速器在实际使用过程中出现问题的几率具有重要意义。

传统的调速器测试方法存在以下弊端：(1)对于调速器在出厂前的验收测试，由于没有和真实机组相配合，无法构成闭环系统，因此，不能进行调速器的动特性测试。(2)在调速器安装投运或检修后，对调速系统进行测试时需要大量仪器配合，过程复杂。(3)在对调速器测试过程中，需要专业人员全程记录，并计算相关参数指标，完成测试报告，加重了专业人员的工作强度。

因此，为解决上述缺陷，现有技术中出现了调速器自动测试仪，该类测试仪通常以单片机或80x86系列处理器为核心，采用串口(RS232)或并口与上位机进行数据通信。

但是，在实现本发明的过程中，现有技术中至少存在以下问题：

该类测试仪中的处理器主频较低，且片上资源馈乏，需要复杂的外围电路来实现系统输入输出功能。另外，串口或并口通信速度低，增强型并口的最高传输速度也只能达到2Mbit/s，显然不能满足大量数据的高速传输要求。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种水轮机调速系统仿真测试装置，具有结构简单、功能全面，而且具有高速的数据传输、数据采集和数据处理能力。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种水轮机调速系统仿真测试装置，包括：DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块，所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块为所述水轮机调速系统仿真测试装置的逻辑控制核心，用于分别控制模拟信号调理模块、开关信号输入模块、频率信号发生模块、频率信号测量模块、仿真指令控制模块、模型库存储模块和USB通信接口模块的工作过程；所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块还用于接收来自所述频率信号测量模块、所述模拟信号调理模块和所述开关信号输入模块上传的数据，经过逻辑运算后通过所述频率信号发生模块向外部设备输出频率；所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块通过所述USB通信接口模块与终端机通信；其中，所述模拟信号调理模块用于对接收到的来自所述水轮机调速系统的模拟信号进行调理；所述开关信号输入模块用于对接收到的来自所述水轮机调速系统的开关信号进行调理；所述频率信号测量模块用于对接收到的来自所述水轮机调速系统和/或电网的频率信号进行调理；所述频率信号发生模块用于对所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块产生的频率信号进行调理；所述仿真指令控制模块包含多种指令输出模式和指令解码器，根据外部输入的控制命令类型选择对应的指令输出模式；所述模型库存储模块用于存储不同类型和不同参数的水力机组的数学模型。

优选的，所述模拟信号为电流信号或电压信号；所述开关信号为断路器开关信号或合闸令开关信号。

优选的，所述USB通信接口模块采用USB2.0通信接口。

优选的，所述模拟信号调理模块包括调幅滤波电路和第一隔离电路，所述调幅滤波电路用于对传感器采集到的模拟信号进行调幅滤波处理，调幅滤波处理后的模拟信号经所述第一隔离电路隔离后上传给设置在所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块内部的模数转换模块。

优选的，所述调幅滤波电路采用有源低通滤波芯片，用于对接收到的模拟信号进行滤波和幅值调整；所述第一隔离电路采用隔离运算放大器芯片，用于对滤波和幅值调整后的模拟信号进行光电隔离。

优选的，所述有源低通滤波芯片采用UAF42芯片；所述隔离运算放大器芯片采用ISO124P芯片，所述ISO124P芯片的输入端采用±15V开关电源供电，所述ISO124P芯片的输出端采用DC/DC隔离电源模块供电。

优选的，所述频率信号测量模块包括整形电路和第二隔离电路，所述整形电路对输入的初始频率信号调整为方波信号后，将该方波信号经所述第二隔离电路隔离后传输到设置在所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块内部的捕获单元。

优选的，所述整形电路包括依次相连的：PT隔离电路、限幅滤波电路和电压比较电路；所述第二隔离电路采用光耦芯片。

优选的，所述开关信号输入模块采用光电耦合器芯片。

优选的，所述频率信号发生模块包括第三隔离电路和驱动电路；设置在所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块内部的事件管理器所产生的初始频率信号经所述第三隔离电路隔离后送入所述驱动电路，所述驱动电路用于提高接收到的频率信号的驱动能力。

优选的，所述第三隔离电路采用光耦芯片，所述驱动电路采用驱动芯片。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的水轮机调速系统仿真测试装置，功能齐全，能对多种输入信号进行处理，达到仿真数字机组的功能。而且，本发明采用的独特的隔离电路布置方式能够保证各通道之间达到相互隔离，通道前后级之间隔离，从而提高了抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明提供的水轮机调速系统仿真测试装置的结构示意图；

图2为本发明提供的DSP主控芯片与各模块的具体连接电路图；

图3为本发明提供的USB通信接口模块电路图；

图4为本发明提供的模拟信号调理模块中调幅滤波电路图；

图5为本发明提供的模拟信号调理模块中第一隔离电路的电路图；

图6为本发明提供的频率信号测量模块中整形电路的电路图；

图7为本发明提供的频率信号测量模块中第二隔离电路的电路图；

图8为本发明提供的频率信号发生模块的电路原理图；

图9为本发明提供的开关信号输入模块的电路原理图。

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。

如图1所示，为本发明提供的水轮机调速系统仿真测试装置的结构示意图，包括：DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块，所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块为所述水轮机调速系统仿真测试装置的逻辑控制核心，用于分别控制模拟信号调理模块、开关信号输入模块、频率信号发生模块、频率信号测量模块、仿真指令控制模块、模型库存储模块和USB通信接口模块的工作过程；所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块还用于接收来自所述频率信号测量模块、所述模拟信号调理模块和所述开关信号输入模块上传的数据，经过逻辑运算后通过所述频率信号发生模块向外部设备输出频率；所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块通过所述USB通信接口模块与终端机通信。

以下对各模块的功能详细介绍：

(一)DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块

DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块的核心为DSP主控芯片，该DSP主控芯片采用32位数字信号处理器芯片，片内的FLASH存储器存有主控程序和仿真模型，主要实现对模拟信号、开关信号、频率信号等各种数据量的采集和处理，接收调速系统及其执行机构的调节控制信号，并输出相应的反馈响应信号，实现水轮机调速系统的运行仿真。

如图2所示，为DSP主控芯片与各模块的具体连接电路图。其中，DSP工作频率为150MHZ，外接30M有源晶振，DSP数字3.3V电源和模拟3.3V电源分别供电，由专用电源芯片TPS767D318将5V电压转换成3.3V和1.8V，从而为DSP数字部分供电，在DSP所有电源引脚都加上104电容进行去耦。DSP与其它模块接口电路的引脚连接如图2所示。

(二)USB通信接口模块

USB通信接口模块包含USB接口芯片。其中USB接口芯片支持USB2.0的通信协议，其数据总线和相关控制总线直接与DSP的对应引脚相连。

如图3所示，为USB通信接口模块电路原理图。本发明以CY7C68013作为USB通信控制器，与终端机的通信采用USB2.0通信协议。CY7C68013与DSP的连接采用异步读写的Slave FIFO方式。在该方式下，DSP可以像读写普通FIFO一样对CY7C68013内部的多层缓冲FIFO进行读写。其中，CY7C68013的电源USBVDD采用DSP的3.3V数字电源，FLAGA、FLAGB和FLAGC引脚是CY7C68013内部FIFO的状态标志，DSP通过通用I/O口GPIOB0、GPIOB1和GPIOB2来获得FIFO的空、半满(由用户设定半满的阈值)和满等状态信息。DSP对CY7C68013内部FIFO的选择，以及数据包的提交也是通过通用I/O口来实现。DSP通过EMIF接口的CE2空间对CY7C68013进行读写操作。工作过程为：DSP通过USB向PC发送数据时，首先查看空、半满和满这三个状态信号，然后向USB写入适当大小的数据，以保证数据不会溢出；终端机通过USB向DSP发送命令字时，USB通过中断方式通知DSP读取命令字。

(三)模拟信号调理模块

模拟信号调理模块用于对接收到的来自所述水轮机调速系统的模拟信号进行调理。其中，模拟信号为电流信号或电压信号。

具体的，模拟信号调理模块包括调幅滤波电路和第一隔离电路，所述调幅滤波电路的信号输入端与用于采集模拟信号的传感器相连，所述调幅滤波电路的信号输出端与所述第一隔离电路的信号输入端连接；所述第一隔离电路的信号输出端与设置在所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块内部的模数转换模块连接。

其中，调幅滤波电路采用有源低通滤波芯片，用于对接收到的模拟信号进行滤波和幅值调整。如图4所示，为模拟信号调理模块中调幅滤波电路的原理图，有源低通滤波芯片可以采用UAF42芯片，具有调幅滤波功能。图4中的接法采用的是二阶切比雪夫低通滤波器，滤波器的增益和截止频率由外接电阻R1、R37、R13、R25确定。来自ISO124P的电压信号通过R1接至UAF42的引脚3，调理后的电压信号从引脚1输出，连接至DSP的ADC引脚(AINA2～AINA7和AINB0～AINB5)。DSP在对模拟信号进行采样时，通过主控程序对信号进行数字滤波。

所述第一隔离电路采用隔离运算放大器芯片，用于对滤波和幅值调整后的模拟信号进行光电隔离。如图5所示，为模拟信号调理模块中第一隔离电路的原理图。隔离运算放大器芯片可以采用ISO124P芯片，ISO124P为高精度光电线性隔离运放，输入端采用±15V开关电源供电。A1515S为DC/DC隔离电源模块，为ISO124P的输出端供电。由于输入输出采用不同电源供电，有效减小了环境和电源的干扰。电压模拟量信号输入连接至ISO124P的Vin引脚，从Vout引脚输出。

(四)频率信号测量模块

频率信号测量模块用于对接收到的来自所述水轮机调速系统的频率信号和/或电网频率进行调理。

具体的，频率信号测量模块包括整形电路和第二隔离电路，所述整形电路对输入的初始频率信号调整为方波信号后，将该方波信号经所述第二隔离电路隔离后传输到所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块。其中，如图6所示，为频率信号测量模块中整形电路的原理图。整形电路包括依次相连的：PT隔离电路、限幅滤波电路和电压比较电路。频率信号首先经过测量电压互感器PT进行隔离和RC滤波，再经过二极管削峰处理，然后由LM311进行过零比较，将原始信号全部调理成方波信号，送入第二隔离电路。

如图7所示，为频率信号测量模块中第二隔离电路的原理图。频率信号测量模块中整形电路的输出信号经过高速光耦TLP550隔离后，进入DSP的事件管理器的捕获单元引脚GPIOB10(CAP6_QEP6)。

DSP的事件管理器捕获单元能够捕捉到外部引脚的跳变(可设定跳变是上升沿、下降沿或者上升下降沿)，一旦出现跳变就触发捕获功能，将所选择的通用定时器的计数值装入相应的FIFO堆栈，并使相应的中断标志位置位。如果中断标志未被屏蔽，将产生一个外设中断申请，中断服务子程序读取捕获的计数值。捕获单元以通用定时器作为时钟基准，其测周基准时钟采用SYSCLKOUT经高速外设分频器分频得到的时钟信号(TMS320F2812的CPU主频最高可达150MHz，可将其14分频得到10.7MHz的时钟信号作基准时钟)。两次跳变对应得到计数值N₁和N₂，记N_g＝N₂-N₁，则频率的真实值为fg＝SYSCLKOUT/(14*N_g)。

(五)频率信号发生模块

频率信号发生模块用于对所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块产生的频率信号进行调理。

具体的，频率信号发生模块包括第三隔离电路和驱动电路；设置在所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块内部的事件管理器所产生的初始频率信号经所述第三隔离电路隔离后送入所述驱动电路，所述驱动电路用于提高接收到的频率信号的驱动能力。其中，第三隔离电路采用光耦芯片，驱动电路采用驱动芯片

进一步的，如图8所示，为频率信号发生模块的电路原理图。频率信号发生模块的隔离电路使用高速光耦TLP550，驱动电路使用达林顿晶体管驱动芯片ULN2804。DSP频率输出引脚GPIOB7(T4CMP)外接TLP550，在光耦输出的后级接ULN2804增强驱动能力。本发明的发频电路以DSP内部的高速外设时钟HSPCLK信号作为计数器的计数时钟信号，由DSP向计数器写入计数初值，一旦计数器溢出，则将计数器的输出信号反向，并自动重装载计数初值。隔离输出，，增大输出频率的功率。整个电路输出频率为f＝HSPCLK/A，其中A是计数器的计数初值，HSPCLK为DSP的高速外设时钟信号的频率。

(六)开关信号输入模块

开关信号输入模块用于对接收到的来自所述水轮机调速系统的开关信号进行调理。其中，开关信号为断路器开关信号或合闸令开关信号。

开关信号输入模块采用光电耦合器芯片。如图9所示，为开关信号输入模块的电路原理图。初始开关信号经过光耦TLP281-4进行隔离之后，送入DSP的GPIO接口。本发明采集的开关量为断路器开关信号或合闸令开关信号，其信号特征是无源节点或者是24-220V的有源节点。有源节点闭合时，输入引脚1和2(或3和4)短接，光耦的相应输出端状态就会发生跳变。无源节点闭合时，输入引脚6(或者8)接地，光耦的相应输出端状态就会发生跳变。光耦的输出引脚与DSP相应的GPIO引脚相连接。

(七)仿真指令控制模块

仿真指令控制模块包括多种指令输出模式和指令解码器，根据不同运行工况的外部输入控制命令和控制信号，选择不同的指令输出模式，从而模拟水轮机系统的运行过程而实现对调速系统的控制响应。

(八)模型库存储模块

模型库存储模块用于存储不同类型和不同参数的水力机组的数学模型。

模型库的主要特征在于，(1)采用高阶、非线性仿真模型，对真实机组具有很好的仿真效果；(2)数学模型种类丰富，涵盖所有机组类型，可对所有类型机组进行工况仿真，支持用户自定义机组模型参数，通用性强；(3)模型适应不同的设备情况，用户可以在没有接力器的情况下进行出厂仿真试验；(4)模型算法简洁、效率高、实时性强，具有很好的稳定性和可扩展性。

本发明提供的水轮机调速系统仿真测试装置包括9组仿真测试功能：调速器测频试验、调速器静特性试验、测PID参数试验、空载扰动试验、空载摆动试验、机组甩负荷试验、测主接力器响应时间常数试验、调速器开关规律试验和开关机试验；15组现场测试功能：调速器测频试验、调速器静特性试验、测PID参数试验、空载扰动试验、空载摆动试验、机组甩负荷试验、测主接力器响应时间常数试验、调速器开关规律试验、开关机试验、测接力器不动时间试验、同期试验、一次调频试验。其中一次调频试验包括4个子试验项：调速器固有死区测量试验、一次调频负荷响应时间试验、一次调频负荷限制试验、跟踪电网一次调频试验。

本发明实施例提供的水轮机调速系统仿真测试装置以DSP TMS320F2812为控制核心，通过USB接口芯片CY7C68013与终端机通过USB总线相连，进行数据通信。TMS320F2812负责各种信号的采集和处理。TMS320F2812在上电复位后便开始等待来自终端机的命令控制字，在接收到来自终端机的命令控制字后，首先分析该命令控制字，然后控制相应的功能模块采集需要的数据。在仿真试验过程中，主控程序将相关的输入采集量转化为数值形式作为内置水轮机组数学模型的输入，DSP计算出相应输出量，通过USB接口传送至终端机。

综上所述，本发明基于DSP主控芯片和USB通信接口，功能模块齐全，能进行信号发生、处理，具有仿真数字机组的功能。采用32位高速DSP芯片，数据处理能力强，采样精度高，DSP片内丰富的片内外设，使外围电路设计方便，系统结构简单，采用USB2.0通信协议，具有理论448Mbps的传输速度。本发明独特隔离电路能够保证各通道之间达到相互隔离，通道前后级之间隔离，抗干扰能力强；调幅滤波电路能够提高所采集信号的信噪比，自动调整信号的幅值。

Claims

1.一种水轮机调速系统仿真测试装置，其特征在于，包括：DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块，所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块为所述水轮机调速系统仿真测试装置的逻辑控制核心，用于分别控制模拟信号调理模块、开关信号输入模块、频率信号发生模块、频率信号测量模块、仿真指令控制模块、模型库存储模块和USB通信接口模块的工作过程；所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块还用于接收来自所述频率信号测量模块、所述模拟信号调理模块和所述开关信号输入模块上传的数据，经过逻辑运算后通过所述频率信号发生模块向外部设备输出频率；所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块通过所述USB通信接口模块与终端机通信；

其中，所述模拟信号调理模块用于对接收到的来自所述水轮机调速系统的模拟信号进行调理；

所述开关信号输入模块用于对接收到的来自所述水轮机调速系统的开关信号进行调理；

所述频率信号测量模块用于对接收到的来自所述水轮机调速系统和/或电网的频率信号进行调理；

所述频率信号发生模块用于对所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块产生的频率信号进行调理；

所述仿真指令控制模块包含多种指令输出模式和指令解码器，根据外部输入的控制命令类型选择对应的指令输出模式；

所述模型库存储模块用于存储不同类型和不同参数的水力机组的数学模型。

2.根据权利要求1所述的水轮机调速系统仿真测试装置，其特征在于，所述模拟信号为电流信号或电压信号；所述开关信号为断路器开关信号或合闸令开关信号。

3.根据权利要求1所述的水轮机调速系统仿真测试装置，其特征在于，所述USB通信接口模块采用USB2.0通信接口。

4.根据权利要求1所述的水轮机调速系统仿真测试装置，其特征在于，所述模拟信号调理模块包括调幅滤波电路和第一隔离电路，所述调幅滤波电路用于对传感器采集到的模拟信号进行调幅滤波处理，调幅滤波处理后的模拟信号经所述第一隔离电路隔离后上传给设置在所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块内部的模数转换模块。

5.根据权利要求4所述的水轮机调速系统仿真测试装置，其特征在于，所述调幅滤波电路采用有源低通滤波芯片，用于对接收到的模拟信号进行滤波和幅值调整；所述第一隔离电路采用隔离运算放大器芯片，用于对滤波和幅值调整后的模拟信号进行光电隔离。

6.根据权利要求5所述的水轮机调速系统仿真测试装置，其特征在于，所述有源低通滤波芯片采用UAF42芯片；所述隔离运算放大器芯片采用ISO124P芯片，所述ISO124P芯片的输入端采用±15V开关电源供电，所述ISO124P芯片的输出端采用DC/DC隔离电源模块供电。

7.根据权利要求1所述的水轮机调速系统仿真测试装置，其特征在于，所述频率信号测量模块包括整形电路和第二隔离电路，所述整形电路对输入的初始频率信号调整为方波信号后，将该方波信号经所述第二隔离电路隔离后传输到设置在所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块内部的捕获单元。

8.根据权利要求7所述的水轮机调速系统仿真测试装置，其特征在于，所述整形电路包括依次相连的：PT隔离电路、限幅滤波电路和电压比较电路；所述第二隔离电路采用光耦芯片。

9.根据权利要求1所述的水轮机调速系统仿真测试装置，其特征在于，所述开关信号输入模块采用光电耦合器芯片。

10.根据权利要求1所述的水轮机调速系统仿真测试装置，其特征在于，所述频率信号发生模块包括第三隔离电路和驱动电路；设置在所述DSP嵌入式内核及其逻辑主控模块内部的事件管理器所产生的初始频率信号经所述第三隔离电路隔离后送入所述驱动电路，所述驱动电路用于提高接收到的频率信号的驱动能力。

11.根据权利要求10所述的水轮机调速系统仿真测试装置，其特征在于，所述第三隔离电路采用光耦芯片，所述驱动电路采用驱动芯片。