基于LabVIEW的水輪機效率試驗系統(tǒng)的設計

黃 琢，陳 劍

(1．東北電力科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006;2．云峰發(fā)電廠，吉林 集安 134200)

水輪機效率是表征水輪機性能的一個重要指標。水輪機是水力發(fā)電機組中的關鍵設備，其工作狀況會直接影響整個水電機組的運行狀態(tài)。水輪機效率的提高將帶來巨大的經(jīng)濟效益，因此深入研究并建立一套試驗系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對水輪機運行效率的實時監(jiān)測和方便數(shù)據(jù)的后期分析處理，有極其重要的現(xiàn)實意義。

1 虛擬儀器及LabVIEW簡介

虛擬儀器是基于計算機的測量設備，其硬件由計算機及I/O接口設備組成。I/O設備主要完成輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)/模轉(zhuǎn)換和信號輸出控制等。不同的總線對應相應的I/O接口硬件設備。本文采用的PC－DAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路及計算機為硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)采用計算機本身的總線，將數(shù)據(jù)采集卡插入計算機的空槽中即可［1］。

LabVIEW是NI公司推出的一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發(fā)平臺，它提供了可以進行經(jīng)典信號分析處理的幾乎全部函數(shù)，包括數(shù)字濾波窗函數(shù)時域分析、頻域分析、相關分析、統(tǒng)計分析等，還有微分積分、傅氏變換、拉氏變換等各種數(shù)學工具和聯(lián)合時頻分析、小波變換等最現(xiàn)代的信號處理工具。此外，它還有通信功能，能夠遠程通信和便于組建工程師站。用戶只要熟悉測量系統(tǒng)的基本原理，掌握數(shù)字信號處理的基本知識，就能利用LabVIEW的豐富功能完成過去力所不及的各種復雜的在線測量和數(shù)據(jù)分析。

LabVIEW程序被稱為VI(Virtual Instrument)，它的很多界面控件與操作都模擬了現(xiàn)實世界的儀器。LabVIEW的核心概念就是“軟件即是儀器”，即虛擬儀器的概念。LabVIEW還包含了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲等。VI是由圖標、連線以及框圖構(gòu)成的應用程序，由前面板和程序框圖構(gòu)成。前面板是應用程序的界面，是人機交互的窗口，主要由控制量和顯示量組成。程序運行時，用戶通過控制量輸入數(shù)據(jù)和控制程序運行，而顯示量主要用于顯示程序運行結(jié)果［2］。

2 水輪機效率測量原理

水輪機將水流的輸入功率轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)軸的輸出機械功率，在這個能量轉(zhuǎn)換過程中存在各種損失，其中包括水力損失、漏水容積損失和摩擦機械損失等。因而使得水輪機的輸出功率總是小于水流的輸入功率。水輪機輸出功率與水流輸入功率之比稱為水輪機效率，常用ηt表示。

式中，N為發(fā)電機端輸出有功功率，kW;ηg為發(fā)電機效率;Q為水輪機流量，m3/s;H為水輪機的工作水頭，m;水的容重r=9.8 kN/m3。

在試驗過程中，N通過有功功率變送器測得，Q通過超聲波流量計測得，ηg根據(jù)設計制造單位提供的發(fā)電機效率曲線求得。H由式 (2)求得:

式中，Z1和Z2分別為蝸殼進口、尾水管出口壓力測量儀表的中心高程，m;P1和P2分別為蝸殼進口、尾水管出口壓力變送器的讀數(shù)，MPa;當?shù)氐闹亓铀俣萭=9.8 m/s2;V1和V2分別為蝸殼進口斷面和尾水管出口斷面的平均流速，m/s。水輪機過水流速V(m/s)可按式 (3)計算求得:

式中，Q為實測水輪機流量，m3/s;F為過流斷面的面積，m2。

由上述分析可知，在水輪機效率試驗中，需要進行測量的量有發(fā)電機端輸出有功功率N，水輪機流量Q，蝸殼進口壓力P1以及尾水管出口壓力P2。為了核準水輪機的流量系數(shù)，通常在試驗中還要測量水輪機的蝸殼壓差h，進而通過式 (4)求得水輪機的流量。

每臺水輪機的流量系數(shù)可以看作常數(shù)，可以作為在超聲流量計失準的情況下的備用方法求得水輪機流量［3］。

3 系統(tǒng)設計

3.1 試驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

試驗系統(tǒng)的硬件設備主要包括安裝有Lab-VIEW和NI－DAQ軟件的計算機;NI公司的SCXI 1000機箱、SCXI 1600通信模塊、SCXI 1102采集模塊及SCXI 1308連接模塊;根據(jù)現(xiàn)場設備的實際情況，方便數(shù)據(jù)采集的自制信號調(diào)理箱，內(nèi)置電源可以完成4種常見模擬量信號的接入和傳輸 (有源4～20 mA、無源4～20 mA、有源0～5 V和無源0～5 V)，可以滿足各種接線形式的傳感器與系統(tǒng)的連接［4－5］。試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

效率試驗中的傳感器信號形式均為有源4～20 mA電流信號，因此將其與信號調(diào)理箱相應端子連接即可。信號調(diào)理箱通過專用屏蔽線與安裝在SCXI 1102模塊上的SCXI 1308連接模塊連接，將信號送入采樣系統(tǒng)，并通過SCXI 1600通信模塊傳輸給計算機。

3.2 試驗系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

在水輪機效率試驗中，除了需要實時地監(jiān)測各個采樣數(shù)據(jù)、監(jiān)視水輪機運行狀態(tài)以外，還需要對各采樣數(shù)據(jù)及其波形圖表進行保存，作為日后分析判斷的依據(jù)。因此試驗系統(tǒng)的軟件部分包括現(xiàn)場采樣顯示及數(shù)據(jù)圖形還原2個部分。

3.2.1 現(xiàn)場采樣顯示部分

現(xiàn)場采樣顯示部分界面如圖2所示。圖中有5個文本輸入框，分別為導葉開度、槳葉角度、序號、上游水位及下游水位，用于記錄進行試驗時機組運行條件。有一個圖形顯示窗口，用于實時顯示采集到的各個信號數(shù)據(jù)。

圖2 現(xiàn)場采樣顯示界面

現(xiàn)場采樣顯示部分程序主要功能是確定設備的一些參數(shù)，如采樣通道數(shù)、信號類型、信號幅值、采樣頻率等，以及完成對數(shù)據(jù)圖表文件的保存。

3.2.2 數(shù)據(jù)圖形還原部分

LabVIEW中提供了大量的控件及指令用于對數(shù)據(jù)進行后期的處理和操作，這也是LabVIEW在數(shù)據(jù)處理方面優(yōu)勢所在。數(shù)據(jù)圖表部分界面如圖3所示。界面中有5個文本顯示框，用于顯示數(shù)據(jù)圖表采樣時所處的條件。有一個圖形顯示窗口，用于回放現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)圖形，并添加了數(shù)據(jù)查詢框和游標控件，可以方便查看任意變量的成組數(shù)據(jù)或是圖形中任何曲線上的任意一點數(shù)據(jù)。

各個水電廠的現(xiàn)場條件及設備情況不同，因此試驗時采用的試驗儀器也就不同。不同的試驗儀器信號形式均為有源4～20 mA，但量程規(guī)范相差很大。因此為了方便后期的分析處理，預留了儀表量程設置界面，可以根據(jù)不同試驗儀表手動輸入其量程范圍，軟件會將采集到4～20 mA信號自動轉(zhuǎn)換為其代表的正常數(shù)值，顯示在圖形顯示框中。儀表量程輸入界面如圖4所示。

4 結(jié)束語

基于LabVIEW的水輪機效率試驗系統(tǒng)采用NI公司標準的數(shù)據(jù)采集模塊及結(jié)合現(xiàn)場實際情況自制的信號調(diào)理箱，配置靈活，擴展性好，軟件界面友好，操作簡單，可以實時、方便、可靠地實現(xiàn)對水輪機效率試驗中的各個模擬量信號的采集，并可將數(shù)據(jù)圖表進行保存、重現(xiàn)，方便后續(xù)的分析研究工作，具有很好的實用價值。

［1］ 豈興明，周建興，矯津毅．LabVIEW8.2中文版入門與典型實例［M］．北京:人民郵電出版社，2010．

［2］ 陳錫輝，張銀鴻．LabVIEW8.20程序設計從入門到精通［M］．北京:清華大學出版社，2008．

［3］ 郭 江，劉萬景，孫鴻秉，等．鹽灘機組水輪機效率實驗［J］．水電站機電技術增刊，1996:96－102．

［4］ 閆 玲，方開翔，姚壽廣．基于LabVIEW的多功能數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng) ［J］．江蘇科技大學學報 (自然科學版)，2006，20(3):50－54．

［5］ 宋庭新，桂 婕．便攜式動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)的研制［J］．計算機測量與控制，2004，12(2):161－163．