摘要：水輪機速度調節系統是水力發電控制的重要組成部分，不斷增長的水輪機調速系統測試需求和國產調速器技術的變革推動了水電站調速系統專業測試儀器產生和發展，在近20年時間里，水輪機調速系統測試技術在國內經歷了幾個發展階段，儀器試驗項目翻蓋范圍不斷增加，甚至某些儀器已經成為了超出調速系統測試范疇的水電站綜合性試驗儀器，國內水輪機調速系統測試技術已經具有了比較高的水平，盡管如此在水輪機調速系統測試技術依然存在一些問題，突出表現在產業化程度低，儀器穩定性和可靠性差等，這些問題將會促使水輪機調速系統專業測試儀器進入一個全新的發展階段。
（作者：武漢市華英電力科技有限公司總經理-王蘭芳，基于DSP的水輪機調速系統仿真測試儀設計與實現，華中科技大學學位論文，2005.6 版權所有）
1引言
水輪機調速器是水輪機調節系統的核心組成部分，水輪機調速器調節品質好壞對水輪發電機組運行的安全性、經濟性以及電力系統電能質量和安全具有重大意義，在調速器生產、安裝啟動和大修等環節，都需要對其性能和特性進行全面測試，其試驗包括產品出廠試驗和現場交接驗收試驗。我國國家標準和有關行業標準等對水輪機調速系統及裝置的設計制造、特性指標和測試驗收方法、條件均提出了明確要求。但是如果沒有專業的試驗儀器配合要完成這些試驗是相當有困難的，例如：
（1）新產品在實驗室開發階段，沒有真實發電機組，不能構成閉環系統進行動特性試驗，以確定調速器是否能夠按照正常調節規律運行，直接到工業現場試驗成本極高，并存在很大的安全隱患。
（2）水輪機調速器在出廠時，都要進行出廠檢驗試驗以確定調速器是否能按照正確的規律調節控制水輪機的運行，但是在調速器廠家往往沒有條件構造水力發電現場環境。
（3）在水電站現場，調速器安裝投運和大修時，要對調速系統進行試驗，試驗過程中需要全程記錄，并計算相關參數指標，完成這些工作所需儀器繁多，過程復雜，容易出錯。
（4）要求調速器測試人員有較高的專業知識和豐富的實踐經驗，并且結果處理工作量大，容易帶來誤差。
這些不斷增長的市場需求和近些年新興技術的發展，導致了水輪機調速系統專業測試儀器的產生和快速發展。
2水輪機專業測試儀器應用領域分析
水輪機調速系統專業測試儀器的使用單位主要包括水輪機調速器生產廠家，學校，科研機構，水電站，水電建設單位以及電力科學研究院。測試儀在這些單位的典型應用場景可歸納為以下幾類：
在水輪機調速器廠家和科研機構，調速系統專業測試儀器所承擔的任務主要是仿真發電機組，新的水輪機調速器研制過程中，需要反復試驗，但是在水輪機調速器生產廠家或者科
研機構，往往沒有真實水電站運行環境，那么就需要構造一套能讓水輪機調速器運轉起來的系統。調速系統專業測試儀器能夠滿足這種需求，通過采集水輪機調速器導葉主接力器行程信號，模擬發電機組計算機組頻率，將得到的機組轉速信號輸出至水輪機調速器，讓水輪機調速器像在真實水電站環境一樣正常運轉。此時系統原理框圖如圖1所示，這樣就可以大大方便水輪機調速器的研制開發。
每一臺水輪機調速器被生產出來時，都需要對其質量進行檢測，觀察其是否能按照正常規律完成對水輪發電機組的控制。這樣的質量檢測包括靜態試驗和動態試驗兩個環節，對于靜態試驗，手工試驗方法耗時長，容易出錯，計算結果比較復雜；動態試驗環節則需要一個真實運行環境，能夠讓水輪機調速器正常運轉起來。調速系統專業測試儀器在這兩個試驗環節中都可以發揮重要作用，一方面自動完成調速器靜態試驗，速度快并且結果準確；另一方面調速系統專業測試儀器還可以仿真發電機組給水輪機調速器提供一個能使其正常運行的環境，并且記錄整個動態試驗過程，自動計算結果給出相應的參數和報告。
圖1專業測試儀器處于仿真工作模式時的系統原理框圖
（2）水電站、電力科學研究院和水電建設單位
新的水輪發電機組投運和處于運行中的發電機組大修時，都需要完成調速器調試工作，其中一個重要方面就是對調速器進行試驗，檢測調速器性能指標是否能達到國家標準要求。水輪機調速系統專業測試儀可以記錄整個試驗過程，采集試驗數據，實時給出試驗的各種數據波形，自動計算試驗結果給出試驗報告，此時的系統連接原理圖如圖2所示。
另一方面目前很多的水輪機調速系統專業測試儀器還加入了一次調頻功能和同期試驗功能，這使得調速系統專業測試儀器的應用范圍得到大大擴展，同期試驗可以用來在投運和檢修時檢測同期裝置性能，而一次調頻試驗功能則通過發送高精度頻率信號來檢測調速器死區，同時還可以模擬和記錄整個電網的一次調頻試驗過程，從而檢查調速器的一次調頻功能。
圖2專業測試儀器在水力發電現場的工作模式原理框圖
（3）學校
水輪機調速系統專業測試儀器還可以模擬整個發電機組現場運行環境，為高校和職業學校水電站運行課程教學提供一個良好實驗平臺，通過水輪機調速系統仿真測試儀模擬水電站運行過程中調速器的調節規律、開關機過程、各種事故及其狀態等等。
3.1測試模式和測試手段
在國內，八十年代初期，中國水利水電科學研究院即開始這方面的研究工作，他們提出了"模擬調節對象+真實調速器"的模式。隨后，眾多的專家學者在水輪機仿真模型的建立，調速器控制策略研究方面進行了廣泛的探討，工程技術人員則在調速器的仿真研究、設計生產以及檢修測試方面進行了有益的探索。
1989年，孔昭年提出了一種描述水輪機動力學狀態的新方法，以適應水輪機調節系統實時仿真需要。該方法的中心思想是以流量特性矩陣與力矩特性矩陣來取代傳遞系數表征水輪機的流量與力矩特性[3]。1992年，蔣日東在水電機組的控制研究過程中，建立了相應的水電機組仿真模型，隨后近20年時間，水輪機專業測試儀器經歷了幾個大發展階段。
最先出現的測試模式是仿真調節對象+水輪機調速器模式，水輪機調速系統專業測試儀器通過采用數字仿真方法來模擬調節對象，經I/O接口與真實調速器相連，可進行調速器全部靜、動態特性試驗及調速系統動態試驗。它的研制成功，推動了國產調速器調試手段的發展，為水輪機調速器自動測試技術開展提供了良好的開端。
1998年以后，華中科技大學率先領導了水輪機調速系統測試技術的新革命，先后以Intel8086芯片和DSP2407芯片為核心，通過RS232串行通訊接口將測試儀與PC機相連，推出了新型的水輪機調速系統仿真測試儀[2]，該類型儀器不僅能以模擬調節對象+調速器模式工作，還能應用于發電現場實現對調速器的靜、動態性能進行全程測試、記錄、處理、打印保存工作，大大簡化了調速系統試驗過程和數據處理過程，降低了試驗錯誤幾率，提高了試驗效率。
近兩年水輪機調速系統測試技術更是得到了飛速發展，測試儀器出現了很多新的變化，試驗儀器的主流配置基本都變成了DSP2812+USB2.0模式，新的測試儀器信號采集和輸出通道數量多，速度快，精度高，數據處理變得更加方便，并且試驗項目也大大增加，某些試驗儀器甚至發展成為了超出了調速系統試驗范疇的水電站綜合性試驗儀器，例如武漢華英電力科技有限公司和華中科技大學共同研制的新型調速系統仿真測試儀HYTS201不僅能完成常見的調速系統靜、動態試驗，還能完成并網同期試驗，一次調頻試驗，甚至故障錄波和在線監測等任務[1]。
3.2測試項目
隨著水輪機調速系統測試技術的發展，專業測試儀器的測試項目也發生了很大變化。早期的試驗儀設計的試驗項目都是仿真調速系統進行常規試驗，例如靜特性試驗，仿真擺動試驗，仿真擾動試驗，仿真甩負荷試驗等等，試驗項目非常少。
現如今的水輪機調速系統專業測試儀器除了完成仿真模式常規測試項目以外，都能完成水力發電現場試驗記錄，計算和自動數據處理，一般試驗儀器設計的試驗項目包括：靜特性，空載擺動試驗，空載擾動試驗，不動時間試驗，甩負荷試驗，開機過程記錄等，該類型試驗已經變成了調速系統專業測試儀器的主要應用。
同期試驗和一次調頻試驗屬于非調速系統試驗范疇，但是某些試驗儀器（如HYTS201）已經將這些試驗也納入了儀器的試驗項目，尤其是水電站一次調頻試驗，該試驗雖然是一個比較經典的電站常規試驗，但是在水力發電行業受到關注卻是近兩年的事情，目前水電站一次調頻試驗在全國各省變得越來越多熱門，隨著水電裝機容量比例不斷增加，水電站一次調頻功能對提高大電網穩定性發揮著非常重要的作用，一次調頻試驗對專業試驗儀器也提出了比以往更高的要求，尤其是儀器的頻率輸出和發送精度要求比早期儀器提高了一個數量級。
4水輪機調速系統測試技術的發展趨勢
雖然水輪機調速系統專業測試儀器經歷了很長時間的發展，但是現在還不能說水輪機調速系統測試儀器已經非常成熟，該類型測試儀從一出生就有著很多先天性缺陷，并且這些缺陷被一代一代傳遞了下來。由于市場規模有限，全國的測試儀器都缺乏產業化運作和推廣，基本上都是高校或科研院校單打獨斗，儀器研發、調試、檢測和生產過程及其不規范，這些狀況使得該類型的儀器存在一個通病即穩定性和可靠性極差。另一個問題是現有的測試儀器都使用筆記本電腦和儀器聯機方式采集、處理數據，該方式存在非常多的不可靠因素，如通信過程不可靠，上位機軟件不可靠，筆記本電腦多用途等等，往往容易造成儀器死機，這種現象在很多儀器上都存在。為了克服上述這些問題，武漢大學和華中科技大學的部分產品都開始了產業化運作，并對產品的工作原理正進行革命化的調整，例如武漢華英電力科技有限公司即將推出基于嵌入式系統的調速系統仿真測試儀，該儀器將能夠有效的避免老式儀器的不可靠和死機問題，并且在產品整個研發和生產過程中都進行嚴密監控和嚴格測試，以保證儀器質量。
從測試項目來看，調速系統專業測試儀器正在超越調速系統測試儀范疇，很多儀器已將同期，一次調頻等非調速系統試驗項目納入儀器試驗，并且測試儀還將擔當錄波器的任務，實施對水力發電現場進行實時監控和故障錄波，這將使得測試儀能得到更好的應用，甚至從某種意義上，調速系統測試儀還可能發展成為具有水力發電廠故障錄波功能的綜合性儀器。
