基于LabView的水輪發電機轉子阻尼繞組電流無線遙測系統軟件設計與實現

梁 彬, 劉 瑩, 胡麗杰, 韓 波, 王洪泉, 高 尚

（1. 水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

前言

隨著我國電力系統的發展和單機容量的增大，對發電機的性能指標提出了更高的要求。為提高水輪發電機的動態運行穩定性以及承擔不對稱負載或負序能力，在轉子上增設阻尼繞組是最有效的措施，但迄今為止，怎樣設計優化的阻尼繞組結構一直都是難以解決的問題。發電機阻尼繞組結構的優化設計，依賴于對阻尼繞組中電流分布規律的準確把握。長期以來，發電機阻尼繞組的結構設計依據的電流分布規律幾乎都是依賴于經驗和仿真計算得來的，所得結果必然與阻尼繞組中電流實際的分布規律有差異。由于阻尼繞組位于水輪發電機轉子磁極表面，結構復雜、空間狹窄，不但處于強磁場干擾的環境中，更由于發電機轉子處于轉動狀態，無法準確無誤地傳輸旋轉的測量信號，在實際測量技術的實現上存在著極大的難度。因此至今，尚沒有可以直接準確地測量阻尼繞組電流的方法或手段。

經過深入的研究，我們提出了一種能夠直接準確地測量阻尼繞組電流的方法。采用美國 NI公司的WLS/ENET9000系列無線通訊模塊，運用當今流行的無線 WiFi技術構建無線測量系統的局域網絡，通過WiFi技術無線傳輸觸發控制指令，控制安裝在轉子托盤上的四組采集器同時觸發，進行電流溫度數據的實時采集，并將數據回傳至上位計算機。該測量系統在被試發電機上成功地進行了多項幾十組故障性實驗，獲得了寶貴的科學實驗數據和相應的實驗結果。本文就是基于該硬件系統的測控應用軟件設計實現方案。

本無線遙測系統測控應用軟件采用美國 NI公司的LabVIEW作為軟件開發平臺。LabVIEW即實驗室虛擬儀器技術工作平臺，是目前發展最快，功能最強大的圖形化軟件開發集成環境。因其具有編程簡單、形象生動、易于理解掌握和針對數據采集、儀器控制、信號分析與處理等任務，提供的函數對低層協議高度封裝，可直接調用而無須了解協議細節大力提高了開發效率等兩個優勢，而使其成為業界標準。其中數據采集和儀器控制更是 LabVIEW 極具競爭力的核心技術之一，因此基于LabVIEW并結合硬件觸發控制功能完成本軟件方案的實現。

1 無線遙測數據采集系統軟件構成

本測控應用軟件使上位計算機與數據采集硬件形成一個完整的數據采集控制、分析和顯示系統。本測控應用軟件架構分為幾個層次，包括用戶界面、應用程序和儀器驅動，如圖1所示。LabVIEW的核心概念是：軟件即是儀器的虛擬儀器概念。用戶界面即是前面板，可通過編程創建，模擬現實中的儀器，提供虛擬儀器與用戶的接口，用于顯示控制參數和測量結果，實現對虛擬儀器的操作。應用程序用于定義虛擬儀器的功能，進行數據采集控制并對輸入計算機的數據進行分析存儲。儀器驅動程序主要用于初始化虛擬儀器，配置參數和設定工作方式，使虛擬儀器能夠保持正常的工作狀態。

圖1 無線遙測數據采集系統的軟件架構

1.1 無線遙測數據采集系統WiFi技術的應用

本無線遙測數據采集系統采用無線WiFi技術，無線電模式為 IEEE802.11n，頻率范圍在2.412G-2.462GHz，該頻率范圍避開了實驗區內及周圍的中低頻無線干擾，使上位測控軟件的控制指令可以準確及時的下發到采集設備中，控制采集設備進行同步采集，并使通過高采樣率采集到的數據能實時回傳到上位計算機，而無數據及指令擁堵溢出丟失現象。

1.2 無線遙測數據采集系統用戶界面

LabVIEW圖形化編程中，圖形化用戶界面的特點是前面板模擬傳統儀器的操作顯示面板，顯示直觀，形象。本無線遙測數據采集系統的用戶界面包括：主界面水輪發電機轉子阻尼條電流溫度測試程序面板、測試儀器自檢面板、啟動采集程序面板、數據文件另保存面板、查看數據面板，各面板控件模擬真實儀器，可控制數據的采集存儲過程。主要界面如下圖2、3所示。

圖2 無線遙測數據采集系統主界面

圖2 所示界面功能主要是所有子程序的集合，通過該界面可以調用所有功能子系統。

圖3 無線遙測數據采集系統啟動采集程序界面

圖3所示界面功能主要是設置采集參數、啟動數據采集、采集數據波形顯示、停止采集等。啟動“啟動采集程序.vi”即可在測試程序中調用，也可在不同試驗項目中單獨調用，調用即開始運行，進行數據采集和實時數據存儲，采集數據實時保存在上位機指定區域內。按下“停止采集”按鈕，則數據采集結束并退出采集程序。該子系統是無線遙測數據采集系統的核心程序。

1.3 無線遙測數據采集系統應用程序設計

無線遙測數據采集系統應用程序共包含五個子程序：水輪發電機轉子阻尼條電流溫度測試主程序、測試儀器自檢程序、啟動采集程序、數據文件另保存程序、查看數據程序。水輪發電機轉子阻尼條電流溫度測試主程序的設置可以使程序的結構清晰，可讀性強，易于維護。方便子程序之間的切換，實現不同的任務。無線遙測數據采集系統應用程序主要完成水輪發電機轉子阻尼繞組電流和溫度的多通道采集、數據實時存儲，數據波形的顯示任務的是啟動采集程序。

由于采集設備只能實現電壓信號的采集，因此系統中將電流信號轉換為電壓信號。啟動采集程序主要使用 AI Config.vi、AI Start.vi、AI Read.vi、AI Clear.vi、DAQmx Export Signal.vi等節點實現電壓信號的多通道采集，使用 NI公司特有數據流結構，運用 TDMSOpen.vi、TDMS Read.vi、TDMS Close.vi等節點實現的超大量數據的實時存儲。啟動采集程序程序段和該程序流程圖如圖4、5所示。

圖4 啟動采集程序采樣顯示寫入TDMS文件程序段

圖5 啟動采集程序流程圖

2 無線遙測數據采集系統軟件特點

無線遙測數據采集程序的主要任務是多通道的數據采集和存儲，因此程序的優化可靠及高效運行等問題都尤為重要，在程序的開發過程中，綜合運用了多線程技術、硬件觸發的軟件實現等多項先進編程技術。

2.1 多線程技術

無線遙測數據采集系統是典型的多任務系統，編程過程中利用多線程技術來分別處理實時數據采集、圖形界面顯示、數據存儲及查看、用戶響應等任務。應用多線程技術，可使操作系統同時處理多個任務，本應用程序將其內部的多個任務分為多個獨立的線程，可以被分為3個線程：用戶界面線程、數據獲取存儲線程、儀器控制線程等，這些獨立的線程能夠并發執行。由于無線遙測數據采集系統上傳數據量比較大，如果是單線程應用程序可能會造成一個任務的阻塞或者失敗而影響其他任務的執行，而無線遙測數據采集系統在高速采集的同時要顯示所有數據，通常來說，屏幕刷新相對高速數據采集要慢得多，因此刷新速度就成為數據采集速率的瓶頸。而采用多線程技術則避免了這些問題的發生，在無線遙測數據采集系統中，用戶界面擁有自己的獨立線程，而將數據采集單獨作為優先級別較高的線程。多線程的使用充分提高了CPU的利用率并提高了本系統的可靠性。

2.2 無線遙測數據采集系統硬件觸發與同步技術的軟件實現

阻尼繞組是水輪發電機轉子結構中的重要組成部分，阻尼繞組電流參數是衡量阻尼繞組系統是否有效與合理的最重要參數。由于阻尼繞組位于水輪發電機轉子磁極表面，不但結構復雜、環境溫度高，還處于轉動狀態。另外，阻尼繞組中的電流成分也非常復雜。而阻尼繞組系統的研究需要測試在各試驗工況下，同一時刻六根測試阻尼繞組上的電流和溫度變化情況，為此需要嚴格達到六根測試阻尼繞組上電流和溫度采集的同步。由于被測物體所處的外部環境限制，無法采用外部激勵硬件觸發以達到同步啟動采集，我們采用的NI WLS/ENET900系列設備支持內部軟件觸發和外部數字觸發，因此我們考慮使用其中的一個數據采集設備 WLS-141228D作為主觸發源，選用 NI WLS/ENET900系列設備支持的三種觸發類型中的一種：AI開始觸發信號。AI開始觸發（ai/StartTrigger）信號可用于啟動測量采集，將 AI開始觸發（ai/StartTrigger）信號與數字源配合使用，由上位機編程控制從其內部獲取開始觸發信號發送到PFI0觸發口，其他三個采集設備通過PFI0觸發口獲取觸發信號，在同一時刻進行觸發采集，此時三個從設備指定信號源為PFI0，上升沿作為觸發邊沿。采集開始后，將停止采集的條件配置為：接收到軟件指令（連續模式）。在軟件編程過程，為達到可靠的同步采集，在程序段中任務下發執行命令段添加順序結構，順序結構可以強制規定程序執行順序，順序結構內所有指令不執行完畢，不能執行下一個指令。通過試驗證明，在各種短路試驗中，四個采集設備達到了完全同步啟動觸發采集，為真實可靠的分析各工況各時刻六根阻尼條溫度電流變化情況，提供了現實依據。部分程序段如圖6所示。

圖6 同步觸發啟動采集部分程序

3 實測結果和結論

本文提供了一種基于 LabVIEW 的水輪發電機阻尼繞組電流無線遙測系統測控應用軟件的設計方法，該測控軟件運用在100kW的同步發電機的轉子阻尼繞組電流測量試驗系統中，成功地進行了多項及多組故障性實驗，獲得了寶貴的科學實驗數據和相應的實驗結果，為水輪發電機阻尼繞組結構設計提供了真實可靠的依據。100%UN三相突然短路阻尼繞組電流實測結果如圖7、8所示。

圖7 100%UN三相突然短路六根阻尼繞組電流

圖8 100%UN三相突然短路時第3根阻尼繞組電流

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