基于LabView的水轮发电机转子阻尼绕组电流无线遥测系统软件设计与实现

2013-01-22胡丽杰王洪泉

大电机技术 2013年2期

梁彬, 刘莹, 胡丽杰, 韩波, 王洪泉, 高尚

（1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；2. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

前言

随着我国电力系统的发展和单机容量的增大，对发电机的性能指标提出了更高的要求。为提高水轮发电机的动态运行稳定性以及承担不对称负载或负序能力，在转子上增设阻尼绕组是最有效的措施，但迄今为止，怎样设计优化的阻尼绕组结构一直都是难以解决的问题。发电机阻尼绕组结构的优化设计，依赖于对阻尼绕组中电流分布规律的准确把握。长期以来，发电机阻尼绕组的结构设计依据的电流分布规律几乎都是依赖于经验和仿真计算得来的，所得结果必然与阻尼绕组中电流实际的分布规律有差异。由于阻尼绕组位于水轮发电机转子磁极表面，结构复杂、空间狭窄，不但处于强磁场干扰的环境中，更由于发电机转子处于转动状态，无法准确无误地传输旋转的测量信号，在实际测量技术的实现上存在着极大的难度。因此至今，尚没有可以直接准确地测量阻尼绕组电流的方法或手段。

经过深入的研究，我们提出了一种能够直接准确地测量阻尼绕组电流的方法。采用美国 NI公司的WLS/ENET9000系列无线通讯模块，运用当今流行的无线 WiFi技术构建无线测量系统的局域网络，通过WiFi技术无线传输触发控制指令，控制安装在转子托盘上的四组采集器同时触发，进行电流温度数据的实时采集，并将数据回传至上位计算机。该测量系统在被试发电机上成功地进行了多项几十组故障性实验，获得了宝贵的科学实验数据和相应的实验结果。本文就是基于该硬件系统的测控应用软件设计实现方案。

本无线遥测系统测控应用软件采用美国 NI公司的LabVIEW作为软件开发平台。LabVIEW即实验室虚拟仪器技术工作平台，是目前发展最快，功能最强大的图形化软件开发集成环境。因其具有编程简单、形象生动、易于理解掌握和针对数据采集、仪器控制、信号分析与处理等任务，提供的函数对低层协议高度封装，可直接调用而无须了解协议细节大力提高了开发效率等两个优势，而使其成为业界标准。其中数据采集和仪器控制更是 LabVIEW 极具竞争力的核心技术之一，因此基于LabVIEW并结合硬件触发控制功能完成本软件方案的实现。

1 无线遥测数据采集系统软件构成

本测控应用软件使上位计算机与数据采集硬件形成一个完整的数据采集控制、分析和显示系统。本测控应用软件架构分为几个层次，包括用户界面、应用程序和仪器驱动，如图1所示。LabVIEW的核心概念是：软件即是仪器的虚拟仪器概念。用户界面即是前面板，可通过编程创建，模拟现实中的仪器，提供虚拟仪器与用户的接口，用于显示控制参数和测量结果，实现对虚拟仪器的操作。应用程序用于定义虚拟仪器的功能，进行数据采集控制并对输入计算机的数据进行分析存储。仪器驱动程序主要用于初始化虚拟仪器，配置参数和设定工作方式，使虚拟仪器能够保持正常的工作状态。

图1 无线遥测数据采集系统的软件架构

1.1 无线遥测数据采集系统WiFi技术的应用

本无线遥测数据采集系统采用无线WiFi技术，无线电模式为 IEEE802.11n，频率范围在2.412G-2.462GHz，该频率范围避开了实验区内及周围的中低频无线干扰，使上位测控软件的控制指令可以准确及时的下发到采集设备中，控制采集设备进行同步采集，并使通过高采样率采集到的数据能实时回传到上位计算机，而无数据及指令拥堵溢出丢失现象。

1.2 无线遥测数据采集系统用户界面

LabVIEW图形化编程中，图形化用户界面的特点是前面板模拟传统仪器的操作显示面板，显示直观，形象。本无线遥测数据采集系统的用户界面包括：主界面水轮发电机转子阻尼条电流温度测试程序面板、测试仪器自检面板、启动采集程序面板、数据文件另保存面板、查看数据面板，各面板控件模拟真实仪器，可控制数据的采集存储过程。主要界面如下图2、3所示。

图2 无线遥测数据采集系统主界面

图2 所示界面功能主要是所有子程序的集合，通过该界面可以调用所有功能子系统。

图3 无线遥测数据采集系统启动采集程序界面

图3所示界面功能主要是设置采集参数、启动数据采集、采集数据波形显示、停止采集等。启动“启动采集程序.vi”即可在测试程序中调用，也可在不同试验项目中单独调用，调用即开始运行，进行数据采集和实时数据存储，采集数据实时保存在上位机指定区域内。按下“停止采集”按钮，则数据采集结束并退出采集程序。该子系统是无线遥测数据采集系统的核心程序。

1.3 无线遥测数据采集系统应用程序设计

无线遥测数据采集系统应用程序共包含五个子程序：水轮发电机转子阻尼条电流温度测试主程序、测试仪器自检程序、启动采集程序、数据文件另保存程序、查看数据程序。水轮发电机转子阻尼条电流温度测试主程序的设置可以使程序的结构清晰，可读性强，易于维护。方便子程序之间的切换，实现不同的任务。无线遥测数据采集系统应用程序主要完成水轮发电机转子阻尼绕组电流和温度的多通道采集、数据实时存储，数据波形的显示任务的是启动采集程序。

由于采集设备只能实现电压信号的采集，因此系统中将电流信号转换为电压信号。启动采集程序主要使用 AI Config.vi、AI Start.vi、AI Read.vi、AI Clear.vi、DAQmx Export Signal.vi等节点实现电压信号的多通道采集，使用 NI公司特有数据流结构，运用 TDMSOpen.vi、TDMS Read.vi、TDMS Close.vi等节点实现的超大量数据的实时存储。启动采集程序程序段和该程序流程图如图4、5所示。

图4 启动采集程序采样显示写入TDMS文件程序段

图5 启动采集程序流程图

2 无线遥测数据采集系统软件特点

无线遥测数据采集程序的主要任务是多通道的数据采集和存储，因此程序的优化可靠及高效运行等问题都尤为重要，在程序的开发过程中，综合运用了多线程技术、硬件触发的软件实现等多项先进编程技术。

2.1 多线程技术

无线遥测数据采集系统是典型的多任务系统，编程过程中利用多线程技术来分别处理实时数据采集、图形界面显示、数据存储及查看、用户响应等任务。应用多线程技术，可使操作系统同时处理多个任务，本应用程序将其内部的多个任务分为多个独立的线程，可以被分为3个线程：用户界面线程、数据获取存储线程、仪器控制线程等，这些独立的线程能够并发执行。由于无线遥测数据采集系统上传数据量比较大，如果是单线程应用程序可能会造成一个任务的阻塞或者失败而影响其他任务的执行，而无线遥测数据采集系统在高速采集的同时要显示所有数据，通常来说，屏幕刷新相对高速数据采集要慢得多，因此刷新速度就成为数据采集速率的瓶颈。而采用多线程技术则避免了这些问题的发生，在无线遥测数据采集系统中，用户界面拥有自己的独立线程，而将数据采集单独作为优先级别较高的线程。多线程的使用充分提高了CPU的利用率并提高了本系统的可靠性。

2.2 无线遥测数据采集系统硬件触发与同步技术的软件实现

阻尼绕组是水轮发电机转子结构中的重要组成部分，阻尼绕组电流参数是衡量阻尼绕组系统是否有效与合理的最重要参数。由于阻尼绕组位于水轮发电机转子磁极表面，不但结构复杂、环境温度高，还处于转动状态。另外，阻尼绕组中的电流成分也非常复杂。而阻尼绕组系统的研究需要测试在各试验工况下，同一时刻六根测试阻尼绕组上的电流和温度变化情况，为此需要严格达到六根测试阻尼绕组上电流和温度采集的同步。由于被测物体所处的外部环境限制，无法采用外部激励硬件触发以达到同步启动采集，我们采用的NI WLS/ENET900系列设备支持内部软件触发和外部数字触发，因此我们考虑使用其中的一个数据采集设备 WLS-141228D作为主触发源，选用 NI WLS/ENET900系列设备支持的三种触发类型中的一种：AI开始触发信号。AI开始触发（ai/StartTrigger）信号可用于启动测量采集，将 AI开始触发（ai/StartTrigger）信号与数字源配合使用，由上位机编程控制从其内部获取开始触发信号发送到PFI0触发口，其他三个采集设备通过PFI0触发口获取触发信号，在同一时刻进行触发采集，此时三个从设备指定信号源为PFI0，上升沿作为触发边沿。采集开始后，将停止采集的条件配置为：接收到软件指令（连续模式）。在软件编程过程，为达到可靠的同步采集，在程序段中任务下发执行命令段添加顺序结构，顺序结构可以强制规定程序执行顺序，顺序结构内所有指令不执行完毕，不能执行下一个指令。通过试验证明，在各种短路试验中，四个采集设备达到了完全同步启动触发采集，为真实可靠的分析各工况各时刻六根阻尼条温度电流变化情况，提供了现实依据。部分程序段如图6所示。

图6 同步触发启动采集部分程序

3 实测结果和结论

本文提供了一种基于 LabVIEW 的水轮发电机阻尼绕组电流无线遥测系统测控应用软件的设计方法，该测控软件运用在100kW的同步发电机的转子阻尼绕组电流测量试验系统中，成功地进行了多项及多组故障性实验，获得了宝贵的科学实验数据和相应的实验结果，为水轮发电机阻尼绕组结构设计提供了真实可靠的依据。100%UN三相突然短路阻尼绕组电流实测结果如图7、8所示。