基于LabVIEW的水轮机效率试验系统的设计

黄 琢，陈 剑

(1．东北电力科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110006;2．云峰发电厂，吉林 集安 134200)

水轮机效率是表征水轮机性能的一个重要指标。水轮机是水力发电机组中的关键设备，其工作状况会直接影响整个水电机组的运行状态。水轮机效率的提高将带来巨大的经济效益，因此深入研究并建立一套试验系统，能够实现对水轮机运行效率的实时监测和方便数据的后期分析处理，有极其重要的现实意义。

1 虚拟仪器及LabVIEW简介

虚拟仪器是基于计算机的测量设备，其硬件由计算机及I/O接口设备组成。I/O设备主要完成输入信号的采集、放大、模/数转换及数/模转换和信号输出控制等。不同的总线对应相应的I/O接口硬件设备。本文采用的PC－DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统，这种系统采用计算机本身的总线，将数据采集卡插入计算机的空槽中即可［1］。

LabVIEW是NI公司推出的一种基于图形化编程语言的虚拟仪器开发平台，它提供了可以进行经典信号分析处理的几乎全部函数，包括数字滤波窗函数时域分析、频域分析、相关分析、统计分析等，还有微分积分、傅氏变换、拉氏变换等各种数学工具和联合时频分析、小波变换等最现代的信号处理工具。此外，它还有通信功能，能够远程通信和便于组建工程师站。用户只要熟悉测量系统的基本原理，掌握数字信号处理的基本知识，就能利用LabVIEW的丰富功能完成过去力所不及的各种复杂的在线测量和数据分析。

LabVIEW程序被称为VI(Virtual Instrument)，它的很多界面控件与操作都模拟了现实世界的仪器。LabVIEW的核心概念就是“软件即是仪器”，即虚拟仪器的概念。LabVIEW还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等。VI是由图标、连线以及框图构成的应用程序，由前面板和程序框图构成。前面板是应用程序的界面，是人机交互的窗口，主要由控制量和显示量组成。程序运行时，用户通过控制量输入数据和控制程序运行，而显示量主要用于显示程序运行结果［2］。

2 水轮机效率测量原理

水轮机将水流的输入功率转变为旋转轴的输出机械功率，在这个能量转换过程中存在各种损失，其中包括水力损失、漏水容积损失和摩擦机械损失等。因而使得水轮机的输出功率总是小于水流的输入功率。水轮机输出功率与水流输入功率之比称为水轮机效率，常用ηt表示。

式中，N为发电机端输出有功功率，kW;ηg为发电机效率;Q为水轮机流量，m3/s;H为水轮机的工作水头，m;水的容重r=9.8 kN/m3。

在试验过程中，N通过有功功率变送器测得，Q通过超声波流量计测得，ηg根据设计制造单位提供的发电机效率曲线求得。H由式 (2)求得:

式中，Z1和Z2分别为蜗壳进口、尾水管出口压力测量仪表的中心高程，m;P1和P2分别为蜗壳进口、尾水管出口压力变送器的读数，MPa;当地的重力加速度g=9.8 m/s2;V1和V2分别为蜗壳进口断面和尾水管出口断面的平均流速，m/s。水轮机过水流速V(m/s)可按式 (3)计算求得:

式中，Q为实测水轮机流量，m3/s;F为过流断面的面积，m2。

由上述分析可知，在水轮机效率试验中，需要进行测量的量有发电机端输出有功功率N，水轮机流量Q，蜗壳进口压力P1以及尾水管出口压力P2。为了核准水轮机的流量系数，通常在试验中还要测量水轮机的蜗壳压差h，进而通过式 (4)求得水轮机的流量。

每台水轮机的流量系数可以看作常数，可以作为在超声流量计失准的情况下的备用方法求得水轮机流量［3］。

3 系统设计

3.1 试验系统硬件结构

试验系统的硬件设备主要包括安装有Lab-VIEW和NI－DAQ软件的计算机;NI公司的SCXI 1000机箱、SCXI 1600通信模块、SCXI 1102采集模块及SCXI 1308连接模块;根据现场设备的实际情况，方便数据采集的自制信号调理箱，内置电源可以完成4种常见模拟量信号的接入和传输 (有源4～20 mA、无源4～20 mA、有源0～5 V和无源0～5 V)，可以满足各种接线形式的传感器与系统的连接［4－5］。试验系统结构如图1所示。

图1 试验系统结构图

效率试验中的传感器信号形式均为有源4～20 mA电流信号，因此将其与信号调理箱相应端子连接即可。信号调理箱通过专用屏蔽线与安装在SCXI 1102模块上的SCXI 1308连接模块连接，将信号送入采样系统，并通过SCXI 1600通信模块传输给计算机。

3.2 试验系统软件设计与实现

在水轮机效率试验中，除了需要实时地监测各个采样数据、监视水轮机运行状态以外，还需要对各采样数据及其波形图表进行保存，作为日后分析判断的依据。因此试验系统的软件部分包括现场采样显示及数据图形还原2个部分。

3.2.1 现场采样显示部分

现场采样显示部分界面如图2所示。图中有5个文本输入框，分别为导叶开度、桨叶角度、序号、上游水位及下游水位，用于记录进行试验时机组运行条件。有一个图形显示窗口，用于实时显示采集到的各个信号数据。

图2 现场采样显示界面

现场采样显示部分程序主要功能是确定设备的一些参数，如采样通道数、信号类型、信号幅值、采样频率等，以及完成对数据图表文件的保存。

3.2.2 数据图形还原部分

LabVIEW中提供了大量的控件及指令用于对数据进行后期的处理和操作，这也是LabVIEW在数据处理方面优势所在。数据图表部分界面如图3所示。界面中有5个文本显示框，用于显示数据图表采样时所处的条件。有一个图形显示窗口，用于回放现场采集到的数据图形，并添加了数据查询框和游标控件，可以方便查看任意变量的成组数据或是图形中任何曲线上的任意一点数据。

各个水电厂的现场条件及设备情况不同，因此试验时采用的试验仪器也就不同。不同的试验仪器信号形式均为有源4～20 mA，但量程规范相差很大。因此为了方便后期的分析处理，预留了仪表量程设置界面，可以根据不同试验仪表手动输入其量程范围，软件会将采集到4～20 mA信号自动转换为其代表的正常数值，显示在图形显示框中。仪表量程输入界面如图4所示。

4 结束语

基于LabVIEW的水轮机效率试验系统采用NI公司标准的数据采集模块及结合现场实际情况自制的信号调理箱，配置灵活，扩展性好，软件界面友好，操作简单，可以实时、方便、可靠地实现对水轮机效率试验中的各个模拟量信号的采集，并可将数据图表进行保存、重现，方便后续的分析研究工作，具有很好的实用价值。

［1］ 岂兴明，周建兴，矫津毅．LabVIEW8.2中文版入门与典型实例［M］．北京:人民邮电出版社，2010．

［2］ 陈锡辉，张银鸿．LabVIEW8.20程序设计从入门到精通［M］．北京:清华大学出版社，2008．

［3］ 郭 江，刘万景，孙鸿秉，等．盐滩机组水轮机效率实验［J］．水电站机电技术增刊，1996:96－102．

［4］ 闫 玲，方开翔，姚寿广．基于LabVIEW的多功能数据采集与信号处理系统 ［J］．江苏科技大学学报 (自然科学版)，2006，20(3):50－54．

［5］ 宋庭新，桂 婕．便携式动态信号采集分析系统的研制［J］．计算机测量与控制，2004，12(2):161－163．