本发明涉及水电机组一次调频测试领域，尤其涉及水电机组一次调频动态实时性能测试系统及其测试方法。
背景技术：
随着大容量机组在电网中的比例不断增加，电网用电结构变化引起的负荷峰谷差逐步加大，电网频率稳定性的问题越来越被重视，而水电机组的一次调频性能在很大程度上影响着电网频率的稳定。在进行一次调频试验时通过人工外置设备发频既费时又费力，又无法满足设备同步，也不能完全反应机组在电网频率实际波动下，机组对一次调频的动态响应效果，因此需要设备自动计算仿真电网频率动态波动过程，再通过设备频率输出通道输出频率来进行机组动态的一次调频测试是非常有必要的。
而同时国家标准要求大型调速器测频死区在0.02％以内及频率分辨率要达到0.01hz以内，而通常对测试装置的测量精度一般要达到被测对象精度10倍以上，由此要求一般测量装置的频率信号发生器的频率分辨率应不大于0.001hz，即其基础晶振频率最少要求为2.5mhz。目前市场一般的一次调频测试设备的发频方法基本都是通过晶振配合计数器进行，虽然市面很多设备的晶振频率已经超过2.5mhz的频率，但是其发频原理在发送连续变化的频率脉冲信号时，会出现频率脉冲信号的相位不连续，这样就会出现在一个频率信号周期未完成时，计数器变化数值导致终端计算，最终形成不连续的频率脉冲信号。如果要产生一个连续变化频率脉冲信号，这种现象尤为明显。
因此如何设计开发一套可以发送连续可变的频率脉冲信号来实现对电网频率动态的仿真，同时其发送的频率脉冲信号的精度远远大于国家标准规定的频率死区是本专利要解决的问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：本发明通过水电机组一次调频动态实时性能测试系统及其测试方法，以解决进行一次调频试验时通过人工外置设备发频既费时又费力，又无法满足设备同步，也不能完全反应机组在电网频率实际波动下机组对一次调频的动态响应效果的问题和一般测量装置的频率信号发生器满足实际需要的频率分辨率是无法形成连续的频率脉冲信号的问题。
本发明的技术方案是：水电机组一次调频动态实时性能测试系统，包括数据采集卡，所述数据采集卡的ai0模拟量输入端口、ai1模拟量输入端口和ai2模拟量输入端口分别与水轮机组各个传感器的端口连接，所述数据采集卡的a/d转化模块与动态实时计算模块pci总线连接，所述动态实时计算模块与频率发生器pci总线连接，所述频率发生器的ctr0端口与水轮机组的调速器频率采集端口连接。
所述频率发生器包括高速相位累加器、正弦函数寄存器、数模转换和低通滤波器，其中高速相位累加器、正弦函数寄存器、数模转换和低通滤波器都通过串行输入方式的接口连接。
水电机组一次调频动态实时性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：
步骤一：通过动态实时计算模块计算出相位累加器的频率控制字k，发送给相位累加器，相位累加器累后将相位值发送到正弦函数寄存器中，计算出相应信号值，在通过模数转换和低通滤波模块进行输出，通过放大电路放大得到相应所需的频率信号来仿真电网频率的波动；
步骤二：频率发生器根据仿真电网频率的波动控制水轮机组的调速器来实现水电机组的动态一次调频性能测试试验；
步骤三：数据采集卡通过ai0模拟量输入端口、ai1模拟量输入端口和ai2模拟量输入端口分别采集水轮机组的导叶开度信号、有功功率信号和蜗壳水压信号；
步骤四：将步骤三中的导叶开度信号、有功功率信号和蜗壳水压信号通过数据采集卡内部的a/d转换模块进行处理，转化成数字信号输入给动态实时计算模块；
步骤五：动态实时计算模块计算水轮机组有功调节时间、有功调节幅度、有功稳定时间及在一次调频调节过程中的实际积分电量。
步骤五中动态实时计算模块计算在一次调频调节过程中的实际积分电量过程为：首先通过以下公式计算水轮机组的转速与电网频率关系：
式中，n为水电机组转速，单位为转/min，f为电网频率，单位为hz，p为发电机磁极对数；
然后，根据以下公式计算一次调频的理论积分电量：
式中，qt为理论动作积分电量，单位为kw·h；pr为机组额定功率，单位为kw；t0为一次调频开始动作时间，单位为s；δt一次调频过程持续时间，单位为s；δf为实际测量的频率偏差，单位为hz；
最后，根据以下公式计算一次调频的实际积分电量：
式中，qr为实际动作积分电量，单位为kw·h；pt为机组实际测试有功功率，单位为kw；p0为一次调频动作前机组实际测量有功功率，单位为kw。
步骤五中动态实时计算模块计算水轮机组有功调节响应时间是否小于3s、有功调节幅度是否能达到额定负荷10％、有功调节稳定时间是否小于60s，积分电量实际动作负荷是否达到理论电量的50％。
步骤五中通过动态实时计算模块计算出相位累加器的频率控制字k，发送给相位累加器，相位累加器累后将相位值发送到正弦函数寄存器中，计算出相应信号值，在通过模数转换和低通滤波模块进行输出，再通过放大电路放大得到相应所需的频率信号来仿真电网频率的波动。
在频率发生器模块中，包括时钟、相位累加器、正弦函数寄存器、模数变换器、低通滤波器和信号放大电路。通过计算模块计算增量控制k，累加器将初始相位与控制数据k相加，把相加的结果送至相位累加器的输出端，同时相位累加器将上一个周期的计算的新相位数据反馈到输入端，在下一个时钟下，继续进行数据k相加，输出端的相位值输送到正弦函数寄存器当中，通过相位地址查询出二进制波形数据输出，再输入到模数转换模块进行模拟量转换，在通过低通滤波使其变换为光滑的波形，最终在通过信号放大进行放大驱动水轮机调速器。
本发明的有益效果是：本发明可以准确实时的输出电网仿真的频率脉冲信号，保证频率脉冲信号的相位连续，准确的模拟电网频率的实时变换，便于实现并完成动态过程中水电机组一次调频的性能测试。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置频率发生器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍：
水电机组一次调频动态实时性能测试系统，包括数据采集卡，所述数据采集卡的ai0模拟量输入端口、ai1模拟量输入端口和ai2模拟量输入端口分别与水轮机组各个传感器的端口连接，所述数据采集卡的a/d转化模块与动态实时计算模块pci总线连接，所述动态实时计算模块与频率发生器pci总线连接，所述频率发生器的ctr0端口与水轮机组的调速器频率采集端口连接。
所述频率发生器包括高速相位累加器、正弦函数寄存器、数模转换和低通滤波器，其中高速相位累加器、正弦函数寄存器、数模转换和低通滤波器都通过串行输入方式的接口连接。
水电机组一次调频动态实时性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：
步骤一：通过动态实时计算模块计算出相位累加器的频率控制字k，发送给相位累加器，相位累加器累后将相位值发送到正弦函数寄存器中，计算出相应信号值，在通过模数转换和低通滤波模块进行输出，通过放大电路放大得到相应所需的频率信号来仿真电网频率的波动；
步骤二：频率发生器根据仿真电网频率的波动控制水轮机组的调速器来实现水电机组的动态一次调频性能测试试验；
步骤三：数据采集卡通过ai0模拟量输入端口、ai1模拟量输入端口和ai2模拟量输入端口分别采集水轮机组的导叶开度信号、有功功率信号和蜗壳水压信号；
步骤四：将步骤三中的导叶开度信号、有功功率信号和蜗壳水压信号通过数据采集卡内部的a/d转换模块进行处理，转化成数字信号输入给动态实时计算模块；
步骤五：动态实时计算模块计算水轮机组有功调节时间、有功调节幅度、有功稳定时间及在一次调频调节过程中的实际积分电量。
步骤五中动态实时计算模块计算在一次调频调节过程中的实际积分电量过程为：首先通过以下公式计算水轮机组的转速与电网频率关系：
式中，n为水电机组转速，单位为转/min，f为电网频率，单位为hz，p为发电机磁极对数；
然后，根据以下公式计算一次调频的理论积分电量：
式中，qt为理论动作积分电量，单位为kw·h；pr为机组额定功率，单位为kw；t0为一次调频开始动作时间，单位为s；δt一次调频过程持续时间，单位为s；δf为实际测量的频率偏差，单位为hz；
最后，根据以下公式计算一次调频的实际积分电量：
式中，qr为实际动作积分电量，单位为kw·h；pt为机组实际测试有功功率，单位为kw；p0为一次调频动作前机组实际测量有功功率，单位为kw。
步骤五中动态实时计算模块计算水轮机组有功调节响应时间是否小于3s、有功调节幅度是否能达到额定负荷10％、有功调节稳定时间是否小于60s，积分电量实际动作负荷是否达到理论电量的50％。
步骤五中通过动态实时计算模块计算出相位累加器的频率控制字k，发送给相位累加器，相位累加器累后将相位值发送到正弦函数寄存器中，计算出相应信号值，在通过模数转换和低通滤波模块进行输出，再通过放大电路放大得到相应所需的频率信号来仿真电网频率的波动。
数据采集卡型号为pci-6010，动态实时计算模块为pc便携机，频率发生器型号为pci-5402。