0引言
为了确保水轮发电机组的安全稳定运行，许多水电厂安装了机组状态监测系统。这些系统大多数是在线式的，功能非常完备，可以对机组进行实时监控并实现故障诊断。然而，在线式系统的开发费用相对较高，周期也会长一些，这类系统适合于大型水电站的重要机组使用。而中小型电站的一些机组有时并不需要在线系统的全部功能，希望有一种离线式系统，能够利用它对各个机组进行周期性状态巡检。这就要求我们能够有一种便携式的系统，能够根据实际需要选用在线系统的各种功能模块，以降低设备成本，缩短开发周期。
现有的便携式系统大多是由笔记本电脑和前置采集箱组成，它们之间用计算机串口进行数据交换。由于硬件上的局限使系统的功能受到很大限制。我们自行设计的便携式数据采集箱则将笔记本电脑和前置采集箱集成在一起，并且有了更大的使用自由度。由虚拟仪器技术组成的故障监测系统，以其灵活的组织形式，丰富的用户工具类，逐渐取代了基于传统的仪器仪表的监测系统。基于传统仪器仪表的监测系统当中，很多是被设计成为通用数据采集仪器，使用起来比较复杂，并不方便用户使用。为了克服这个缺点，我们针对水力机组的特点进行软件组合，在保证系统可靠性的前提下降低使用难度，使人机界面友好。
1系统的总体设计思想
这套状态监测系统是专门为水轮发电机组而设计的便携式系统。除了可以对机组进行状态监测外，还可以使用它对多个机组进行状态巡检。另外，对机组性能的评估试验也是这套系统的工作内容之一。
为了可以评价机组在电气、机械、水力等方面的运行特性，监测系统需要针对下列内容进行数据获取：①反映机组能量特性及水电厂优化特性的参数；②反映调速器性能及其因调速器和机组性能变动而引起的机组过渡过程的试验；③机组安全稳定性方面的试验。
机组参数包括如下几种：①电气参数有机组功率、系统频率；②机械参数有机组转速、机组位移、接力器行程、振动量；③水力参数有机组过流部件的压力、蜗壳压力、机组水头；④力学参数；⑤调节参数。
对于监测系统来说，数据采集速度的高低是至关重要的，它直接关系到数据分析的精度和对机组状况的判断的可靠程度。本系统的监测量中有些是慢变量，有些是快变量。对于快变量的测量，需要系统有较高的采集速度，因此我们设计的采集箱使用了双CPU系统，以提高数据采集的能力；对于慢变量来说，系统只需定时采样即可。对于数据采集方式的选择、数据的存储等，都需要软件有专门的模块来管理。软件提供给用户很多种工具，用户可以根据自己的实际需要选择使用它们，通过系统提供的组态工具将不同的分析工具组织成各种分析模块。
通过机组的效率试验和过渡过程试验可以得到机组的性能参数。比较它们与设计标定值之间的差异，能够对机组的性能和当前工作状态作出正确的评估。
远程异地用户可以通过网络传送获得数据，以了解机组的状态。
系统结构如图1所示。
2系统的软件构成
系统的软件部分使用Microsoft Visual C＋＋编写而成。面向对象的编程技术，将系统功能模块化，利于系统功能的扩充。不论是采集监测界面还是数据分析界面都非常友好，便于操作。
软件主要分为这样几个功能模块：数据采集模块、硬件管理模块、采集监控模块、数据管理模块、数据通讯模块 、图形显示模块、数据分析模块。
(1)数据采集模块。根据系统设定的采集频率和采集方式进行数据采集，这是在DOS系统中完成的工作（安装在采集箱中的上CPU系统中）。采集方式是可以改变的，既可以作整周期采集，也可以作定时采集，这完全取决于所要采集的信号的特点（可以在系统中设定）。在DOS系统中进行数据采集会比在WINOOWS系统中进行采集的效率高很多。这样可以满足高速采集的需要。对于采集到的数据要进行数字滤波，主要的滤波手段有限幅滤波法、中位值滤波法、算术平均值法、惯性滤波法。经反复试验，限幅滤波法的效果比较令人满意。
(2)硬件管理模块。系统会采集很多个监测点的数据。每一个监测点的一种物理量会被定义为一个数据通道。对不同的工况，通道的数量和具体的物理值定义是不相同的，因此需要专门管理工具来管理系统的通道配置变化和这些变化所带来的系统相应的改变。系统会有一个参数配置表，将每一通道的物理值、通道号和采集方式记录在一起。系统配置改变时，用户可直接对配置表进行修改。数据采集模块会根据系统配置的变化来修改采集方式和对通道的定义。
(3)采集监控模块。数据的采集过程中，在显示面板或液晶显示屏上显示出当前数据的时域图形和图形上的一些信息。由用户决定是否将采集的数据保存到硬盘上。
(4)数据管理模块。它负责数据的保存、调出、查找、删除、更改等等。这一部分涉及到许多优化算法。这部分性能的优劣直接影响到整个系统的性能。我们使用了循环链表技术来存储数据，数据链表的首尾相连。这样数据的读出和存入互不影响，最大限度地利用了系统的存储空间。每条数据包含各个通道的信息，每条数据前都有一个编号，在查找数据时直接对编号进行搜索和查询。
(5)数据通讯模块。数据是由上CPU系统采集的，却是由下CPU系统管理。数据需要从上CPU系统传送到下CPU系统。两个系统中各有一块通讯板就是用来作数据传递的。这需要双方定好通讯协议（包括数据格式），按照这个协议进行数据传送。如果数据需要传送到远程计算机中，通过网络也可以将数据发送过去。
(6)数据分析模块。这是这套系统的核心部分。我们可以运用系统提供的各种分析工具对数据进行人工分析，也可以选择由系统自动完成。通常使用的分析工具有：时域波形、自相关、互相关、多通道同时显示波形、概率密度、幅值谱和相位谱、倒谱、传递函数和相干函数、轴心轨迹、BODE图、趋势分析、快速趋势分析、瀑布图等。这些工具可以以组态的形式组成一套完整的分析手段。具体地说就是将任意所需的工具挑选出来，随意组成一个页面，在这个页面上同时观测这些量，而软件并不需要作改动。这极大地方便了用户的使用。通常系统会为用户提供一个包含基本功能的页面，用户根据实际的需要自行增减功能单元。
软件还有另外一部分工作：对机组的状态进行评估。这需要通过做效率实验和过渡过程试验来完成。效率试验主要测出水轮机组的效率和率定蜗壳流量计的系数，将测出的效率曲线和厂家提供的曲线相比较，画出误差范围。过渡过程试验主要包括：起机试验、停机试验、空载试验、负荷扰动试验、甩负荷试验等，用于掌握机组的动态特性。在系统计算出结果或生成目标曲线后，用户可以人工判定机组的状态，也可以让系统自动判定，最后生成报表。
3系统的硬件构成
硬件系统主要是一个便携式采集箱，如有必要还可配一个液晶显示屏。主要分为3部分：①显示面板；②CPU 系统；③前置信号处理（端子板）。其结构如图２所示。
3.1系统说明
3.1.1CPU系统
如图2所示，CPU 系统分为上下两部分。
（1）上CPU部分。使用的是DOS操作系统，主要工作是数据采集。硬件包括：一块CPU板；一块通讯板；一块I／O板（和外部设备相连，作开关量输入，系统调试时使用）；CPU上自带的显卡（DOS采集界面显示）；10个ISA插槽；软驱。
（2）下CPU部分。使用的是WINOOWS98操作系统，主要工作是数据管理和运转监测程序。数据管理主要包括在两个CPU系统之间传送数据和将数据存储于硬盘中。硬件包括：一块 PIII 的CPU板（长卡）；一块通讯板；一块显卡（用户端使用）；一块网卡（和外界作通讯时使用）；一块高速大容量硬盘。
3.1.2显示面板
显示面板为单片机51系统。用于一些关键量的简单指示、采集系统（上CPU系统）参数的键入。
硬件主要包括：6个四位的LED显示管；6个LED棒图；6个发光二极管（用于状态指示）；每一个LED显示管旁边有4个按键（1号为观测量选择，从1～10号；2号为切换显示最大值和最小值；3号为自检开关；4号为数据刷新开关）。观测量的值从LED棒图和LED显示管中读出。显示面板和上CPU系统之间用485接口相互联系。
