水電站是我國重點支持發(fā)展的能源建設，機組運行效率、耗水率、發(fā)電量等是衡量水電站經濟運行的準則。為確保水電站安全經濟地運行，及時發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象或工程隱患，對水輪發(fā)電機組各項指標的實時監(jiān)測尤為必要[1]。
    根據(jù)我國對水電站安全監(jiān)測工作的要求和水電站安全檢測的發(fā)展趨勢，本文以STM32F103VC為硬件控制核心，設計了用于水電站各項指標監(jiān)測的效率儀。
1 測量原理分析
    水電機組進行監(jiān)測的參數(shù)主要有：瞬時流量、累積流量、工作水頭、有功功率、耗水率和水輪機效率[2]等，通過對應變送器轉變成4~20 mA的直流電流信號，經信號調理電路后送給STM32F103VC處理。
1.1 瞬時流量及累積流量
    水輪機過機流量采用蝸殼差壓法進行測量[3]，如圖1所示為蝸殼截面圖。根據(jù)角動量守恒定律，蝸殼任意斷面上有如下等式成立：

   
2 硬件設計
2.1 總體設計
    本效率儀整體框圖如圖2所示，以STM32-F103VC為核心，外圍擴展有人機接口、按鍵控制、RS483/RS232通信和數(shù)據(jù)存儲等設備。

    系統(tǒng)有4路輸入，分別接相應的傳感器，傳感器輸入為4 mA~20 mA的直流電流信號。系統(tǒng)的工作過程：直流信號經過I/V轉換及電壓調理將信號轉化為0~2 V的電壓信號，電壓信號經過A/D轉換，將傳感器信號轉化為數(shù)字量以便控制芯片進行運算處理。數(shù)據(jù)經過STM32F103VC處理之后，得到瞬時流量、累積流量、工作手頭、水輪機效率及耗水率5個參數(shù)并由LCD顯示出來。同時，將瞬時流量、工作水頭、水輪機效率及耗水率4個表征水輪發(fā)電機組性能的參數(shù)經過D/A轉換及V/I變換，轉換為可以接入監(jiān)測中心儀表的電流信號，以便工作人員進行監(jiān)測。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設計
    由于系統(tǒng)的輸入信號為傳感器輸出的4~20 mA直流電流信號，而A/D轉換芯片的輸入量為0~2.5 V電壓信號，所以必須首先對信號進行I/V變化及電壓調理。本設計選用AD公司的AD620，只需一個電阻就可以實現(xiàn)對增益的精確編程。增益為：
    
    經過轉換調理后的電壓信號送入A/D轉換器進行模數(shù)轉換，將模擬量轉換為數(shù)字量以便進行數(shù)據(jù)運算處理。
2.3 數(shù)據(jù)輸出及顯示模塊設計
    核心控制器根據(jù)上述公式對數(shù)字化的輸入信號進行處理，計算出瞬時流量、累積流量、工作水頭、有功功率、耗水量以及效率5個參數(shù)值。將5個參數(shù)值顯示在LCD上，同時將計算出的參數(shù)轉換為對應的4~20 mA電流值輸入監(jiān)測中心的指示儀表，以便工作人員監(jiān)測。
   數(shù)據(jù)顯示通過工業(yè)級顯示液晶屏HG2401283-LYH-SV實現(xiàn)，其為240×128圖形點陣顯示模塊，數(shù)據(jù)并行輸入。顯示內容包括瞬時流量、累積流量、工作水頭、有功功率、耗水率、效率及通道報警。
   計算出的參數(shù)必須轉化為模擬電流信號才能提供給檢測中心，本設計通過美信公司的MAX5661轉換器實現(xiàn)。MAX5661是一款16 bit的電壓電流雙輸出D/A轉換器，它具有SPI接口，與MCU通信簡單快速，其電流輸出范圍為0~20 mA或4~20 mA，并且具有25%的額外超量程輸出能力。
2.4 通信模塊設計

   通信模塊設計采用通用的RS485通信，并對通信電路進行了抗干擾設計，通信芯片選用美信公司的MAX-
3082ESA。該芯片工作于半雙工模式，最多可掛接256個收發(fā)器，最高傳輸速率為115 Kb/s，具有很好的擴展性。通信模塊電路如圖4所示。

3 軟件設計
3.1 協(xié)議分析及處理
    首先通過上位機軟件進行基本的配置，如傳感器參數(shù)、常數(shù)、滿量程等。程序根據(jù)通信協(xié)議對通過485接收到的上位機命令進行分析，獲取命令類型并進行相應的處理。協(xié)議分析及處理在主循環(huán)中，不斷進行判斷上位機軟件所發(fā)出的命令，如果上位機軟件沒有發(fā)出命令則不作出反應。
3.2 按鍵及LCD顯示
    效率儀有禁止刷新、啟動測量、秒/分刷新選擇鍵3個按鍵。LCD顯示的內容由啟動測量按鍵決定，若啟動測量按鍵按下，則顯示測量畫面；否則顯示開機畫面。在禁止刷新按鍵沒有按下時，啟動定時器定時1 s。判斷秒/分刷新選擇按鍵狀態(tài)，若為秒刷新則每進入一次中斷都進行重新測量并顯示；若為分刷新則進入60次中斷進行重新測量并顯示。程序對按鍵狀態(tài)進行定義，在主循環(huán)中判斷按鍵狀態(tài)標志并調用相應的子程序。
3.3 數(shù)據(jù)采集及處理
    當啟動測量按鍵按下時，調用測量子程序。采集4個通道的數(shù)據(jù)并進行運算，判斷采集的通道數(shù)據(jù)是否滿足4~20 mA并生成報警通道字符。運算之后的數(shù)據(jù)作為參數(shù)，一方面?zhèn)鬟f給顯示子程序，另一方面?zhèn)鬟f給D/A轉換子程序轉換為輸出信號。其簡化流程圖如圖5所示。

4 性能及測量結果分析
4.1 精度分析
    數(shù)據(jù)采集精度是效率儀精度的決定性因素，本設計主要從兩方面提高數(shù)據(jù)采集精度。
    (1)選用AD620進行I/V變換及電壓調理。AD620具有高精度、低失調電壓和低失調漂移特性，尤其適用于傳感器接口這種精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用典型的三運放改進設計，大大抑制了共模干擾。同時，增益電阻Rg使用阻值為12.35 ?贅的精密電阻以提高轉換精度。
    (2)采用TI公司的ADS8331作為A/D轉換器。ADS8331為低功耗、16 bit、4通道模數(shù)轉換器，其采樣速率達到500 KS/s，轉換精度高達0.038 mV。同時，ADS8331的基準電壓通過基準源REF5025提供，進一步提高了采集數(shù)據(jù)的精度。
4.2 抗干擾及自我保護分析
    儀器的干擾主要存在于通信電路中，干擾會導致數(shù)據(jù)傳輸丟失、錯誤等問題。通信電路采用RS485通信，RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，本身已具有共模抑制能力。設計時將控制部分和通信部分采用光耦元件進行隔離，避免了控制電路對通信電路的干擾及影響。為避免浪涌現(xiàn)象對通信的影響，在差分信號的輸出線上串聯(lián)了瞬態(tài)抑制二極管，同時通過一個限流電阻將通信地與設備地相連，有效抑制了電流回流引入的干擾。通信電路供電通過隔離電源DCR10505提供。
    在電路輸入輸出部分都有自我保護能力。在信號輸入端接入100 mA自恢復保險絲，當電流過大時起到保護作用。輸出電流信號由MAX5661提供，其增益電阻端接在封裝之外，便于實現(xiàn)浪涌和瞬態(tài)保護且不會影響精度。此外，還集成了負載故障檢測功能，當電流輸出開路或電壓輸出短路時，漏極開路的故障引腳將被拉至低電平。使用MAX5661增強了電路的保護性。

    本文設計的效率儀精度和準確度都達到了國內領先水平，分辨率可以達到0.05% F.S，遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)效率儀0.5% F.S的指標。效率儀具有很強的抗干擾能力和自我保護能力，遠程在線檢測中，數(shù)據(jù)誤碼率<10^-6。實現(xiàn)了對水電機組瞬時流量、累積流量、工作水頭、有功功率及耗水率等各項指標的精確監(jiān)測，可滿足水電站的監(jiān)測要求，并已成功用于某大型水電站。
參考文獻
[1] 國家技術監(jiān)督局.GB/T 15468-1995：水輪機技術條件.1995-01-27.
[2] 鄭清順.水機效率實驗及經濟效益[J].云南水力發(fā)電，1997(2).
[3] 游維濤，范宇峰.龍門灘水電站流量水頭監(jiān)測系統(tǒng)[J].中國農村水利水電，2003(10).
[4] 趙旭光，孫亞權.基于可編程控制器的水電機組水利參數(shù)自動檢測系統(tǒng)[J].湖北水力發(fā)電，2004(1).