水電站是我國重點支持發展的能源建設，機組運行效率、耗水率、發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，及時發現異常現象或工程隱患，對水輪發電機組各項指標的實時監測尤為必要[1]。
    根據我國對水電站安全監測工作的要求和水電站安全檢測的發展趨勢，本文以STM32F103VC為硬件控制核心，設計了用于水電站各項指標監測的效率儀。
1 測量原理分析
    水電機組進行監測的參數主要有：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通信和數據存儲等設備。

    系統有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字量以便控制芯片進行運算處理。數據經過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個表征水輪發電機組性能的參數經過D/A轉換及V/I變換，轉換為可以接入監測中心儀表的電流信號，以便工作人員進行監測。
2.2 數據采集模塊設計
    由于系統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轉換器進行模數轉換，將模擬量轉換為數字量以便進行數據運算處理。
2.3 數據輸出及顯示模塊設計
    核心控制器根據上述公式對數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個參數值。將5個參數值顯示在LCD上，同時將計算出的參數轉換為對應的4~20 mA電流值輸入監測中心的指示儀表，以便工作人員監測。
   數據顯示通過工業級顯示液晶屏HG2401283-LYH-SV實現，其為240×128圖形點陣顯示模塊，數據并行輸入。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。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、常數、滿量程等。程序根據通信協議對通過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。協議分析及處理在主循環中，不斷進行判斷上位機軟件所發出的命令，如果上位機軟件沒有發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，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。程序對按鍵狀態進行定義，在主循環中判斷按鍵狀態標志并調用相應的子程序。
3.3 數據采集及處理
    當啟動測量按鍵按下時，調用測量子程序。采集4個通道的數據并進行運算，判斷采集的通道數據是否滿足4~20 mA并生成報警通道字符。運算之后的數據作為參數，一方面傳遞給顯示子程序，另一方面傳遞給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
    數據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據采集精度。
    (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據采集系統。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據的精度。
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，干擾會導致數據傳輸丟失、錯誤等問題。通信電路采用RS485通信，RS485采用平衡發送和差分接收，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。為避免浪涌現象對通信的影響，在差分信號的輸出線上串聯了瞬態抑制二極管，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，便于實現浪涌和瞬態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，遠遠優于傳統效率儀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，數據誤碼率<10^-6。實現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測，可滿足水電站的監測要求，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].云南水力發電，1997(2).
[3] 游維濤，范宇峰.龍門灘水電站流量水頭監測系統[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自動檢測系統[J].湖北水力發電，2004(1).