一種新型水電機組振動擺度在線監測裝置的研制

丁志宇 ，柳海鵬 ，徐方明 ，閆 麗 ，楊 燁

（1.南瑞集團公司（國網電力科學研究院），南京 210000；2.新疆烏魯瓦提水利樞紐管理局，和田 848000）

水電機組是水電廠的關鍵設備，運行狀態的好壞直接影響水電廠的運行安全。同時，隨著水輪發電機組單機容量的不斷增大，對機組的檢修、維護、運行、管理提出了更高的要求，實施水輪發電機組運行狀況的狀態監測，對機組故障進行及時預測預報、原因分析，對于大中型水輪發電機組的安全運行具有重要的意義。據有關統計資料表明，水電機組80%的故障都可以在振動信號中體現[1]，振動擺度在線檢測裝置可以實時監視機組運行狀態，指導機組穩定運行，為機組的避振運行提供準確的數據支持。另一方面，隨著現代監測技術和管理模式的不斷發展和完善，電廠的設備維修方式正在逐漸從過去的以時間為基礎的定期“預防性維修”向今天的以狀態監測為基礎的“預測性維修”方式過渡，正逐漸向著無人值班、少人值守的管理模式發展[2]。

水輪發電機組在運行中，由于受到機械、水力、電氣和氣蝕等各方面因素的影響，產生一定量的擺度和振動是不可避免的，擺度和振動的參量是反映水輪發電機組運行狀態的重要參數，同時，異常的擺度和振動也是影響機組壽命的重要原因之一。因此，對水輪發電機組在運行中出現異常的擺度和振動[3]進行監測具有重要的意義。

本水電機組振動擺度在線監測系統通過對機組的主軸擺度、結構振動、軸向位移、壓力脈動等機組穩定性參數、有功、無功率等機組相關工況參數及過程量參數進行實時采集分析，實現對水輪發電機組運行狀態的實時在線監測、分析和診斷，及時掌握機組的運行狀態，盡早發現故障早期征兆，避免嚴重事故的發生，并為優化運行、檢修指導和實現狀態檢修提供有力的技術支持[4]；更為重要的是，當機組穩定性參數超過預設的保護閾值時，系統除進行報警外，還具備機組振擺保護功能，系統根據預先組態的保護邏輯，輸出機組振擺保護停機信號，實現機組振擺保護自動停機功能，防止機組長時間運行在非安全區域，保障水輪發電機組的安全可靠運行。

1 總體方案

振動擺度裝置主要功能是能及時、準確地監測機組運行狀態，保障機組安全運行，當機組振擺超限時，具有自動停機保護功能。為更好地滿足裝置對精確度、實時性及吞吐量的要求，主CPU采用了整合度高以及技術先進的PowerPC芯片，該芯片不僅具有高可靠性等優點，還具有網絡協處理器，可最大限度提高網絡處理能力；操作系統采用了實時Linux系統，通過系統裁剪及定制外設驅動來最大限度提高外設響應，更好地滿足系統性能要求；為滿足多路數據采集要求，選用了具有高速數據采集與運算處理能力的FPGA芯片；為方便用戶查看及數據對比分析，裝置提供了GUI顯示界面。

1.1 總體設計原則

具有豐富的外設通訊接口，方便后續擴展；系統執行策略盡可能簡單，避免信號的過度交互；系統實現對機組振擺特征值實時監測，超標報警或延時后跳閘停機等功能；按完善反措要求以及參照有關發電設備保護技術和原則，振擺保護裝置中各電路盡可能單獨設置。

1.2 系統功能

裝置所有的通道能同步采樣，支持整周期采樣、連續采樣、召喚采樣方式；裝置具有通道數據的峰峰值、特征值計算、越限停機邏輯判斷、頻譜分析、濾波等處理功能；裝置具備數據存儲、時間順序記錄和追憶查詢功能，支持72 h波形數據存儲；裝置具有各通道實時波形、頻譜顯示功能；裝置具有越限報警及繼電器動作提示等，可實現參數查詢、設置等操作；裝置具有自診斷與自恢復功能。

1.3 技術參數

工作電流為交流輸入，220 V+10%，50 Hz；傳感器工作電流輸出，+12 V，+24 V；工作環境溫度為-40℃～70℃；轉速測量范圍6 r/min～3900 r/min；采樣頻率≤1785 Hz；測量精度，+0.01 mm；測點容量，支持8路、16路和24路模擬輸入；支持72 h不間斷錄播。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System diagram

2 硬件設計

采用模塊化設計方法，這樣有利于模塊結構設計，有利于提高模塊可靠性及復用性，也可以根據現場需求配置不同的模塊，避免了外設冗余。為統一數據通信接口，各模塊之間使用高速CAN總線進行通信，CPU模塊與Web服務器使用標準以太網接口進行通信，主要模塊框圖如圖2所示。

Web服務器裝置與狀態監測系統上位機通過以太網接口進行通信，接口速率10/100 M自適應。

主控CPU模件采用高性能PowerPC并搭載FPGA數據采集與處理芯片，采用雙端口RAM進行內部高速數據交換。

高速采集模塊使用FPGA進行數據采集，主要用于把來自傳感器、變送器等設備的諸如振動、擺動、水壓脈動等變化較快的模擬信號轉換為CPU可以處理的數字量信號。

開關量模塊使用DSP芯片進行數據采集，用于把來自電渦流傳感器的鍵相信號轉換為CPU可以處理的數字脈沖信號。

GUI顯示模塊由于PowerPC不帶顯示接口，采用LocalBus外擴EPSON S1D13513顯示芯片，用于連接VGA進行圖形顯示。

圖2 硬件模塊Fig.2 Module diagram of hardware

3 軟件設計

為提高系統整體性能及裝置可擴展性，裝置軟件部分開發進行了以下選擇。操作系統在通用Linux系統的基礎上進行定制開發，既利用了Linux系統豐富的外設支持能力，也提高了系統實時響應能力，很好地滿足了豐富外設及快速響應的系統要求；為了應用程序的健壯性、穩定性，嵌入式應用軟件采用易于移植的C語言進行開發；Web服務器部分采用Java語言進行服務端開發；在裝置圖形界面上選擇了輕量級、高性能、高可靠性及可配置的MiniGUI圖形庫進行開發。裝置軟件設計框圖如圖3所示。

圖3 軟件結構Fig.3 Structure diagram of software

3.1 裝置系統設計

提高系統實時性為滿足裝置對高速信號的響應能力，優化Linux中斷響應部分代碼，把Linux的軟實時修改為硬實時。

擴展VGA接口為使裝置提供圖形接口，使用LocalBus擴展了S1D13513芯片，該部分功能以統一內核方式提供。

B碼對時功能在接收到外部對時信號時，內核直接修改系統時間，達到多裝置對時的目的。

雙口RAM為提高數據交換能力，FPGA與CPU之間的采用高速雙口RAM進行數據交換，該部分功能以統一內核方式提供。

3.2 應用軟件設計

應用軟件采用多進程多線程架構，每一種外設對應一個單獨進程，當進程中需進行多種獨立數據處理時再分單獨線程進行處理，所有需要交互的信息通過內置的內存數據庫進行數據共享。

管理進程該進程負責管理其它運行進程，當某一被監控進程出現故障次數超限時，負責重啟該故障進程等活動。

Web服務進程裝置與狀態監測系統上位機通過標準以太網接口進行通信，采用IEC61850-MMS通信協議。

VGA顯示進程使用MiniGUI圖形庫進行設計開發，具有當前數據的柱狀圖、時域波形圖、幅頻特性圖等多種顯示方式。

COM接口進程主要負責裝置串口外設的訪問與處理進程。

CAN接口進程主要負責裝置CAN網數據訪問與處理進程。

SD存儲進程裝置具有連續保存72 h不間斷數據的功能，該進程主要負責實時保存所采集的數據，包括原始數據、峰峰值及最大值等特征值。

4 結語

水電機組狀態監測綜合分析系統以狀態監測為基礎，將本地和遠程監測相結合，通過完善和可靠的狀態監測軟件，以及強大實用的數據分析工具，為水電廠的設備狀態檢修提供一個高效、智能化的運行狀態評價平臺。

本次研究開發的振動擺度在線監測裝置適用于水電機組振動狀態監測，系統充分利用了Power-PC功能接口豐富、網絡處理能力強、芯片集成度高的特點，使得整套系統裝置的結構緊湊，可維護性，可擴展性好。系統在使用中運行穩定可靠，數據測量及上報準確，報警輸出合理，滿足監測水電機組振動參數的各項要求，對提高水輪發電機組的檢修質量、實現機組的安全運行及延長機組的使用壽命有著重要的意義[5]。

[1]王靜，張紅芳，潘偉峰，等.黑麋峰機組在線監測及振擺保護系統功能設計與實現[J].水電自動化與大壩監測，2013，37（3）：20-23.

[2]劉剛，劉旸，李江華.水電機組狀態監測現狀及發展趨勢分析[J].中國水利水電科學研究院學報，2014，12（3）：300-305.

[3]申健.水輪發電機組的振動、擺度測量及在線診斷探討[J].四川水力發電，2002，21（2）：29-32.

[4]潘羅平，周葉，唐澍，等.水輪發電機組狀態監測技術的現狀及展望[J].水電站機電技術，2008，31（6）：1-7.

[5]潘偉峰，張茂春，夏洲，等.SJ-90振動擺度監測裝置及其在水電機組在線監測系統的應用[J].水電自動化與大壩監測，2009，33（1）：30-33.