一种新型水电机组振动摆度在线监测装置的研制

丁志宇 ，柳海鹏 ，徐方明 ，闫 丽 ，杨 烨

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 210000；2.新疆乌鲁瓦提水利枢纽管理局，和田 848000）

水电机组是水电厂的关键设备，运行状态的好坏直接影响水电厂的运行安全。同时，随着水轮发电机组单机容量的不断增大，对机组的检修、维护、运行、管理提出了更高的要求，实施水轮发电机组运行状况的状态监测，对机组故障进行及时预测预报、原因分析，对于大中型水轮发电机组的安全运行具有重要的意义。据有关统计资料表明，水电机组80%的故障都可以在振动信号中体现[1]，振动摆度在线检测装置可以实时监视机组运行状态，指导机组稳定运行，为机组的避振运行提供准确的数据支持。另一方面，随着现代监测技术和管理模式的不断发展和完善，电厂的设备维修方式正在逐渐从过去的以时间为基础的定期“预防性维修”向今天的以状态监测为基础的“预测性维修”方式过渡，正逐渐向着无人值班、少人值守的管理模式发展[2]。

水轮发电机组在运行中，由于受到机械、水力、电气和气蚀等各方面因素的影响，产生一定量的摆度和振动是不可避免的，摆度和振动的参量是反映水轮发电机组运行状态的重要参数，同时，异常的摆度和振动也是影响机组寿命的重要原因之一。因此，对水轮发电机组在运行中出现异常的摆度和振动[3]进行监测具有重要的意义。

本水电机组振动摆度在线监测系统通过对机组的主轴摆度、结构振动、轴向位移、压力脉动等机组稳定性参数、有功、无功率等机组相关工况参数及过程量参数进行实时采集分析，实现对水轮发电机组运行状态的实时在线监测、分析和诊断，及时掌握机组的运行状态，尽早发现故障早期征兆，避免严重事故的发生，并为优化运行、检修指导和实现状态检修提供有力的技术支持[4]；更为重要的是，当机组稳定性参数超过预设的保护阈值时，系统除进行报警外，还具备机组振摆保护功能，系统根据预先组态的保护逻辑，输出机组振摆保护停机信号，实现机组振摆保护自动停机功能，防止机组长时间运行在非安全区域，保障水轮发电机组的安全可靠运行。

1 总体方案

振动摆度装置主要功能是能及时、准确地监测机组运行状态，保障机组安全运行，当机组振摆超限时，具有自动停机保护功能。为更好地满足装置对精确度、实时性及吞吐量的要求，主CPU采用了整合度高以及技术先进的PowerPC芯片，该芯片不仅具有高可靠性等优点，还具有网络协处理器，可最大限度提高网络处理能力；操作系统采用了实时Linux系统，通过系统裁剪及定制外设驱动来最大限度提高外设响应，更好地满足系统性能要求；为满足多路数据采集要求，选用了具有高速数据采集与运算处理能力的FPGA芯片；为方便用户查看及数据对比分析，装置提供了GUI显示界面。

1.1 总体设计原则

具有丰富的外设通讯接口，方便后续扩展；系统执行策略尽可能简单，避免信号的过度交互；系统实现对机组振摆特征值实时监测，超标报警或延时后跳闸停机等功能；按完善反措要求以及参照有关发电设备保护技术和原则，振摆保护装置中各电路尽可能单独设置。

1.2 系统功能

装置所有的通道能同步采样，支持整周期采样、连续采样、召唤采样方式；装置具有通道数据的峰峰值、特征值计算、越限停机逻辑判断、频谱分析、滤波等处理功能；装置具备数据存储、时间顺序记录和追忆查询功能，支持72 h波形数据存储；装置具有各通道实时波形、频谱显示功能；装置具有越限报警及继电器动作提示等，可实现参数查询、设置等操作；装置具有自诊断与自恢复功能。

1.3 技术参数

工作电流为交流输入，220 V+10%，50 Hz；传感器工作电流输出，+12 V，+24 V；工作环境温度为-40℃～70℃；转速测量范围6 r/min～3900 r/min；采样频率≤1785 Hz；测量精度，+0.01 mm；测点容量，支持8路、16路和24路模拟输入；支持72 h不间断录播。系统整体结构如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System diagram

2 硬件设计

采用模块化设计方法，这样有利于模块结构设计，有利于提高模块可靠性及复用性，也可以根据现场需求配置不同的模块，避免了外设冗余。为统一数据通信接口，各模块之间使用高速CAN总线进行通信，CPU模块与Web服务器使用标准以太网接口进行通信，主要模块框图如图2所示。

Web服务器装置与状态监测系统上位机通过以太网接口进行通信，接口速率10/100 M自适应。

主控CPU模件采用高性能PowerPC并搭载FPGA数据采集与处理芯片，采用双端口RAM进行内部高速数据交换。

高速采集模块使用FPGA进行数据采集，主要用于把来自传感器、变送器等设备的诸如振动、摆动、水压脉动等变化较快的模拟信号转换为CPU可以处理的数字量信号。

开关量模块使用DSP芯片进行数据采集，用于把来自电涡流传感器的键相信号转换为CPU可以处理的数字脉冲信号。

GUI显示模块由于PowerPC不带显示接口，采用LocalBus外扩EPSON S1D13513显示芯片，用于连接VGA进行图形显示。

图2 硬件模块Fig.2 Module diagram of hardware

3 软件设计

为提高系统整体性能及装置可扩展性，装置软件部分开发进行了以下选择。操作系统在通用Linux系统的基础上进行定制开发，既利用了Linux系统丰富的外设支持能力，也提高了系统实时响应能力，很好地满足了丰富外设及快速响应的系统要求；为了应用程序的健壮性、稳定性，嵌入式应用软件采用易于移植的C语言进行开发；Web服务器部分采用Java语言进行服务端开发；在装置图形界面上选择了轻量级、高性能、高可靠性及可配置的MiniGUI图形库进行开发。装置软件设计框图如图3所示。

图3 软件结构Fig.3 Structure diagram of software

3.1 装置系统设计

提高系统实时性为满足装置对高速信号的响应能力，优化Linux中断响应部分代码，把Linux的软实时修改为硬实时。

扩展VGA接口为使装置提供图形接口，使用LocalBus扩展了S1D13513芯片，该部分功能以统一内核方式提供。

B码对时功能在接收到外部对时信号时，内核直接修改系统时间，达到多装置对时的目的。

双口RAM为提高数据交换能力，FPGA与CPU之间的采用高速双口RAM进行数据交换，该部分功能以统一内核方式提供。

3.2 应用软件设计

应用软件采用多进程多线程架构，每一种外设对应一个单独进程，当进程中需进行多种独立数据处理时再分单独线程进行处理，所有需要交互的信息通过内置的内存数据库进行数据共享。

管理进程该进程负责管理其它运行进程，当某一被监控进程出现故障次数超限时，负责重启该故障进程等活动。

Web服务进程装置与状态监测系统上位机通过标准以太网接口进行通信，采用IEC61850-MMS通信协议。

VGA显示进程使用MiniGUI图形库进行设计开发，具有当前数据的柱状图、时域波形图、幅频特性图等多种显示方式。

COM接口进程主要负责装置串口外设的访问与处理进程。

CAN接口进程主要负责装置CAN网数据访问与处理进程。

SD存储进程装置具有连续保存72 h不间断数据的功能，该进程主要负责实时保存所采集的数据，包括原始数据、峰峰值及最大值等特征值。

4 结语

水电机组状态监测综合分析系统以状态监测为基础，将本地和远程监测相结合，通过完善和可靠的状态监测软件，以及强大实用的数据分析工具，为水电厂的设备状态检修提供一个高效、智能化的运行状态评价平台。

本次研究开发的振动摆度在线监测装置适用于水电机组振动状态监测，系统充分利用了Power-PC功能接口丰富、网络处理能力强、芯片集成度高的特点，使得整套系统装置的结构紧凑，可维护性，可扩展性好。系统在使用中运行稳定可靠，数据测量及上报准确，报警输出合理，满足监测水电机组振动参数的各项要求，对提高水轮发电机组的检修质量、实现机组的安全运行及延长机组的使用寿命有着重要的意义[5]。

[1]王静，张红芳，潘伟峰，等.黑麋峰机组在线监测及振摆保护系统功能设计与实现[J].水电自动化与大坝监测，2013，37（3）：20-23.

[2]刘刚，刘旸，李江华.水电机组状态监测现状及发展趋势分析[J].中国水利水电科学研究院学报，2014，12（3）：300-305.

[3]申健.水轮发电机组的振动、摆度测量及在线诊断探讨[J].四川水力发电，2002，21（2）：29-32.

[4]潘罗平，周叶，唐澍，等.水轮发电机组状态监测技术的现状及展望[J].水电站机电技术，2008，31（6）：1-7.

[5]潘伟峰，张茂春，夏洲，等.SJ-90振动摆度监测装置及其在水电机组在线监测系统的应用[J].水电自动化与大坝监测，2009，33（1）：30-33.