一種新型水電機組振動擺度在線監(jiān)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(wǎng)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(guān)鍵設(shè)備，運行狀態(tài)的好壞直接影響水電廠的運行安全。同時，隨著水輪發(fā)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(fā)電機組運行狀況的狀態(tài)監(jiān)測，對機組故障進行及時預(yù)測預(yù)報、原因分析，對于大中型水輪發(fā)電機組的安全運行具有重要的意義。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料表明，水電機組80%的故障都可以在振動信號中體現(xiàn)[1]，振動擺度在線檢測裝置可以實時監(jiān)視機組運行狀態(tài)，指導(dǎo)機組穩(wěn)定運行，為機組的避振運行提供準確的數(shù)據(jù)支持。另一方面，隨著現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)和管理模式的不斷發(fā)展和完善，電廠的設(shè)備維修方式正在逐漸從過去的以時間為基礎(chǔ)的定期“預(yù)防性維修”向今天的以狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)的“預(yù)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(fā)展[2]。

水輪發(fā)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(chǎn)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(fā)電機組運行狀態(tài)的重要參數(shù)，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(fā)電機組在運行中出現(xiàn)異常的擺度和振動[3]進行監(jiān)測具有重要的意義。

本水電機組振動擺度在線監(jiān)測系統(tǒng)通過對機組的主軸擺度、結(jié)構(gòu)振動、軸向位移、壓力脈動等機組穩(wěn)定性參數(shù)、有功、無功率等機組相關(guān)工況參數(shù)及過程量參數(shù)進行實時采集分析，實現(xiàn)對水輪發(fā)電機組運行狀態(tài)的實時在線監(jiān)測、分析和診斷，及時掌握機組的運行狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)故障早期征兆，避免嚴重事故的發(fā)生，并為優(yōu)化運行、檢修指導(dǎo)和實現(xiàn)狀態(tài)檢修提供有力的技術(shù)支持[4]；更為重要的是，當機組穩(wěn)定性參數(shù)超過預(yù)設(shè)的保護閾值時，系統(tǒng)除進行報警外，還具備機組振擺保護功能，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先組態(tài)的保護邏輯，輸出機組振擺保護停機信號，實現(xiàn)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(qū)域，保障水輪發(fā)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(jiān)測機組運行狀態(tài)，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(shù)先進的PowerPC芯片，該芯片不僅具有高可靠性等優(yōu)點，還具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器，可最大限度提高網(wǎng)絡(luò)處理能力；操作系統(tǒng)采用了實時Linux系統(tǒng)，通過系統(tǒng)裁剪及定制外設(shè)驅(qū)動來最大限度提高外設(shè)響應(yīng)，更好地滿足系統(tǒng)性能要求；為滿足多路數(shù)據(jù)采集要求，選用了具有高速數(shù)據(jù)采集與運算處理能力的FPGA芯片；為方便用戶查看及數(shù)據(jù)對比分析，裝置提供了GUI顯示界面。

1.1 總體設(shè)計原則

具有豐富的外設(shè)通訊接口，方便后續(xù)擴展；系統(tǒng)執(zhí)行策略盡可能簡單，避免信號的過度交互；系統(tǒng)實現(xiàn)對機組振擺特征值實時監(jiān)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(guān)發(fā)電設(shè)備保護技術(shù)和原則，振擺保護裝置中各電路盡可能單獨設(shè)置。

1.2 系統(tǒng)功能

裝置所有的通道能同步采樣，支持整周期采樣、連續(xù)采樣、召喚采樣方式；裝置具有通道數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲、時間順序記錄和追憶查詢功能，支持72 h波形數(shù)據(jù)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(xiàn)參數(shù)查詢、設(shè)置等操作；裝置具有自診斷與自恢復(fù)功能。

1.3 技術(shù)參數(shù)

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(huán)境溫度為-40℃～70℃；轉(zhuǎn)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram

2 硬件設(shè)計

采用模塊化設(shè)計方法，這樣有利于模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于提高模塊可靠性及復(fù)用性，也可以根據(jù)現(xiàn)場需求配置不同的模塊，避免了外設(shè)冗余。為統(tǒng)一數(shù)據(jù)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(wù)器使用標準以太網(wǎng)接口進行通信，主要模塊框圖如圖2所示。

Web服務(wù)器裝置與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)上位機通過以太網(wǎng)接口進行通信，接口速率10/100 M自適應(yīng)。

主控CPU模件采用高性能PowerPC并搭載FPGA數(shù)據(jù)采集與處理芯片，采用雙端口RAM進行內(nèi)部高速數(shù)據(jù)交換。

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

開關(guān)量模塊使用DSP芯片進行數(shù)據(jù)采集，用于把來自電渦流傳感器的鍵相信號轉(zhuǎn)換為CPU可以處理的數(shù)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(shè)計

為提高系統(tǒng)整體性能及裝置可擴展性，裝置軟件部分開發(fā)進行了以下選擇。操作系統(tǒng)在通用Linux系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行定制開發(fā)，既利用了Linux系統(tǒng)豐富的外設(shè)支持能力，也提高了系統(tǒng)實時響應(yīng)能力，很好地滿足了豐富外設(shè)及快速響應(yīng)的系統(tǒng)要求；為了應(yīng)用程序的健壯性、穩(wěn)定性，嵌入式應(yīng)用軟件采用易于移植的C語言進行開發(fā)；Web服務(wù)器部分采用Java語言進行服務(wù)端開發(fā)；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(fā)。裝置軟件設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of software

3.1 裝置系統(tǒng)設(shè)計

提高系統(tǒng)實時性為滿足裝置對高速信號的響應(yīng)能力，優(yōu)化Linux中斷響應(yīng)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(tǒng)一內(nèi)核方式提供。

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

雙口RAM為提高數(shù)據(jù)交換能力，F(xiàn)PGA與CPU之間的采用高速雙口RAM進行數(shù)據(jù)交換，該部分功能以統(tǒng)一內(nèi)核方式提供。

3.2 應(yīng)用軟件設(shè)計

應(yīng)用軟件采用多進程多線程架構(gòu)，每一種外設(shè)對應(yīng)一個單獨進程，當進程中需進行多種獨立數(shù)據(jù)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(nèi)置的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)共享。

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

Web服務(wù)進程裝置與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)上位機通過標準以太網(wǎng)接口進行通信，采用IEC61850-MMS通信協(xié)議。

VGA顯示進程使用MiniGUI圖形庫進行設(shè)計開發(fā)，具有當前數(shù)據(jù)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(shè)的訪問與處理進程。

CAN接口進程主要負責裝置CAN網(wǎng)數(shù)據(jù)訪問與處理進程。

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

4 結(jié)語

水電機組狀態(tài)監(jiān)測綜合分析系統(tǒng)以狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)，將本地和遠程監(jiān)測相結(jié)合，通過完善和可靠的狀態(tài)監(jiān)測軟件，以及強大實用的數(shù)據(jù)分析工具，為水電廠的設(shè)備狀態(tài)檢修提供一個高效、智能化的運行狀態(tài)評價平臺。

本次研究開發(fā)的振動擺度在線監(jiān)測裝置適用于水電機組振動狀態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)充分利用了Power-PC功能接口豐富、網(wǎng)絡(luò)處理能力強、芯片集成度高的特點，使得整套系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，可維護性，可擴展性好。系統(tǒng)在使用中運行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)測量及上報準確，報警輸出合理，滿足監(jiān)測水電機組振動參數(shù)的各項要求，對提高水輪發(fā)電機組的檢修質(zhì)量、實現(xiàn)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(jiān)測及振擺保護系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2013，37（3）：20-23.

[2]劉剛，劉旸，李江華.水電機組狀態(tài)監(jiān)測現(xiàn)狀及發(fā)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(fā)電機組的振動、擺度測量及在線診斷探討[J].四川水力發(fā)電，2002，21（2）：29-32.

[4]潘羅平，周葉，唐澍，等.水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].水電站機電技術(shù)，2008，31（6）：1-7.

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