丁志宇 ，柳海鵬 ，徐方明 ，閆 麗 ，楊 燁

（1.南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)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(jī)組是水電廠的關(guān)鍵設(shè)備，運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響水電廠的運(yùn)行安全。同時(shí)，隨著水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，對(duì)機(jī)組的檢修、維護(hù)、運(yùn)行、管理提出了更高的要求，實(shí)施水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀況的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)機(jī)組故障進(jìn)行及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、原因分析，對(duì)于大中型水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行具有重要的意義。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，水電機(jī)組80%的故障都可以在振動(dòng)信號(hào)中體現(xiàn)[1]，振動(dòng)擺度在線檢測(cè)裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，指導(dǎo)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，為機(jī)組的避振運(yùn)行提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。另一方面，隨著現(xiàn)代監(jiān)測(cè)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(guò)去的以時(shí)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(cè)為基礎(chǔ)的“預(yù)測(cè)性維修”方式過(guò)渡，正逐漸向著無(wú)人值班、少人值守的管理模式發(fā)展[2]。

水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中，由于受到機(jī)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(dòng)是不可避免的，擺度和振動(dòng)的參量是反映水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，同時(shí)，異常的擺度和振動(dòng)也是影響機(jī)組壽命的重要原因之一。因此，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)異常的擺度和振動(dòng)[3]進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重要的意義。

本水電機(jī)組振動(dòng)擺度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)組的主軸擺度、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、軸向位移、壓力脈動(dòng)等機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)、有功、無(wú)功率等機(jī)組相關(guān)工況參數(shù)及過(guò)程量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、分析和診斷，及時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)故障早期征兆，避免嚴(yán)重事故的發(fā)生，并為優(yōu)化運(yùn)行、檢修指導(dǎo)和實(shí)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(dāng)機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)的保護(hù)閾值時(shí)，系統(tǒng)除進(jìn)行報(bào)警外，還具備機(jī)組振擺保護(hù)功能，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先組態(tài)的保護(hù)邏輯，輸出機(jī)組振擺保護(hù)停機(jī)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組振擺保護(hù)自動(dòng)停機(jī)功能，防止機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在非安全區(qū)域，保障水輪發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

1 總體方案

振動(dòng)擺度裝置主要功能是能及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，保障機(jī)組安全運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組振擺超限時(shí)，具有自動(dòng)停機(jī)保護(hù)功能。為更好地滿足裝置對(duì)精確度、實(shí)時(shí)性及吞吐量的要求，主CPU采用了整合度高以及技術(shù)先進(jìn)的PowerPC芯片，該芯片不僅具有高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)裁剪及定制外設(shè)驅(qū)動(dòng)來(lái)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(yùn)算處理能力的FPGA芯片；為方便用戶查看及數(shù)據(jù)對(duì)比分析，裝置提供了GUI顯示界面。

1.1 總體設(shè)計(jì)原則

具有豐富的外設(shè)通訊接口，方便后續(xù)擴(kuò)展；系統(tǒng)執(zhí)行策略盡可能簡(jiǎn)單，避免信號(hào)的過(guò)度交互；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組振擺特征值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，超標(biāo)報(bào)警或延時(shí)后跳閘停機(jī)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(hù)技術(shù)和原則，振擺保護(hù)裝置中各電路盡可能單獨(dú)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(jì)算、越限停機(jī)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(chǔ)、時(shí)間順序記錄和追憶查詢功能，支持72 h波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；裝置具有各通道實(shí)時(shí)波形、頻譜顯示功能；裝置具有越限報(bào)警及繼電器動(dòng)作提示等，可實(shí)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(cè)量范圍6 r/min～3900 r/min；采樣頻率≤1785 Hz；測(cè)量精度，+0.01 mm；測(cè)點(diǎn)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(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)方法，這樣有利于模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于提高模塊可靠性及復(fù)用性，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行通信，CPU模塊與Web服務(wù)器使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口進(jìn)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(cè)系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口進(jìn)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(jìn)行內(nèi)部高速數(shù)據(jù)交換。

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

開(kāi)關(guān)量模塊使用DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用于把來(lái)自電渦流傳感器的鍵相信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU可以處理的數(shù)字脈沖信號(hào)。

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

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

3 軟件設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)整體性能及裝置可擴(kuò)展性，裝置軟件部分開(kāi)發(fā)進(jìn)行了以下選擇。操作系統(tǒng)在通用Linux系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行定制開(kāi)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(shí)時(shí)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(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)；Web服務(wù)器部分采用Java語(yǔ)言進(jìn)行服務(wù)端開(kāi)發(fā)；在裝置圖形界面上選擇了輕量級(jí)、高性能、高可靠性及可配置的MiniGUI圖形庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。裝置軟件設(shè)計(jì)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(jì)

提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性為滿足裝置對(duì)高速信號(hào)的響應(yīng)能力，優(yōu)化Linux中斷響應(yīng)部分代碼，把Linux的軟實(shí)時(shí)修改為硬實(shí)時(shí)。

擴(kuò)展VGA接口為使裝置提供圖形接口，使用LocalBus擴(kuò)展了S1D13513芯片，該部分功能以統(tǒng)一內(nèi)核方式提供。

B碼對(duì)時(shí)功能在接收到外部對(duì)時(shí)信號(hào)時(shí)，內(nèi)核直接修改系統(tǒng)時(shí)間，達(dá)到多裝置對(duì)時(shí)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(jìn)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(jì)

應(yīng)用軟件采用多進(jìn)程多線程架構(gòu)，每一種外設(shè)對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)進(jìn)程，當(dāng)進(jìn)程中需進(jìn)行多種獨(dú)立數(shù)據(jù)處理時(shí)再分單獨(dú)線程進(jìn)行處理，所有需要交互的信息通過(guò)內(nèi)置的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

管理進(jìn)程該進(jìn)程負(fù)責(zé)管理其它運(yùn)行進(jìn)程，當(dāng)某一被監(jiān)控進(jìn)程出現(xiàn)故障次數(shù)超限時(shí)，負(fù)責(zé)重啟該故障進(jìn)程等活動(dòng)。

Web服務(wù)進(jìn)程裝置與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口進(jìn)行通信，采用IEC61850-MMS通信協(xié)議。

VGA顯示進(jìn)程使用MiniGUI圖形庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，具有當(dāng)前數(shù)據(jù)的柱狀圖、時(shí)域波形圖、幅頻特性圖等多種顯示方式。

COM接口進(jìn)程主要負(fù)責(zé)裝置串口外設(shè)的訪問(wèn)與處理進(jìn)程。

CAN接口進(jìn)程主要負(fù)責(zé)裝置CAN網(wǎng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)與處理進(jìn)程。

SD存儲(chǔ)進(jìn)程裝置具有連續(xù)保存72 h不間斷數(shù)據(jù)的功能，該進(jìn)程主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)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(yǔ)

水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)綜合分析系統(tǒng)以狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，將本地和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)相結(jié)合，通過(guò)完善和可靠的狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，以及強(qiáng)大實(shí)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(gè)高效、智能化的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)平臺(tái)。

本次研究開(kāi)發(fā)的振動(dòng)擺度在線監(jiān)測(cè)裝置適用于水電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，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(qiáng)、芯片集成度高的特點(diǎn)，使得整套系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，可維護(hù)性，可擴(kuò)展性好。系統(tǒng)在使用中運(yùn)行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)測(cè)量及上報(bào)準(zhǔn)確，報(bào)警輸出合理，滿足監(jiān)測(cè)水電機(jī)組振動(dòng)參數(shù)的各項(xiàng)要求，對(duì)提高水輪發(fā)電機(jī)組的檢修質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全運(yùn)行及延長(zhǎng)機(jī)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(jī)組在線監(jiān)測(cè)及振擺保護(hù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2013，37（3）：20-23.

[2]劉剛，劉旸，李江華.水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2014，12（3）：300-305.

[3]申健.水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)、擺度測(cè)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(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2008，31（6）：1-7.

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