隨著電網(wǎng)規(guī)模及能源增長(zhǎng)，對(duì)水電技術(shù)的發(fā)展提出更高的安全性和穩(wěn)定性要求。水電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行中容易產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)和擺度，導(dǎo)致機(jī)組的機(jī)架、軸系出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的機(jī)械損傷，甚至導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生安全事故。運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題在大、中型水輪發(fā)電機(jī)組中均不同程度地存在。

水輪發(fā)電機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的振動(dòng)和擺動(dòng)是因其固有的機(jī)械特征。如果在生產(chǎn)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)振動(dòng)和擺動(dòng)過(guò)限，就能及時(shí)預(yù)警和糾正，防止可能出現(xiàn)的安全事故，減小對(duì)生產(chǎn)和工作影響，這對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

1 水輪機(jī)振動(dòng)

水輪機(jī)機(jī)組在正常工作過(guò)程中會(huì)受到機(jī)械、水力和電磁3種力作用的影響，產(chǎn)生3種振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)是轉(zhuǎn)子軸線沒(méi)有與基準(zhǔn)面保持垂直、轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)靜態(tài)不平衡等原因造成的，引起的是周期性振動(dòng)，主要表現(xiàn)在主軸軸線不正而引起的機(jī)械振動(dòng)。

水力振動(dòng)是由于流道設(shè)計(jì)不合理、過(guò)流部件表面粗糙及機(jī)組運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)工況等原因，使流場(chǎng)中出現(xiàn)不良渦流引起的周期性振動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)包括了二次流振動(dòng)和空化空蝕振動(dòng)等。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生的電磁振動(dòng)有兩種類型，即轉(zhuǎn)頻或者極頻。

電磁振動(dòng)的原因主要是水輪機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的，在機(jī)組轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行時(shí)引起機(jī)組振動(dòng)。在水輪機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，水輪機(jī)中產(chǎn)生的各種振動(dòng)相互之間會(huì)產(chǎn)生影響。而且，這3種振動(dòng)在相同水力下也會(huì)表現(xiàn)出不同的振動(dòng)情況，對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)生的影響也各不相同。

2 水輪機(jī)組特征信號(hào)采集及處理

2.1 水輪機(jī)組振動(dòng)及擺度信號(hào)采集

在水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于水輪機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜程度較高，需要保證水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，所以在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程穩(wěn)定性的研究中，首先需要采集到足夠的特征信號(hào)。大型水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械穩(wěn)定的特征信號(hào)包括機(jī)組振動(dòng)、主軸擺動(dòng)值、抬機(jī)量、機(jī)組鍵相、進(jìn)出口壓力、壓差、軸心軌跡等。

工程上將機(jī)組固定部件在平衡位置的擺動(dòng)稱為振動(dòng)，反映機(jī)組穩(wěn)定性的振動(dòng)特征量有：①上機(jī)架的X軸和Y軸水平振動(dòng)、垂直振動(dòng)；②定子機(jī)座兩個(gè)軸上的徑向運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)；③端蓋上的水平運(yùn)動(dòng)和鐵心上的徑向運(yùn)動(dòng)和切向運(yùn)動(dòng)。

工程上對(duì)水輪機(jī)組的運(yùn)動(dòng)過(guò)程有規(guī)定的稱謂，一般將機(jī)組在平衡位置的擺動(dòng)叫做擺度，它主要是用來(lái)反映機(jī)組在X軸和Y軸的特征量。抬機(jī)量是指在運(yùn)行過(guò)程中機(jī)組沿主軸豎直方向的上下移動(dòng)。水力壓力脈動(dòng)容易使水輪機(jī)振動(dòng)加劇，為此需監(jiān)測(cè)尾水進(jìn)出口壓力和蝸殼壓差來(lái)反映蝸殼內(nèi)水流流動(dòng)。

目前，在機(jī)組監(jiān)測(cè)中傳感器的運(yùn)用范圍較廣，主要是針對(duì)機(jī)械振動(dòng)中加速度和振動(dòng)的監(jiān)測(cè)。對(duì)于主軸的監(jiān)測(cè)，一般采用的是電渦流和電容式的傳感器。合理的布置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)是采集特征信號(hào)的關(guān)鍵，一方面應(yīng)保證數(shù)據(jù)的有效性，另一方面要避免數(shù)據(jù)冗余。

2.2 信號(hào)處理

由于水電機(jī)組是一個(gè)集成機(jī)械和電氣特性的復(fù)雜系統(tǒng)，且機(jī)組空間中存在著強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)耦合現(xiàn)象，在通過(guò)傳感器采集的信號(hào)中往往含有各種干擾，因此對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波意義重大。本文在上位機(jī)中基于Matlab采用二階高斯濾波對(duì)采集振動(dòng)及擺度信號(hào)進(jìn)行濾波。

通常要求水電機(jī)組在額定工況下運(yùn)行，各狀態(tài)量所采集的信號(hào)接近周期性函數(shù)，并且具有比較固定的頻率。對(duì)這些采集的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換（fast Fourier transform, FFT），可以分析出頻譜圖，從而獲得關(guān)于機(jī)組穩(wěn)定性的重要信息。

利用Matlab中的“DFT”函數(shù)，可對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)、擺度信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析，將離散的信號(hào)繪制成頻譜圖，從而獲得引起該信號(hào)的主頻及振動(dòng)幅值。通過(guò)采用消除和限制主頻頻率、減小主頻信號(hào)的幅值等方法，來(lái)改善振動(dòng)和擺度，有利于提高水電機(jī)組的機(jī)械穩(wěn)定性，對(duì)水電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳感器選型和布置

在水輪發(fā)電機(jī)組中共裝置8個(gè)傳感器，監(jiān)測(cè)振動(dòng)和擺度信號(hào)的傳感器各有4個(gè)，其中：①將監(jiān)測(cè)振動(dòng)的4個(gè)傳感器分別裝設(shè)在上機(jī)架的兩側(cè)，采集上機(jī)架水平方向振動(dòng)的數(shù)據(jù)為X向和Y向，采集上機(jī)架垂直方向振動(dòng)的數(shù)據(jù)為X向和Y向；②將監(jiān)測(cè)擺度的4個(gè)傳感器裝設(shè)在上導(dǎo)和水導(dǎo)附近，采集上導(dǎo)軸承擺度的數(shù)據(jù)為X向和Y向，采集水導(dǎo)軸承擺度的數(shù)據(jù)為X向和Y向。傳感器布置如圖1所示。

圖1 傳感器布置圖

3.2 系統(tǒng)硬件搭建

在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，將硬件搭建分為3層。第1層為傳感器，作用是采集數(shù)據(jù)。第2層為可編程控制器（programmable logic controller, PLC），PLC沒(méi)有模擬量處理功能，添加EM231I和EM231II兩個(gè)模擬量采集模塊的作用是采集模擬量。

將傳感器采集的振動(dòng)值通過(guò)模擬量采集模塊送入PLC，PLC再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工程值送入第3層。第3層為基站，由主機(jī)MIN、可以編程的工程師站、只能讀取數(shù)據(jù)的操作員站組成，在本設(shè)計(jì)中不考慮廣域網(wǎng)。由于PLC沒(méi)有儲(chǔ)存器，所以需要將數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線（profibus）傳送到基站中，基站再按照主機(jī)、工程師站、操作員站的順序讀取數(shù)據(jù)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)圖

4 程序設(shè)計(jì)

使用軟件Step-Microwin在PLC/S7-315C中寫入用戶程序，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中，將傳感器測(cè)量采集的數(shù)據(jù)分別送入PLC中，PLC再將采集到信號(hào)進(jìn)行工程值轉(zhuǎn)換，并上傳至主機(jī)中，在主機(jī)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波及快速傅里葉換算，獲得機(jī)組振動(dòng)及擺度特征參數(shù)，對(duì)該特征參數(shù)及工程值進(jìn)行保存以供歷史查詢，同時(shí)將特征參數(shù)顯示在工程師站及操作員站中。若PLC發(fā)現(xiàn)振動(dòng)及擺度的監(jiān)測(cè)數(shù)值過(guò)限，則輸出報(bào)警，并將報(bào)警信息上傳至主機(jī)中。該系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)論

本文針對(duì)大型水電機(jī)組運(yùn)行中振動(dòng)和擺度過(guò)大引起的穩(wěn)定性問(wèn)題，提出基于PLC的3層監(jiān)控系統(tǒng)，底層傳感器采集信號(hào)上傳至PLC中，PLC對(duì)信號(hào)進(jìn)行工程值轉(zhuǎn)換及過(guò)限報(bào)警，PLC將工程值通信至上位機(jī)層，上位機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波及快速傅里葉分析，保存并顯示。

整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水電機(jī)組振動(dòng)、擺度等信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使運(yùn)行和維護(hù)人員及時(shí)了解機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，以保證水電廠的安全可靠運(yùn)行。