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第一章水电机组振摆保护综述1.1水电机组振摆保护概念水电机组振摆保护的概念一般认为是从石化、汽轮机组等高速旋转机械设备的监测演变而来的，并直接运用到水轮机组上。这也是业界的普遍认识，但是水轮机组振动摆度的信号特点与石化、汽轮机组有明显不同，它的信号主要分布在低频和超低频上，同时水机振动的表现形式和危害也和一般意义上的监测设备不一样，所以水机的振摆保护和汽轮机的振摆保护有本质的不同。水机振摆保护之所以比较难做，主要是因为要做好振摆系统，必须懂得水机振动机理，但是水机振动诱发原因很多，如果采用单一峰峰值或均值报警很可能导致保护的误动作，造成电厂的损失，所以此类保护装置的设计比传统的保护装置要复杂的多，远不是一个振摆测试仪表就能解决问题的。就水机振摆保护而言，除了一般保护装置所具备的功能以外，还要能够“智能”区分出，什么是危害的振动、什么是因为外界干扰所带来的测量误差。这是水轮机组在线监测发展到高端应用时，在新的领域使用的产品。水电机组振摆检测保护系统的应用不仅是保证水电机组安全稳定运行、提高经济效益的一项重要技术措施，也是指导水电机组的科学维护、逐步从定期检修向状态检修过渡，真正实现无人值班的重要技术支持手段之一，对我国水电产业的健康发展具有重大意义。1.2用户对振摆保护的需求从状态监测行业发展来看，大型、复杂的系统并不适应于电厂生产单位使用，各个厂商都在不停的增加系统功能，将状态监测系统变成一个维护复杂且容易出故障的系统。我们认为，对于电厂用户来说，适应的产品应该有如下的特点：设备小型化结构简单部署方便容易理解运行稳定可靠作为具有上述特点的设备，振摆保护装置符合电厂用户的基本需求，同时作为保护装置，应该能够正确执行保护动作，在保护装置动作后，应能够得到保护装置动作前后设备运行的状态。由于水电振动摆度装置和汽轮机组等振动摆度的巨大差异，水机振摆装置的动作、报警的设置应符合水机本身运行现实情况而不是采用一种通用的设置。1.3水电机组振摆保护装置现状水电厂运行的保护装置多种多样，如电气保护、机械过速保护等，目前水机设备振动保护应用远没有普及，主要的原因是水机保护装置的稳定性、适用性和频繁误动制约了水电机组保护装置发展。1.4SPU2100水电机组振摆保护介绍基于上述问题，北京奥技异公司根据自己十几年的从业经验和深厚的研发技术，开发了SPU2100振动摆度保护装置，它是一种小型化、安装方便、结构简单的新型设备，设备采用了稳定的电气结构和高效的实时操作系统。单机具有16个报警输出接点、8个开关量输入、24路模拟量输入，同时为保证系统端口的扩展，可以通过设备级联形成网络化的保护装置，并在内部实现了数据的硬同步。装置的数据处理是产品的重要亮点，由于设备的系统采用了高效的实时系统，可以对数据进行限波、滤波、去除超低频干扰计算，而不影响系统运行效率，保证了数据的时效性。保护装置的报警输出算法是区别其他保护装置的另一亮点，它结合了水机振动特点，综合考虑了水机工况和低频振动特征进行报警规则设定，是专门为水机所研发的保护装置。SPU2100振动摆度保护装置，还具备网络功能，可以传输实时波形，作为结构开放的系统，可以和其他系统集成。设备的保护功能并没有摒弃状态监测功能，对于保护装置只要开启网络功能，配合相关的软件服务系统就是一个状态监测系统的采集单元，这种设计可以为用户以后升级节约资金。第二章产品结构2.1系统设计目标SPU2100机组振动摆度保护系统以实现水电机组报警保护功能为设计目标，完善水电机组的在线监测系统，组建水电站的智能化系统。该系统能够通过高速采集通道，实时监测机组的振动、摆度和工况等机组运行状态关键特征量，通过专业报警算法进行数据筛选和提取，结合复杂逻辑的联合报警规则，进行机组运行状态报警，并记录报警时刻段内的实时数据，作为报警状态分析的依据。系统采用先进的硬件系统平台，结合稳定的软件平台以及专业的算法核心，能够做到监测实时性高、状态判断准确、报警及时。完善的逻辑报警保护规则可以避免系统的误报警和误保护。2.2硬件体系结构SPU2100机组振动摆度保护系统按机组单元设置，一台机组需配置1～2套振摆保护装置，具体套数根据实际监测保护测点数目而定。每台机单独配置一面盘柜，每套装置的主要设备包括：（1）前端传感元件，包括振动传感器、摆度传感器、转速传感器等一次测量元件。（2）现地振动摆度保护盘，由振摆监测报警保护装置、传感器电源箱、人机界面（可选）、交直流双供电的逆变电源装置、网络交换机、鼠标键盘等设备组成。根据招标文件要求，结合我方经验我方设计的振摆保护系统结构如下：机组振摆保护系统网络拓扑图现地采集显示层现地传感器层监控系统现地LCU#1机振摆保护控制柜端子箱传感器报警及停机信号保护动作信号上传至集控中心集控中心通讯机监控系统现地LCU#n机振摆保护控制柜端子箱传感器报警及停机信号保护动作信号上传至集控中心…………监控系统现地LCU#2机振摆保护控制柜端子箱传感器报警及停机信号机组振动摆度保护盘由柜体、电源模块、主机、数据采集装置、与传感器一一对应的数据采集模块、触摸按键面板、液晶显示器、接线端子等组成。该盘柜的实物示意图如下（仅为示意）：其中相关设备如下：序号名称单机数量备注1标准工业机柜柜体（2260*800*800）1台含端子排等附件,盘柜实际数量应根据配置的采集预处理单元的多少确定。215寸触摸式平板电脑（含键盘鼠标）1台（可选）3传感器电源箱1台4机组振摆保护采集装置（包括所有监测模块）2台5输出模块及出口继电器1套含在采集箱中6交直流双供逆变电源1套SPU2100振摆保护装置1交直流逆变电源传感器电源箱工业平板电脑SPU2100振摆保护装置22.3软件体系结构SPU2100软件体系结构分为：底层硬件平台软件结构和实时系统平台软件结构。其中，底层硬件平台软件结构主要为采样控制和数据整合功能，FPGA逻辑控制核心，负责整个硬件平台的逻辑控制和数据流向；DSP处理核心，负责硬件平台的数据提取和整合。所有整合好的标准格式数据通过桥接芯片送到实时系统平台，进入核心算法处理流程。底层硬件平台软件结构示意图底层硬件整合好的数据，进入实时系统平台，首先会进入双缓存模块，数据被分层、分时处理，防止数据的丢失和重叠，经该环节顺序提取的数据进入核心算法环节，此环节为整个实时系统平台软件的核心，包含多种报警算法以及复杂的联合报警逻辑规则，经算法处理后的数据分为三组，分别进入显示部分、报警输出部分和网络部分。传感器DSPFPGA采集通道AD桥芯片驱动实时系统实时系统平台软件结构图数据双缓存模块核心算法报警显示网络第三章产品技术参数及功能3.1电气参数（技术指标）型号SPU2100核心处理器IntelPentiumM内存256M,最大可扩展至1G记录容量80GB（选配）模拟量通道24通道模拟量输入通道信号电压信号-5V～+5V,-10V～+10V,-20V～+20V电流信号0～20mA,4～20mA,-20mA～20mA开关量输入通道最大8路+1路键相开关量输出通道16路无源继电器输出同步信号输入输出实现多机同步连接采样方式全通道同步采样整周期采样采样频率单通道最高200KHz采样形式等相位采样和等时间间隔采样，支持连续无间断采样AD转换精度16Bit滤波器形式6阶抗混滤波器，截止频率20-200KHz可程控调整有效分析频率振动、摆度信号10kHz存储方式振动、摆度、压力脉动监测、空气间隙、磁通量监测、空化噪声监测t,RPM,工况变化,报警状态变化等联合控制存储模式网络接口100MHz以太网，TCP/IP其它通信接口RS232/RS485/RS422，USB通讯规约Modbus等,波特率最高115200bps摆度采集模块测量指标测量精度峰值误差≤1μm；对于转频信号，相位误差小于3度；间隙误差≤0.01V；输入信号电涡流传感器，-20V～+20V或4～20mA振动采集模块测量指标测量精度峰值误差≤1μm；对于转频信号，相位误差小于3度；间隙误差≤0.01V；输入信号速度传感器，-10V～+10V或4～20mA开关量采集模块时间分辨率≤1ms输入信号无源开关信号继电器输出模块输出方式无源开关信号输出接点容量DC220V，2A继电器动作时间≤1ms工作电源220VAC±10%，50Hz±10%功率最大30W抗传感器失稳措施智能冲击检测数字积分器；数字式0.5Hz低阻(高通)滤波器；数字式50Hz限波滤波器；3.2功能简介3.2.1实时显示功能系统前面板带有OLED高分辨显示屏，能够现地显示各监测通道的实时监测值、报警状态和机组转速等信息。3.2.2报警、保护配置功能报警保护系统软件，集成于测点配置软件config.exe，不需安装，可直接运行于Windows操作系统，简单易用，其配置过程如以下显示图形：报警输出通道选择，系统默认16个报警或保护信号输出，配置时根据实际需求配置。选择好报警通道后，根据实际报警规则设置相应工况；如果使用全工况，可不对其进行设置。根据实际报警测点配置报警条件，如报警通道设置、报警保护越线值设置、报警延时设置等。3.2.3报警功能3.2.3.1基本报警保护功能简介一台保护装置标配16通道独立继电器输出功能，能够通过保护软件的组态功能绑定到各个监测通道，实现节点继电器报警输出功能。1）信号的高速采集和精妙的算法确保报警和保护的实时性和准确性。报警保护共分三级，一级报警表示测值信号超标，但还不至于引起机组出现大的稳定性事故，二级报警表示测值信号已比较严重超标，必须加以重视，找出超标原因，否则可能会出现稳定性事故。三级报警（保护）表示测值非常严重超标，如不发出停机令，随时可能出现大的稳定性事故。2）各级动作逻辑准确可靠。各级报警或保护逻辑都可以根据机组实际运行情况进行设置；既可单通道设置报警，也可多通道设置报警；既可以加工况量辅助报警保护判断，也可以全工况报警保护判断；既可以延时报警，也可以实时报警。3）报警保护装置既可单独向监控或保护系统输出信号，也可以同时向监控和保护系统输出信号。信号输出无中间环节，动作迅速可靠。为防止出口继电器误抖动或通信异常导致的信号瞬间跳变，既可让监控或保护系统可根据实际情况做相应时延，也可以让报警保护装置做冗余输出。4）报警保护装置配有液晶显示屏，不仅可以实时显示监测数据，而且可以现地实时显示报警或保护状态，便于使用人员的巡视和操作。3.2.3.2定值整定原则1）定值整定有据可依，原则上参考如下规范标准：GB_T_8564《水轮发电机组安装技术规范》GBT15468《水轮机基本技术条件》DL_T_507《水轮发电机组启动试验规程》GBT11348.5《旋转机械转轴径向振动的测量和评定第5部分：水力发电厂和泵站机组》GBT6075.5-2002《在非旋转部件上测量和评价机组机械振动第5部分水力发电厂和泵站机组》2）以各台机组运行过程中的振摆值、规范值、合同保证值进行分析，以GB/T11348.5、GB/T6075.5两个规范中的相关要求为原则，对各机组的报警值、停机值进行整定。3）时间定值的设定：参照正常开机转速从0至100%Ne时间、穿越振动区时间、甩负荷转速降至100%Ne时间等过程中的的最大值，再加一个合理的时间来确定。2.3.3.3定值整定依据一、机组安装说明书、技术说明、招投标文件、合同所列电厂各台机组振动、摆度设定值值。二、国家、行业有关标准（1）符合GB_T_8564《水轮发电机组安装技术规范》、GBT15468《水轮机基本技术条件》、DL_T_507《水轮发电机组启动试验规程》等国家、行业有关标准，具体如下：15.3机组空载试运行15.3.1机组机械运行检查：a)机组启动过程中，监视各部位，应无异常现象；b)测量并记录上下游水位及在该水头下机组的空载开度；c)观察轴承油面，应处于正常位置，油槽无甩油现象。监视各部位轴承温度，不应有急剧升高现象。运行至温度稳定，其稳定温度不应超过设计规定值；d)测量机组运行摆度(双幅值)，其值应不大于75％的轴承总间隙；e)测量