SPU2100产品结构与技术优势
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。
1.4 SPU2100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。
2 15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2
2.3 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。
实时系统平台软件结构图
第三章产品技术参数及功能3.1 电气参数（技术指标）
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》
GBT 15468 《水轮机基本技术条件》
DL_T_507 《水轮发电机组启动试验规程》
GBT 11348.5 《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》
GBT 6075.5-2002《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》、GBT 15468《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) 测量机组振动，其值不应超过表41的规定，如果机组的振动超过表
41的规定值，应进行动平衡试验；
f) 测量发电机残压及相序，相序应正确；
g) 清扫滑环表面。
表41 水轮发电机组各部位振动允许值单位：毫米
表33 机组轴线的允许摆度值(双振幅)
（2）符合GBT 11348.5《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》要求，具体引用如下：
A2.1 运行限值
为了长期运行，通常的做法是确定振动限值，这些限值的形式如下:
报警值:警示振动已经达到规定值，或者发生了重大的变化，这时可能需要采取补救措施。出现报警后，机组还可以继续运行一段时间，以便查明振
动改变的原因并确定补救措施。
停机值:超过这个规定振动值继续运行会导致机器损坏。如果振动超过停机值，应该立刻采取措施，以降低振动或者立刻停机。考虑到支撑刚度和动载荷的差别，对不同的测量位置和方向可以规定不同的运行限值。
A2.2 报警值的设定
对于不同的机器，报警值可以有很大的变化。通常是相对于基线值来设定报警值。此基线值是根据特定机器侧量的经验而确定的。推荐设置的报警值应该比基线值高某一数值，此数值相当于区域B上限值的25%，如果基线值较低，报警值可能在区域c以下在没有基线值的情况，例如新机组，初始报警值的设置应根据同类机器的经验或者商定的验收值。运行一段时间后，建立起稳定状态下的基线值后，再相应地调整报警值。不论何种情况，报警值不能超出区域B上限的1.25倍。如果稳态的基线值改变了(如大修后)，报警值设定需要相应的修改。对于同一台机器，考虑到支撑刚度和动载荷的不同，在不同的测量位置和方向可以规定不同的报警值。A2.3 停机值的设定
停机值与机器的机械完整性有关，并且取决于某些特定的设计性能，这个性能指机器能够经受非常规动载荷的能力。所以，对于类似设计的所有机器，这个值一般是相同的，而且通常与用来设定报警值的稳定状态下的基线值无关。然而，对于不同设计的机器，停机值是不一样的，而且不可能给出设定绝对停机值的确切准则。一般来说，停机值将落在区域c 或区域n内，但是它不能超出区域c上限的1.25倍.
A2.4 特殊运行工况
当机器在正常负荷范围以外运行和在瞬态工况运行时，报警和停机功能必须被解除。如果在这些工况运行期间机器也要监测，必须按机器试运转时可接受的最大振动值选择第二组报警值和停机值。
（3）符合GBT 6075.5-2002《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》要求，具体引用如下：
5.5 运行限值
5.5概述
为了长期运行，通常的做法是确定振动限值。这些限值的形式如下:
报警值:警示振动已经达到规定值，或者发生了重大的变化，这时可能需要采取补救措施。出现报警情况后，机组还可以继续运行一段时间，以便查明振动改变的原因并确定补救措施。
停机值:超过这个规定振动值继续运行会导致机器损坏。如果振动超过停机值，应该立刻采取措施以降低振动或者立刻停机考虑到支承刚度和动载荷的差别，对不同的测量位置和方向可以规定不同的运行限值。
5. 5.2 报警值的设定
对于不同的机器，报警值可以有很大的变化。通常是相对于基线值来设
定报警值。此基线值是根据特定机器测量的经验而确定的。推荐置的报警值应该比基线值高某一数值，此数值相当于区域B上限值的25%。如果基线值较低，报警值可能在区域C以下。
在没有基线值的情况，例如新机组，初始报警值的设置应根据同类机器的经验或者商定的验收值。运行一段时间后，建立起稳定状态下的基线值后，再相应地调整报警值。不论何种情况，报警值不能超过区域B上限(这个上限值在表A1至表A4中定义为B/C)的1.25倍。如果稳态的基线值改变了(如大修后)，报警值设定也需要相应的修改。对于同一台机器，考虑到支撑刚度和动载荷的不同，在不同的测量位置和方向可以规定不同的报警值。
5.5.3 停机值的设定
停机值与机器的机械完整性有关，并且取决于某些特定的设计性能，这个性能是指机能够经受非常规的动载荷的能力。所以，对类似设计的所有机器，这个值一般是相同的，而且通常与用来设定报警值的稳定状态下的基线值无关。然而，对于不同设计的机器，停机值是不一样的，而且不可能给出设定绝对停机值的确切准则。一般来说，停机值将落在区域C或区域D内，但是它不能超出区域C上限值(这个上限值在表A1至表A4中定义为C/D)的
1.25倍。
5.5.4 特殊运行工况
当机组在正常负荷范围以外运行或在瞬态工况运行时，报警和停机功能必须被解除。如果在这些工况运行期间机器也要监测，必须按照机器试运转时可接受的最大振动值选择第二组报警值和停机值。
（4）参照机组在台机组从0转速至100%Ne转速、机组穿越振动区、机组甩负荷过程的实测振动摆度数据。
第四章产品技术优势
4.1 系统硬件优势
4.1.1 高集成度硬件平台，无插拔结构，免维护设计
系统由高集成度的硬件系统组成，省去了很多系统的插拔结构，避免了系统因长期处于振动环境，结构松动，导致系统瘫痪。免维护设计，更适合无人值守的电厂
4.1.2 稳定可靠的软件平台系统
系统采用LINUX系统作为软件平台，该系统稳定可靠，适合工业现场使用。
4.1.3 1U系统结构，节省空间
系统采用标准的1u高度，19寸机架结构，占用空间小，适合单机组多系统平台组合模式。
4.1.4 无风扇、低功耗设计
系统采用低功耗设计，整体系统功耗低于12w，使用温度范围为-20℃-55℃，适合高温工业环境使用。
4.1.5 高速、高精度采样设计
系统采用16位AD芯片，单通道采样速度可达200khz，满足水电站所有监测的采集。
4.1.6 继电器输出功能
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。
4.1.7 同步输入输出功能
系统设计有同步时钟输入输出功能，可以实现多个保护装置完全同步工作，实现多机组的同步保护报警
4.1.8 高速开关量通道
系统配置有8通道差分开关量高速监测通道，最高速度可达10khz，实现高频信号的信号监测。
4.1.9 单系统多机组报警功能
系统配置的8个开关量通道，每个通道都可以单独配置成为转速通道，可以
实现单系统多转速的功能，配合采样通道的组态分配和报警通道的规则编辑，可以轻松实现单系统多机组的报警监测。
4.1.10 前面板显示和按键功能
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和机组转速，配合按键，可以实现系统的参数现地修改和设定。
4.2 软件算法优势
（1）振动保护信号采用速度型传感器直接输出的速度信号，而不是经过积分后的位移信号，避免由于传感器在横向冲击干扰下，经过积分计算带来的误差而引起误报警保护事件；
（2）报警策略可根据需要灵活配置，既可选择振动、摆度单通道信号报警，也可选择多通道联合报警策略，既能提高报警的准确度，降低误报率，还能保证在部分传感器测点失效情况不影响报警保护功能。
（3）对报警参数的设定也可根据机组实际运行情况灵活设定。软件提供单周混频值报警、32周混频值报警、1X频率报警、特定频率成分报警、设定频率带报警等多种报警方式。
（4）系统提供对历史数据保存和分析功能，通过对机组运行特性的分析，如受水力因素的影响等，根据分析结果调整报警策略，提高报警保护准确性，保证机组安全运行。
4.3避免误报、防止漏报报警规则优势
4.3.1 普通报警保护逻辑
（1）单测点报警输出逻辑示例
这种单测点的报警或保护判断逻辑只简单的判断了振动、摆度或其它监测量
是否超标，没有考虑信号的干扰或其它因素造成的测值超标，容易误报和误动。（2）多测点报警输出逻辑示例
这种报警策略可以有效避免一个测点出现干扰或异常时造成的误报和误动，但却可能造成单个测值确实严重超标时的漏报和漏动，并且也不能很好排除多个测点同时超标时出现的误报和误动。
（3）单测点或多测点延时报警保护输出逻辑示例
这种报警策略对测值超标做了一定延时，只有在设定的时间内，被选测值一直超标，才发出相应的报警和保护信号，这样较好的避免了一些干扰和偶然因素对报警保护造成的误判。
由于机组运行工况比较复杂，这种使用单一越线值报警规则无法满足全工况
的报警保护需求。即如果设定值偏小，机组在不稳定负荷区时肯定会发出报警甚至保护，无益于值班维护人员的管理和机组稳定运行，如果设定值偏大，机组在稳定复合区运行时，即使出现了异常也可能不会报警或保护使其本身的存在失去意义。
（4）带工况参数的延时报警保护规则输出逻辑示例
这种报警保护策略较好的解决了测值设置单一问题，即机组运行在稳定工况按正常报警保护值设置，而在不稳定工况时可适当放大报警保护值（具体设置可参考相关标准和机组实际运行测值）。
4.3.2 SPU2100独有防误报逻辑
普通报警保护逻辑已相对成熟，但是仍然没有完全解决误报的可能性，这是由于现有的传感器或测量系统可能会出现一种持续的不稳定状态，如下图采集到的真实信号：
工况条件（可选）上导摆度
X 超标停机告警延时T5TON
上导摆度保护
AND
计算机监控
系统LCU
上导摆度Y 超标
工况条件（可选）上机架水平振动X 超标停机告警延时T6TON
上机架水平振
动保护
AND
计算机监控系统LCU
上机架水平振动Y 超标