隨著電網規模及能源增長，對水電技術的發展提出更高的安全性和穩定性要求。水電機組長期運行中容易產生過大的振動和擺度，導致機組的機架、軸系出現不可逆轉的機械損傷，甚至導致機組發生安全事故。運行穩定性問題在大、中型水輪發電機組中均不同程度地存在。

水輪發電機屬于旋轉設備，轉子在運行過程中出現的振動和擺動是因其固有的機械特征。如果在生產過程中及時發現水輪機振動和擺動過限，就能及時預警和糾正，防止可能出現的安全事故，減小對生產和工作影響，這對整個電力系統的穩定運行意義重大。

1 水輪機振動

水輪機機組在正常工作過程中會受到機械、水力和電磁3種力作用的影響，產生3種振動。機械振動是轉子軸線沒有與基準面保持垂直、轉動部件的動靜態不平衡等原因造成的，引起的是周期性振動，主要表現在主軸軸線不正而引起的機械振動。

水力振動是由于流道設計不合理、過流部件表面粗糙及機組運行偏離設計工況等原因，使流場中出現不良渦流引起的周期性振動，這些運動包括了二次流振動和空化空蝕振動等。在機組運轉過程中，產生的電磁振動有兩種類型，即轉頻或者極頻。

電磁振動的原因主要是水輪機組在運轉過程中產生的，在機組轉子高速運行時引起機組振動。在水輪機進行正常運轉的過程中，水輪機中產生的各種振動相互之間會產生影響。而且，這3種振動在相同水力下也會表現出不同的振動情況，對水輪機產生的影響也各不相同。

2 水輪機組特征信號采集及處理

2.1 水輪機組振動及擺度信號采集

在水輪發電機運行過程中，由于水輪機系統的復雜程度較高，需要保證水輪機運轉過程的穩定性，所以在水輪機運轉過程穩定性的研究中，首先需要采集到足夠的特征信號。大型水輪發電機組機械穩定的特征信號包括機組振動、主軸擺動值、抬機量、機組鍵相、進出口壓力、壓差、軸心軌跡等。

工程上將機組固定部件在平衡位置的擺動稱為振動，反映機組穩定性的振動特征量有：①上機架的X軸和Y軸水平振動、垂直振動；②定子機座兩個軸上的徑向運動和軸向運動；③端蓋上的水平運動和鐵心上的徑向運動和切向運動。

工程上對水輪機組的運動過程有規定的稱謂，一般將機組在平衡位置的擺動叫做擺度，它主要是用來反映機組在X軸和Y軸的特征量。抬機量是指在運行過程中機組沿主軸豎直方向的上下移動。水力壓力脈動容易使水輪機振動加劇，為此需監測尾水進出口壓力和蝸殼壓差來反映蝸殼內水流流動。

目前，在機組監測中傳感器的運用范圍較廣，主要是針對機械振動中加速度和振動的監測。對于主軸的監測，一般采用的是電渦流和電容式的傳感器。合理的布置數據采集點是采集特征信號的關鍵，一方面應保證數據的有效性，另一方面要避免數據冗余。

2.2 信號處理

由于水電機組是一個集成機械和電氣特性的復雜系統，且機組空間中存在著強烈的電磁場耦合現象，在通過傳感器采集的信號中往往含有各種干擾，因此對采集到的信號進行濾波意義重大。本文在上位機中基于Matlab采用二階高斯濾波對采集振動及擺度信號進行濾波。

通常要求水電機組在額定工況下運行，各狀態量所采集的信號接近周期性函數，并且具有比較固定的頻率。對這些采集的信號進行傅里葉變換（fast Fourier transform, FFT），可以分析出頻譜圖，從而獲得關于機組穩定性的重要信息。

利用Matlab中的“DFT”函數，可對采集到的振動信號、擺度信號進行傅里葉分析，將離散的信號繪制成頻譜圖，從而獲得引起該信號的主頻及振動幅值。通過采用消除和限制主頻頻率、減小主頻信號的幅值等方法，來改善振動和擺度，有利于提高水電機組的機械穩定性，對水電機組的安全穩定運行具有重要意義。

3 監測系統設計

3.1 傳感器選型和布置

在水輪發電機組中共裝置8個傳感器，監測振動和擺度信號的傳感器各有4個，其中：①將監測振動的4個傳感器分別裝設在上機架的兩側，采集上機架水平方向振動的數據為X向和Y向，采集上機架垂直方向振動的數據為X向和Y向；②將監測擺度的4個傳感器裝設在上導和水導附近，采集上導軸承擺度的數據為X向和Y向，采集水導軸承擺度的數據為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 系統硬件搭建

在本監測系統的設計中，將硬件搭建分為3層。第1層為傳感器，作用是采集數據。第2層為可編程控制器（programmable logic controller, PLC），PLC沒有模擬量處理功能，添加EM231I和EM231II兩個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值通過模擬量采集模塊送入PLC，PLC再將數據轉換成工程值送入第3層。第3層為基站，由主機MIN、可以編程的工程師站、只能讀取數據的操作員站組成，在本設計中不考慮廣域網。由于PLC沒有儲存器，所以需要將數據通過現場總線（profibus）傳送到基站中，基站再按照主機、工程師站、操作員站的順序讀取數據。

圖2 監控系統硬件系統圖

4 程序設計

使用軟件Step-Microwin在PLC/S7-315C中寫入用戶程序，能夠實現模擬量和數字量之間的轉換。在本設計中，將傳感器測量采集的數據分別送入PLC中，PLC再將采集到信號進行工程值轉換，并上傳至主機中，在主機中對信號進行濾波及快速傅里葉換算，獲得機組振動及擺度特征參數，對該特征參數及工程值進行保存以供歷史查詢，同時將特征參數顯示在工程師站及操作員站中。若PLC發現振動及擺度的監測數值過限，則輸出報警，并將報警信息上傳至主機中。該系統流程如圖3所示。

圖3 系統流程圖

5 結論

本文針對大型水電機組運行中振動和擺度過大引起的穩定性問題，提出基于PLC的3層監控系統，底層傳感器采集信號上傳至PLC中，PLC對信號進行工程值轉換及過限報警，PLC將工程值通信至上位機層，上位機對信號進行濾波及快速傅里葉分析，保存并顯示。

整個系統能夠實現對水電機組振動、擺度等信號的實時監測，使運行和維護人員及時了解機組的運行狀態，以保證水電廠的安全可靠運行。