抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)開發(fā)

蔣建東，魏臻珠，朱明嘉，程志平

(1.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001;2.濟(jì)源供電公司，河南 濟(jì)源454650)

0 前言

抽水蓄能機(jī)組運行靈活，反應(yīng)迅速，具有削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、備用、負(fù)荷調(diào)整等多項功能，近些年來得到了迅速發(fā)展。由于設(shè)計參數(shù)復(fù)雜、運行工況多、啟停頻繁、振動部位廣泛等方面的原因，抽水蓄能機(jī)組出現(xiàn)故障的可能性比常規(guī)機(jī)組更大一些［1］。

目前，故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［2－6］。但針對抽水蓄能機(jī)組的相關(guān)研究大多只是針對抽水蓄能機(jī)組某方面故障提出一些診斷方法和理論等［7－10］，還沒有一套成熟完整的抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)。

本文開發(fā)了抽水蓄能機(jī)組的故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)。介紹了信號監(jiān)測點的布置及各種信號的檢測方法，建立了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修的Petri網(wǎng)模型，給出了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，并對其中的各個模塊進(jìn)行了介紹。

1 故障檢測方法

真實可靠、能夠反映抽水蓄能機(jī)組故障狀態(tài)的檢測信息是進(jìn)行故障診斷和狀態(tài)維修決策的前提條件。本文綜合考慮了抽水蓄能機(jī)組的水利特性、旋轉(zhuǎn)機(jī)械特性、設(shè)備結(jié)構(gòu)特性和電氣特性，選擇振動信號、溫度信號和電氣量信號進(jìn)行各類故障的檢測。

1.1 檢測點的布置

根據(jù)回龍抽水蓄能機(jī)組各種傳感器的實際安裝配置情況，選擇轉(zhuǎn)子軸承、機(jī)架結(jié)構(gòu)、推力軸承、過流部件、電動發(fā)電機(jī)的以下位置作為故障檢測點:

(1)轉(zhuǎn)子軸承:上、下水導(dǎo)x、y兩個90°方向的振動;上、下水導(dǎo)瓦溫。

(2)機(jī)架結(jié)構(gòu):上、下機(jī)架x、y兩個90°方向的振動;機(jī)頂蓋x、y、z三個方向的振動;上、下導(dǎo)擺 x、y兩個方向的振動。

(3)推力軸承:推力軸承溫度、推力軸承進(jìn)油管溫度、推力軸承循環(huán)水出口溫度、推力軸承油槽溫度;上、下導(dǎo)軸x、y兩個90°方向的振動及其溫度。

(4)過流部件:尾水管壓力脈動;尾水管出口壓力;轉(zhuǎn)輪下環(huán)腔內(nèi)壓力;蝸殼進(jìn)口壓力;轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉壓力。

(5)電動發(fā)電機(jī):定子、轉(zhuǎn)子繞組溫度、定子鐵心溫度;定子機(jī)座x、y兩個90°方向的振動;電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率和機(jī)端中性點電壓。

1.2 振動檢測

對振動信號的檢測是機(jī)械故障診斷中應(yīng)用最廣泛，也是最行之有效的方法。根據(jù)以上分析，采用振幅分析、頻譜分析和軸心軌跡圖3種振動檢測方法對振動信號的幅值、頻譜和軸心軌跡進(jìn)行故障檢測。

1.3 溫度檢測

溫度可以直觀地反映出某些部件的故障情況，如部件間的摩擦、匝間短路等。因而溫度是檢測機(jī)組某些特定部件故障的重要物理參數(shù)，本文采用幅值法對溫度參數(shù)進(jìn)行檢測。

1.4 電氣量檢測

電氣量檢測主要是針對電動發(fā)電機(jī)的基本電量進(jìn)行的。電動發(fā)電機(jī)的電流、電壓、功率等物理參數(shù)直接反映了電動發(fā)電機(jī)當(dāng)前的運行狀態(tài)，對這些物理參數(shù)進(jìn)行實時檢測，可以準(zhǔn)確及時地判斷電動發(fā)電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)。其中，對電壓、電流采用幅值法和頻譜分析法進(jìn)行檢測;對有功功率、無功功率、功率因數(shù)等采用幅值法進(jìn)行檢測。

2 抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修的Petri網(wǎng)方法

由于抽水蓄能機(jī)組故障的復(fù)雜性及其多層次性，必須研究故障的表現(xiàn)形式及其產(chǎn)生原因。在故障產(chǎn)生機(jī)理分析的基礎(chǔ)上確定故障類型和性質(zhì)，以便于系統(tǒng)故障診斷與狀態(tài)維修模型的建立。

Petri網(wǎng)作為一種圖示化描述方法，可以利用圖形語言對故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及流程進(jìn)行系統(tǒng)的分析和描述，是故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)建模與分析的一種重要工具。為了更清晰地描述Petri網(wǎng)系統(tǒng)，可以用矩陣來表示Petri網(wǎng)模型。

針對抽水蓄能機(jī)組故障部位和故障現(xiàn)象較多的特點，為了減少關(guān)聯(lián)矩陣的維數(shù)、提高診斷的準(zhǔn)確性和保證診斷與狀態(tài)維修方案的實時性，將抽水蓄能機(jī)組按照組件層次劃分為轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)架結(jié)構(gòu)、推力軸承、過流部件5個模塊，分別建立相應(yīng)的故障Petri網(wǎng)模型，最后整合成一個完整的故障Petri網(wǎng)模型，如圖1所示。

每類組件都包含許多具體的故障，根據(jù)國內(nèi)外的運行經(jīng)驗，抽水蓄能機(jī)組出現(xiàn)的典型故障如下:(1)泄水錐松動;(2)尾水管渦帶振動大;(3)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動件松動;(4)調(diào)速器故障引起接力器抽動;(5)大軸密封潤滑不良;(6)大軸密封偏磨或過度磨損;(7)水輪機(jī)迷宮環(huán)碰磨;(8)大軸彎曲或法蘭不對中;(9)大軸法蘭螺絲松動;(10)上、下水導(dǎo)軸承間不對中;(11)導(dǎo)軸承支承部件有松動或裂紋;(12)上、下導(dǎo)軸承間隙調(diào)整不當(dāng);(13)推力軸承潤滑不良;(14)推力軸承彈性油箱狀態(tài)惡化;(15)轉(zhuǎn)子動平衡不良;(16)電磁拉力不平衡;(17)定子疊片松動。

本文根據(jù)這些典型的故障建立了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修的Petri模型。

圖1 故障診斷與狀態(tài)維修Petri模型的建立

3 抽水蓄能機(jī)組故障診斷狀態(tài)維修系統(tǒng)設(shè)計

該軟件分為5個模塊:人機(jī)界面模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、故障檢測模塊、故障診斷模塊和狀態(tài)維修模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

各模塊功能如下:

3.1 人機(jī)界面模塊

人機(jī)界面模塊作為運行人員和軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互的接口，主要用來進(jìn)行故障報警信號、故障診斷結(jié)果、維修方案及遙測遙信量的顯示，以及進(jìn)行故障征兆、故障原因、維修方案、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的查詢與維護(hù)等。

為了更好地了解機(jī)組的運行狀態(tài)和機(jī)組狀態(tài)量的變化趨勢，對信號給出了多種分析顯示方法，包括時域信號顯示、功率譜分析、軸心軌跡分析、相位分析、振動信號頻譜分析等。時域信號顯示將實時采集的振動信號、電氣量信號、溫度信號等進(jìn)行顯示，以方便運行人員了解機(jī)組當(dāng)前的狀態(tài)。功率譜分析、振動信號頻譜分析對功率或振動信號的頻譜進(jìn)行分析。軸心軌跡分析和相位分析可以直觀地顯示主軸當(dāng)前的運行狀態(tài)，以便準(zhǔn)確定位故障原因和部位，為診斷分析提供判據(jù)。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)庫管理模塊

數(shù)據(jù)庫管理模塊對系統(tǒng)的故障征兆、故障原因與維修方案數(shù)據(jù)庫，設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫與遙測遙信量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)和管理。

故障征兆、故障原因與維修方案數(shù)據(jù)庫根據(jù)不同部件的不同故障情況建立起Petri網(wǎng)關(guān)聯(lián)庫，并能夠隨著運行數(shù)據(jù)的積累而不斷擴(kuò)充和完善。設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫包括設(shè)備名稱，投入日期，維修次數(shù)，最后一次維修時間，故障情況的簡單描述等。系統(tǒng)能夠根據(jù)這些信息形成設(shè)備參數(shù)，如溫度、振動等的變化趨勢庫，供狀態(tài)維修時參考。遙測遙信量數(shù)據(jù)庫用于接收遙測遙信量數(shù)據(jù)并存儲。

3.3 故障檢測模塊

故障檢測模塊對機(jī)組的遙測遙信量進(jìn)行故障檢測，一旦發(fā)現(xiàn)故障征兆則向用戶報警并啟動故障診斷模塊。

3.4 故障診斷模塊的設(shè)計

故障診斷模塊是系統(tǒng)的核心模塊之一。該模塊采用事件觸發(fā)方式對機(jī)組的狀態(tài)及故障進(jìn)行正向推理。該模塊根據(jù)故障檢測模塊的檢測結(jié)果及數(shù)據(jù)管理模塊的機(jī)組狀態(tài)信息和和專家知識，對機(jī)組存在的故障進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷。

3.5 狀態(tài)維修模塊

該模塊根據(jù)故障診斷模塊的診斷結(jié)果和設(shè)備參數(shù)的變化趨勢，給出狀態(tài)維修方案。

圖3 軟件流程圖

4 抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)的開發(fā)

運用VB語言完成了界面的設(shè)計開發(fā)和程序代碼的編寫，利用ACCESS數(shù)據(jù)庫完成了對機(jī)組遙測遙信量的讀取、存儲和管理。開發(fā)了回龍抽水蓄能電站機(jī)組故障診斷和狀態(tài)維修軟件，該軟件具有良好的人機(jī)交互界面、操作方便簡捷。

4.1 軟件流程圖

根據(jù)前面的軟件結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計了軟件的流程圖，如圖3所示。

4.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計

采用Microsoft ACCESS設(shè)計了數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要存放實時采集的遙測遙信量。根據(jù)遙測遙信量的特點和故障診斷對數(shù)據(jù)信息的要求，數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型結(jié)構(gòu)。表的結(jié)構(gòu)為:數(shù)據(jù)日期—數(shù)據(jù)時間—數(shù)據(jù)值?；佚埑樗钅茈娬居袃膳_機(jī)組，因而需要設(shè)計兩組數(shù)據(jù)表。每組包含兩個表:一個存放機(jī)組發(fā)電工況數(shù)據(jù);另一個存放機(jī)組水泵工況數(shù)據(jù)。

4.3 故障診斷與狀態(tài)維修界面

根據(jù)機(jī)組狀態(tài)信息、故障診斷結(jié)果和人工選擇輸入的故障現(xiàn)象，系統(tǒng)自動完成故障診斷和狀態(tài)維修，并輸出故障原因和維修措施。

5 結(jié)論

本文開發(fā)了抽水蓄能機(jī)組故障診斷和狀態(tài)維修系統(tǒng)。根據(jù)抽水蓄能機(jī)組的特點確定了檢測信息，并給出了相關(guān)信息的檢測方法。建立了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修的Petri網(wǎng)模型。設(shè)計開發(fā)了回龍抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)已經(jīng)投入實際使用，運行效果良好。

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