水電站設(shè)備健康預(yù)測(cè)方法研究

江學(xué)文，令狐友強(qiáng)

（三峽電力職業(yè)學(xué)院動(dòng)力工程學(xué)院，湖北宜昌，443000）

1、引言

機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是20 世紀(jì)60 年代以來(lái)形成的一門(mén)新興技術(shù)，是一種了解和掌握設(shè)備在使用過(guò)程中的狀態(tài)，確定其整體或局部是否正常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)測(cè)狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)的綜合性技術(shù)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的基礎(chǔ)研究和重大工程應(yīng)用方面取得了突出進(jìn)展，國(guó)外重點(diǎn)是轉(zhuǎn)子故障機(jī)理和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒ǎ瑖?guó)內(nèi)典型的原創(chuàng)性成果如取得了全息譜、振動(dòng)故障治理與非線性動(dòng)力學(xué)、小波有限元裂紋診斷和系統(tǒng)故障自愈診斷等。[1]到2020 年，中國(guó)常規(guī)水電裝機(jī)容量將達(dá)到3.3 億千瓦，水電事業(yè)將迎來(lái)發(fā)展的黃金期，隨著電力系統(tǒng)的日益發(fā)展，水電站供電可靠性和設(shè)備故障率之間的矛盾日益突出，需要有效、科學(xué)的對(duì)各類設(shè)備進(jìn)行健康預(yù)測(cè)，提高水電站設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，改善運(yùn)行人員的工作條件。水電站設(shè)備健康預(yù)測(cè)是機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)在水電站設(shè)備中的重要應(yīng)用，是目前行業(yè)的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷研究存在以下問(wèn)題：研究故障表象多，研究故障機(jī)理少；研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械多，研究往復(fù)機(jī)械少；研究通用機(jī)械多，研究專用機(jī)械少；研究單一方法多，研究綜合診斷少；研究部件故障多，研究系統(tǒng)故障少；研究顯著故障多，研究微弱故障少；研究仿真數(shù)據(jù)多，研究工程數(shù)據(jù)少。[2]在水電行業(yè)，機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷研究發(fā)展中的不足則主要體現(xiàn)在“研究故障表象多，研究故障機(jī)理少，研究單一方法多，研究綜合診斷少”，因而在設(shè)備健康預(yù)測(cè)中沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值，在發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在故障、診斷故障原因和提供檢修決策中還未發(fā)揮主要作用。本文提出的水電設(shè)備健康預(yù)測(cè)方法，是以水電設(shè)備故障機(jī)理為切入點(diǎn)，以自動(dòng)分析報(bào)告單為基本形式，以工程化的健康預(yù)測(cè)為目標(biāo)的綜合診斷方法。

2、健康預(yù)測(cè)的技術(shù)路線

人體疾病與機(jī)器故障從仿生學(xué)概念來(lái)理解是相同的，把醫(yī)學(xué)診斷的基本思想推廣到工程中去就形成了設(shè)備健康預(yù)測(cè)技術(shù)。

水電設(shè)備的健康預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)實(shí)施的技術(shù)路線如下圖所示：

圖1 技術(shù)路線圖

在明確體檢功能后，首先要設(shè)計(jì)具體的體檢項(xiàng)目，根據(jù)這些項(xiàng)目確定物理監(jiān)測(cè)量，即完成傳感器的配置。然后根據(jù)數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)的需要設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的軟件和硬件。隨著技術(shù)的進(jìn)步，水電設(shè)備健康體檢項(xiàng)目會(huì)不斷增加，因此，分析診斷軟件應(yīng)當(dāng)是模塊化和獨(dú)立的，且具有開(kāi)放式的數(shù)據(jù)庫(kù)接口協(xié)議。

設(shè)備健康預(yù)測(cè)技術(shù)，中心是自動(dòng)完成體檢報(bào)告任務(wù)，進(jìn)而開(kāi)展設(shè)備的健康預(yù)測(cè)，所有的技術(shù)要求都是圍繞這一中心任務(wù)來(lái)實(shí)施的：以信息處理流程為主要路線，以保障最終的診斷結(jié)論為主要目標(biāo)對(duì)各個(gè)設(shè)備的性能和功能提出要求。

3、健康預(yù)測(cè)方法的構(gòu)建與應(yīng)用

故障是機(jī)器的部件或組件劣化或出現(xiàn)可能導(dǎo)致機(jī)器失效（喪失完成某項(xiàng)規(guī)定功能的能力）的反常狀態(tài)時(shí)，部件或組件所處的狀態(tài)。[3]水電站設(shè)備的故障、缺陷大多有一定的發(fā)展期，其水力、電氣、機(jī)械、化學(xué)等特性發(fā)生少量漸進(jìn)的變化，出現(xiàn)前期征兆。如果對(duì)水電設(shè)備進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)獲取這些前期征兆信息，便可預(yù)測(cè)設(shè)備的健康狀況，評(píng)估設(shè)備的運(yùn)行可靠性，診斷出潛在的故障原因，為設(shè)備檢修提供可靠的決策依據(jù)。

3.1、預(yù)測(cè)指標(biāo)的選擇

健康預(yù)測(cè)指標(biāo)是設(shè)備健康預(yù)測(cè)工作的靈魂，通常的做法是選擇某些物理監(jiān)測(cè)量作為健康預(yù)測(cè)指標(biāo)，這些物理監(jiān)測(cè)量具有高敏感性和可靠性，且有許多個(gè)。水電站設(shè)備健康的影響因素比較復(fù)雜，依靠這些物理監(jiān)測(cè)量來(lái)預(yù)測(cè)水電設(shè)備的健康狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷往往是不夠的。針對(duì)水電設(shè)備的特殊情況需要采用新的思想方法，在選擇健康預(yù)測(cè)指標(biāo)的時(shí)候，我們關(guān)心的是：某項(xiàng)健康預(yù)測(cè)指標(biāo)由哪些物理監(jiān)測(cè)量表現(xiàn)，這些物理監(jiān)測(cè)量之間的關(guān)系是怎樣的，建立什么樣的數(shù)學(xué)模型可以挖掘這些物理監(jiān)測(cè)量所蘊(yùn)含的狀態(tài)信息。水電站設(shè)備的故障是千差萬(wàn)別的，每一項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)要通過(guò)多個(gè)物理監(jiān)測(cè)量來(lái)表征，如果將每一種預(yù)測(cè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)某一種故障，則預(yù)測(cè)指標(biāo)與物理監(jiān)測(cè)量之間的關(guān)系為：

式中F：某預(yù)測(cè)指標(biāo)；

α1，α2，…：物理監(jiān)測(cè)量。確定健康預(yù)測(cè)指標(biāo)，其本質(zhì)是挖掘狀態(tài)數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的故障信息。它的基本要求是確定F 與α1，α2，…之間的某種對(duì)應(yīng)關(guān)系f，以便通過(guò)計(jì)算α1，α2，…來(lái)判斷某種故障是否發(fā)生，或者機(jī)組的狀態(tài)是否良好。對(duì)于水電站設(shè)備，在確定對(duì)應(yīng)關(guān)系f時(shí)，要充分考慮將機(jī)組運(yùn)行的各種不同工況作為關(guān)鍵要素，這一點(diǎn)是非常重要的。

水電站設(shè)備健康預(yù)測(cè)指標(biāo)24 個(gè)，見(jiàn)表1。

3.2、預(yù)測(cè)模型的建立與應(yīng)用

3.2.1、預(yù)測(cè)指標(biāo)與監(jiān)測(cè)物理量之間關(guān)系的確立

建立預(yù)測(cè)模型，首先要弄清故障機(jī)理，借助故障機(jī)理建立預(yù)測(cè)指標(biāo)與監(jiān)測(cè)物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)踐當(dāng)中，預(yù)測(cè)指標(biāo)與監(jiān)測(cè)物理量之間采用報(bào)告單形式，不僅給出了量化結(jié)論，而且給出了判定過(guò)程使用的過(guò)程曲線和相關(guān)圖表等，摒棄了高深的“人工智能”、“置信度”等方法和概念。

每個(gè)報(bào)告單對(duì)應(yīng)的是一項(xiàng)設(shè)備的健康預(yù)測(cè)指標(biāo)，每個(gè)報(bào)告單關(guān)于此項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)的解釋具有豐富的內(nèi)容，不是簡(jiǎn)單的肯定或否定，在給出診斷結(jié)論的同時(shí)，還提供相應(yīng)的建議和措施。下面以“質(zhì)量不平衡”預(yù)測(cè)指標(biāo)為例，介紹預(yù)測(cè)指標(biāo)與監(jiān)測(cè)物理量之間關(guān)系是如何建立的。

表1 水電站設(shè)備健康預(yù)測(cè)指標(biāo)

質(zhì)量不平衡的故障機(jī)理：對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，機(jī)組旋轉(zhuǎn)部件（包括主軸、推力頭及鏡板，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速繼電器等同軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分）由于質(zhì)量分布不均導(dǎo)致質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合而產(chǎn)生的不平衡。質(zhì)量不平衡對(duì)上導(dǎo)擺度、下導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動(dòng)、下機(jī)架振動(dòng)有強(qiáng)烈影響，質(zhì)量不平衡相位以大軸上人工設(shè)置的某一鍵相點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)算。除轉(zhuǎn)速頻率和幅值、相位恒定外，不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力與轉(zhuǎn)速頻率的平方成比例，但對(duì)于立式機(jī)組，作用在每個(gè)導(dǎo)軸承上的力不見(jiàn)得都與轉(zhuǎn)速頻率的平方成比例。另外，由不平衡質(zhì)量力引起的弓狀回旋所產(chǎn)生的附加不平衡力不是獨(dú)立存在的。當(dāng)質(zhì)量不平衡力消除后附加不平衡力就自然消失了，由轉(zhuǎn)動(dòng)部分的缺陷引起的附加不平衡力則不可能完全消失。

見(jiàn)圖2 所示，這是關(guān)于“質(zhì)量不平衡”預(yù)測(cè)指標(biāo)的診斷報(bào)告單。

圖2 預(yù)測(cè)指標(biāo)診斷報(bào)告單

3.2.2、健康預(yù)測(cè)模型的建立

表1 中列出了24 項(xiàng)健康預(yù)測(cè)指標(biāo)，每個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo)的分析診斷由診斷報(bào)告單完成，從上述可知每一個(gè)報(bào)告單都是根據(jù)故障機(jī)理設(shè)計(jì)的，對(duì)水電站設(shè)備進(jìn)行健康預(yù)測(cè)時(shí)，可以依次生成24 項(xiàng)診斷報(bào)告單，根據(jù)診斷報(bào)告單的分析結(jié)論選擇預(yù)測(cè)模型對(duì)預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行深入挖掘。從實(shí)踐的角度來(lái)看，一般可以用三種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)∶主觀判斷或直觀（定性）的方法，客觀定量（統(tǒng)計(jì)）的方法，定性與定量相結(jié)合的方法。由于研究對(duì)象的原因，這里主要介紹定量預(yù)測(cè)方法（模型）。定量預(yù)測(cè)的方法很多，表2給出了定量預(yù)測(cè)方法的大致輪廓。[4]一般而言，定量預(yù)測(cè)模型由以下幾部分構(gòu)成∶

（1）數(shù)據(jù)，即預(yù)測(cè)對(duì)象和預(yù)測(cè)因子；

（2）結(jié)構(gòu)，即預(yù)測(cè)模型函數(shù)的具體形式；

（3）參數(shù)，即預(yù)測(cè)模型函數(shù)中的待定參數(shù)。

表2 定量預(yù)測(cè)方法的分類

同時(shí)，進(jìn)行定量預(yù)測(cè)必須具備以下三個(gè)基本條件∶

（1）有可以利用的“過(guò)去”和“現(xiàn)在”的信息。

（2）一些關(guān)鍵的信息可以觀測(cè)和量化，并且不會(huì)有系統(tǒng)的偏差(失真)。

（3）預(yù)測(cè)對(duì)象滿足所謂“連續(xù)性假設(shè)”，即基于已有的歷史信息建立起的模型，可以延續(xù)到未來(lái)。

第三個(gè)基本條件應(yīng)用了事物發(fā)展的“慣性原則”，即∶任何一種事物的發(fā)展都與其過(guò)去的狀態(tài)或行為有某種關(guān)聯(lián)，過(guò)去的行為不僅影響現(xiàn)在，而且影響未來(lái)。顯然，如果慣性越大，則過(guò)去對(duì)未來(lái)的影響就愈大。

與其它預(yù)測(cè)方法相比，趨勢(shì)分析更為適合于水電設(shè)備的健康預(yù)測(cè)，因此，這里主要討論定量預(yù)測(cè)中的趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析方法。

趨勢(shì)分析也可稱之為趨勢(shì)曲線分析或曲線擬合，是迄今為止研究得最多的，也最為流行的定量預(yù)測(cè)方法。“趨勢(shì)”即事物發(fā)展的長(zhǎng)期行為。經(jīng)驗(yàn)表明，事物的發(fā)展完全由隨機(jī)動(dòng)因所軀使，并且與過(guò)去的狀態(tài)毫無(wú)關(guān)系，不遵循任何可以認(rèn)識(shí)的規(guī)律的情況是很少見(jiàn)的。因此，預(yù)測(cè)較為重要的一步就是要對(duì)事物的發(fā)展過(guò)程及其環(huán)境作系統(tǒng)分析，以發(fā)現(xiàn)主要的變化趨勢(shì)。

人們常用各種光滑曲線來(lái)近似描述事物發(fā)展的基本趨勢(shì)，即其中Yi為預(yù)測(cè)對(duì)象，εi為預(yù)測(cè)誤差(有時(shí)為討論的方便，將誤差項(xiàng)εi忽略掉)；可根據(jù)不同的情況和假設(shè)，f(t，θ)可取不同的形式，而其中的θ 代表某些待定的參數(shù)，t 為某一時(shí)刻。在實(shí)際生活中，許多事物的發(fā)展的基本趨勢(shì)常常呈現(xiàn)出如下共同特征∶

（1）從某一時(shí)刻t 起，在某一時(shí)期內(nèi)連續(xù)上升或下降，或者大體上保持常態(tài)。

（2）在上升或下降過(guò)程中，由于其本身受某種規(guī)律的支配和環(huán)境的限制，最終趨向某一上限或下限。

（3）上升到某一頂點(diǎn)之后開(kāi)始下降，直至趨向于零。

（4）隨時(shí)間t 的變化率(dYi/dt)或相對(duì)變化率(1/YidYi/dt)近似為常數(shù)或大體上符合某些其它的條件或限制。

4、結(jié)論

健康預(yù)測(cè)技術(shù)在其它機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用往往是選定一個(gè)或多個(gè)單一的、具有高靈敏性、高可靠性的物理監(jiān)測(cè)量作為預(yù)測(cè)指標(biāo)，通過(guò)幅值和頻率分析判斷故障，然后通過(guò)主觀判斷的方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行健康預(yù)測(cè)。水電站設(shè)備健康預(yù)測(cè)，物質(zhì)基礎(chǔ)是建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基本途徑是確定健康預(yù)測(cè)指標(biāo)（也就是確定設(shè)備體檢項(xiàng)目）。從上文的闡述中可以看到，只有掌握了設(shè)備的故障機(jī)理才能確立設(shè)備的健康預(yù)測(cè)指標(biāo)，每一項(xiàng)健康預(yù)測(cè)指標(biāo)是若干物理監(jiān)測(cè)量的函數(shù)，函數(shù)關(guān)系的建立由故障機(jī)理來(lái)確定；每項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)含有豐富的狀態(tài)信息，它借助自動(dòng)診斷報(bào)告來(lái)挖掘包含的狀態(tài)信息；每份自動(dòng)診斷報(bào)告基于不同的故障機(jī)理，分析診斷不同的故障原因，體現(xiàn)的是一項(xiàng)特定的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)；在數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)上，再建立合適的預(yù)測(cè)模型，就能夠?qū)υO(shè)備健康進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和預(yù)測(cè)。上述方法在多個(gè)水電站實(shí)踐了多年，取得了較好的應(yīng)用，對(duì)其它行業(yè)設(shè)備的健康預(yù)測(cè)具有重要的參考價(jià)值。

[1][2]王國(guó)彪，何正嘉等.機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)研究“何去何從”[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,(1)：66,68.

[3]ISO 13372：2004, IDT, Condition monitoring and diagnostics of machines一Vocabulary,2004[S].

[4]高金吉.未來(lái)裝備工程思維[J],中國(guó)工程科學(xué),2003,5(12)：30～35.