水輪發(fā)電機組振動在線監(jiān)測和故障診斷研究

王哲

摘 要：近年來，受到諸多因素的影響，使得水輪發(fā)電機組常常出現(xiàn)振動等故障，嚴(yán)重影響了機組的正常運行狀態(tài)，對我國整個國民經(jīng)濟帶來了不利影響。因此需要對水輪發(fā)電機組振動故障進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題、處理問題，提高維修的針對性。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機組；振動；在線監(jiān)測；故障診斷

中圖分類號 ： TM31 文獻標(biāo)識碼：A

一、引言

水輪發(fā)電機組振動檢測與故障診斷具有一定的復(fù)雜性與多樣性，為確保水輪發(fā)電機組正常的運行，就必須對其進行全面、深入的研究與分析。本文提出了一種神級網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)混合的智能監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和信號分析功能，能對機組振動等故障進行實時監(jiān)測與診斷，能將機組受到的破壞降到最低。

二、水輪發(fā)電機組振動故障分析

（一）水輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)

水輪發(fā)電機組分為同步水輪發(fā)電機和異步水輪發(fā)電機，目前我國大多數(shù)水電站采用的是同步水輪發(fā)電機。同步水輪發(fā)電機由轉(zhuǎn)子、定子、機架、導(dǎo)軸承、制動器以及推力軸承組成。

（二）水輪發(fā)電機組振動故障的特點

（1）漸變性。水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速往往比其他旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速較低，使得水輪發(fā)電機組振動故障屬于漸變性或者耗損性故障，突發(fā)惡性事故較少，振動故障往往是從一個量變到質(zhì)變的漸變過程。

（2）復(fù)雜多樣性。據(jù)大量實踐表明，水輪發(fā)電機組振動故障出現(xiàn)的原因基本有三種，即機械振動、水力振動以及電磁振動。這就使得機組振動機理十分復(fù)雜，可能是機械、水力以及電磁中其中一種引起的振動，也可能是三者相互作用引起的。再加上大型水輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)尺寸較大，機組系統(tǒng)是耦合的龐大體系，具有一定的非線性。

（3）不規(guī)則性。受到水電站施工地理位置、地質(zhì)條件以及經(jīng)濟技術(shù)的影響，那么這些因素也會對水輪發(fā)電機組運行狀態(tài)造成影響。由于每個水電站都是專門設(shè)計的，使得不同水電站的水輪發(fā)電機組振動情況不盡相同，可比性較差，可見其振動故障具有不規(guī)則性。

（三）水輪發(fā)電機組故障診斷方法

（1）傳統(tǒng)故障診斷方法。過去對水輪發(fā)電機組故障診斷方法實施的是定期檢修，即檢修時間一到不管機組有無故障都必須停機檢修。在這樣的模式下，檢修操作人員只能靠以往的經(jīng)驗和現(xiàn)場機組狀態(tài)進行觀察做出結(jié)論，難以真正檢測到機組中存在的隱性故障，無法確保水輪發(fā)電機組運行的安全性與穩(wěn)定性。

（2）人工智能技術(shù)故障診斷方法。目前基于人工智能故障診斷主要有兩類，一是基于知識的故障診斷，二是基于智能模型式識別的故障診斷。基于知識信息處理系統(tǒng)實質(zhì)也稱為專家系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)和人類的邏輯思維，推廣于不同的診斷對象。智能模糊識別故障診斷是對一系列過程參量進行監(jiān)測，從測量空間映射到故障空間，實現(xiàn)故障診斷。

三、水輪發(fā)電機組在線監(jiān)測與故障診斷需求研究

（一）水輪發(fā)電機組在線監(jiān)測的特點

水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與診斷往往會涉及到機組運行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的測量、采集、記錄、處理、傳遞以及存儲等。隨著計算機技術(shù)的進步，為實現(xiàn)水輪發(fā)電機組狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷創(chuàng)造了良好的條件。水輪發(fā)電機組在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)往往需要滿足以下特點：

（1）響應(yīng)速度快。水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有實時性和高速性。操作人員利用計算機相關(guān)技術(shù)，采用人機聯(lián)系設(shè)備，對機組運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，在控制指令發(fā)出后往往能在3s左右得到響應(yīng)。機組運行狀態(tài)變化時，計算機系統(tǒng)可以以最快的速度對其進行顯示和記錄，加上該過程有大量的數(shù)據(jù)進行計算，要求該系統(tǒng)具有足夠快的響應(yīng)速度。

（2）可靠性高。為確保機組振動故障診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，首先就需要確保機組監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。在配置該系統(tǒng)過程中，往往需要采取可靠性強的措施，以保證系統(tǒng)各部分均能分別進行維護與更換。

（3）可維修性好。如果監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某個部位故障時，要求能及時地確定故障點，并盡快進行維護或者更換。因此應(yīng)該盡量簡化模塊的種類和結(jié)構(gòu)，其需要具有報警和自診斷功能。

（二）水輪發(fā)電機組在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多機分布式系統(tǒng)主要特點是功能分布性、地域分散性。在多機分布式系統(tǒng)中，各機組狀態(tài)量和各系統(tǒng)智能處理單元都可以獨立進行數(shù)據(jù)的采集、計算和處理，減輕了中央計算機的負擔(dān)。同時各子系統(tǒng)和智能單元往往可以通過網(wǎng)絡(luò)與上位機系統(tǒng)通信，使得該系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點，如共享性強、監(jiān)測容量大、覆蓋面廣、抗故障能力強、便于集中管理等。水輪發(fā)電機組多機分布結(jié)構(gòu)主要由監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)地單元、狀態(tài)監(jiān)測歷史站、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)局域網(wǎng)、狀態(tài)監(jiān)測操作人員、專家系統(tǒng)分析站以及遠方專家系統(tǒng)分析站等組成，能更加準(zhǔn)確、更加及時地完成各工況下機組的監(jiān)測和故障診斷與定位，彌補了傳統(tǒng)單機式集中控制監(jiān)測系統(tǒng)的不足。

（三）系統(tǒng)硬件配置和網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計

（1）系統(tǒng)硬件配置。硬件設(shè)備是機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)的前提，如何針對系統(tǒng)功能要求，選擇相應(yīng)的計算機設(shè)備，是目前水電站和電力企業(yè)共同關(guān)注的問題。在機組振動在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)硬件配置時，應(yīng)該根據(jù)該系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能、特點以及滿足的要求進行設(shè)計。本設(shè)計中，該系統(tǒng)硬件配置主要由上位機、狀態(tài)監(jiān)測單元、Web服務(wù)器、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)以及遠方專家系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)監(jiān)測與故障診斷主要是利用工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將各地狀態(tài)監(jiān)測單元與中控室上位機連接，對機組運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，判斷監(jiān)測信號所處狀態(tài)，并采用服務(wù)器連接遠方專家系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程故障診斷。

（2）通信網(wǎng)絡(luò)方案選擇。對于現(xiàn)地狀態(tài)監(jiān)測單元和上位機系統(tǒng)之間信息的連接與通信，往往需要通信設(shè)備進行連接。由于水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是分布式的，加上總體結(jié)構(gòu)的性能與通信系統(tǒng)密切相關(guān)，因此需要根據(jù)實際情況選擇適合的通信網(wǎng)絡(luò)方案，以確保各單元信息和數(shù)據(jù)之間更好的傳遞。

結(jié)語

在信息技術(shù)飛速發(fā)展下，為機組運行狀態(tài)實時監(jiān)測和故障診斷創(chuàng)造了有利條件，使定位機組故障位置，維護、檢修、更換機組設(shè)備操作向綜合化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，提高了維修性，確保了機組運行的安全性與可靠性，為實現(xiàn)水電站和電力企業(yè)最大化經(jīng)濟效益奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

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