基于故障參數(shù)辨識的水輪發(fā)電機組綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

莊明

（福建水口發(fā)電集團有限公司，福建福州350004）

基于故障參數(shù)辨識的水輪發(fā)電機組綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

莊明

（福建水口發(fā)電集團有限公司，福建福州350004）

隨著智能化電站建設(shè)和無人值守管理的需求，以智能化診斷為特征的綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)越來越得到國內(nèi)外的關(guān)注和應(yīng)用。福建水口發(fā)電集團開發(fā)和實施了基于故障參數(shù)辨識的水輪發(fā)電機組綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對多站多設(shè)備一體化集中狀態(tài)監(jiān)測，同時建立了對水電站主要關(guān)鍵設(shè)備主要故障的自動化智能診斷，為實現(xiàn)水輪發(fā)電機組和電力系統(tǒng)的安全運行取得了顯著效果。

狀態(tài)監(jiān)測；自動化辨識；模型特征；參數(shù)指標(biāo)；判定標(biāo)準(zhǔn)

1 項目背景

福建水口發(fā)電集團有限公司是華東地區(qū)最大常規(guī)水電發(fā)電企業(yè),下轄水口水力發(fā)電站、嵩灘埔水力發(fā)電站、水東水力發(fā)電站、雍口水力發(fā)電站、街面水力發(fā)電站5座水電站，共安裝有17臺水力發(fā)電機組，總裝機總?cè)萘? 866 WM。隨著水口發(fā)電集團裝機容量的擴大、總?cè)萘康奶岣咭约霸陔娏ο到y(tǒng)中調(diào)峰調(diào)頻的作用越來越大，其機組的安全運行重要性越來越突出。福建水口發(fā)電集團有限公司在福建電網(wǎng)乃至華東電網(wǎng)具有舉足輕重的作用，為保障海峽西岸經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了積極作用。

為滿足電站智能化管理，無人值守的需求，福建水口發(fā)電集團有限公司在福州開發(fā)建立了遠程綜合分析診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多站多設(shè)備一體化集中狀態(tài)監(jiān)測和水電站主要關(guān)鍵設(shè)備（發(fā)電機組、主變、高壓開關(guān)、輔機等）主要故障的自動化診斷、水輪發(fā)電機組常規(guī)試驗的全自動化在線數(shù)據(jù)采集和全自動化在線智能分析評價。本文就該系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計和應(yīng)用作簡要介紹。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

（1）在水口、嵩灘埔、水東、街面、雍口各水電站廠站側(cè)，安裝在機組各部位的傳感器將各種物理信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳送到各信號采集裝置，采集裝置將這些信號采集和處理，得到反映機組運行狀態(tài)的各種特征參數(shù)、曲線、圖表等，統(tǒng)一存儲到電廠廠站側(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。電廠廠站側(cè)的通訊服務(wù)器負(fù)責(zé)向綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器傳送實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，發(fā)布數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)、分析結(jié)果、診斷結(jié)果，包括與本地或者遠程的監(jiān)測、分析、診斷、維護工作站的交互。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（2）綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)立若干狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲管理服務(wù)器、若干應(yīng)用服務(wù)器、狀態(tài)辨識及實時分析診斷服務(wù)器，其中狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲管理服務(wù)器接收由廠站側(cè)傳送來的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并完成存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)、壓縮、分發(fā)等操作，對狀態(tài)數(shù)據(jù)實現(xiàn)管理。而應(yīng)用服務(wù)則負(fù)責(zé)發(fā)布數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)、分析結(jié)果、診斷結(jié)果，包括與本地或者遠程的監(jiān)測、分析、診斷、維護工作站的交互。

（3）狀態(tài)辨識及實時分析診斷服務(wù)器是本系統(tǒng)中關(guān)鍵的計算機系統(tǒng)之一。它在后臺自動接收廠站側(cè)傳送來的實時數(shù)據(jù)，并對“基本狀態(tài)”參數(shù)進行越限報警檢查、調(diào)用恰當(dāng)?shù)臍v史數(shù)據(jù)進行趨勢狀態(tài)辨識，同時計算“深層狀態(tài)”參數(shù)，并對計算后的各“深層狀態(tài)”參數(shù)進行趨勢狀態(tài)辨識。

（4）連入綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的每一臺計算機，既可以通過電廠狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進行分析診斷，也可以直接訪問綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進行分析和診斷。

2.2 系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)從軟件邏輯結(jié)構(gòu)上分為3層：

第1層為數(shù)據(jù)獲取層和壓縮及格式轉(zhuǎn)換與傳輸層，主要是從水口、嵩灘埔、水東、街面、雍口電站廠站側(cè)的在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。包括振動擺度數(shù)據(jù)、壓力脈動數(shù)據(jù)、機組溫度數(shù)據(jù)、工況參數(shù)、主變狀態(tài)數(shù)據(jù)、高壓設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、輔機設(shè)備狀態(tài)等。

第2層為數(shù)據(jù)管理層，主要完成實時數(shù)據(jù)的融合、存儲、管理與發(fā)布，以及對歷史數(shù)據(jù)的按需存儲、發(fā)布。在數(shù)據(jù)獲取層獲得實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，自動提取能反映設(shè)備運行狀態(tài)和故障狀態(tài)的關(guān)鍵特征參數(shù)，并對這些特征參數(shù)進行判定、趨勢辨識，實現(xiàn)對運行狀態(tài)的監(jiān)視、保護和趨勢預(yù)測；并為外部后臺的分析診斷、管理等應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口。

第3層為后臺交互式監(jiān)測、分析、診斷決策應(yīng)用，本系統(tǒng)的后端監(jiān)測分析、綜合分析診斷決策等模塊具備數(shù)據(jù)挖掘功能，包括大量的監(jiān)測分析診斷模塊。分析診斷模塊包括兩個軟件模塊，一個是基于C/S模式的綜合分析診斷模塊，包括了完整的監(jiān)測、分析診斷功能，另一個是基于B/S模式的監(jiān)測和趨勢分析模塊。

系統(tǒng)的構(gòu)架示意圖如圖2所示。

3 基于故障參數(shù)辨識的智能分析診斷系統(tǒng)的研究

分析診斷的智能化長期以來一直是水輪發(fā)電機組故障診斷的瓶頸，因此本系統(tǒng)著重在這方面進行了研究和設(shè)計。此次建設(shè)的遠程分析診斷系統(tǒng)針對水輪發(fā)電機組常見的幾種主要故障建立明確的故障辨識模型，針對每一種故障提出可量化的故障指標(biāo)集，參照機組歷史數(shù)據(jù)和國家標(biāo)準(zhǔn)確立故障指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)實時采集的數(shù)據(jù)，由計算機在線自主進行故障特征提取，并與故障指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)進行比較，實現(xiàn)機組故障的在線自主分析診斷。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

圖3 系統(tǒng)診斷模式

本系統(tǒng)研究的重點在于故障診斷模型建立、故障特征指標(biāo)集確立、故障判定標(biāo)準(zhǔn)等多個方面。

3.1 系統(tǒng)支持的故障診斷模型簡述

系統(tǒng)在總結(jié)和分析水電機組常見故障機理的基礎(chǔ)上，結(jié)合水口集團機組結(jié)構(gòu)特點，確立故障辨識模型（表1）。

3.2 故障特征指標(biāo)集及判定標(biāo)準(zhǔn)

在建立了故障的數(shù)學(xué)模型,確立故障特征集之后,判定標(biāo)準(zhǔn)體系的建立成了自主分析診斷系統(tǒng)能否實用化的關(guān)鍵。在本系統(tǒng)設(shè)計實施過程中，故障判定標(biāo)準(zhǔn)體系的建立存在以下困難：

（1）沒有可以直接參照的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

正常來說，如果有相關(guān)可借鑒的國家標(biāo)準(zhǔn)、國際通用標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，那么首先應(yīng)該采用上述標(biāo)準(zhǔn)。然而在本項目中，診斷系統(tǒng)提出的故障特征指標(biāo)集很多都是本項目首次提出，并不是常規(guī)意義上的機組擺度、振動參數(shù)，因此根本無法依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。只有部分參數(shù)可參照國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1

（2）依據(jù)真機測試數(shù)據(jù)難以建立全面的故障判定標(biāo)準(zhǔn)

建立標(biāo)準(zhǔn)的另外一個技術(shù)路線是采用真機測試數(shù)據(jù)。但是對于故障診斷標(biāo)準(zhǔn)而言，這將是一個不可能實現(xiàn)的過程。

1）對于某一臺機組而言，不可能出現(xiàn)那么多實際的故障，當(dāng)然不可能獲得那么多的測試數(shù)據(jù)；

2）真機模擬故障試驗困難，很多故障對機組的可靠性和健康程度有巨大的損傷，因此通過模擬故障的方式在真機上進行數(shù)據(jù)測試也是不可能的。

因此，在本項目中，故障指標(biāo)集的判定標(biāo)準(zhǔn)建立過程來源于多種技術(shù)途徑，詳細說明如下：

（1）直接參考采用國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):DL/T 507《水輪發(fā)電機組啟動試驗規(guī)程》、GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》等；

（2）根據(jù)真機目前測試獲得的實際特征參數(shù)值統(tǒng)計數(shù)據(jù),按照一定安全裕度確定參數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)；

（3）根據(jù)其他相近結(jié)構(gòu)機組發(fā)生故障時候測試得到的數(shù)據(jù)確定參數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)。

本系統(tǒng)在水口集團各電站機組上建立并應(yīng)用的故障特征指標(biāo)集及部分故障判定標(biāo)準(zhǔn)見表2（僅以水口及水東電站為例）。

4 應(yīng)用情況

遠程綜合分析診斷系統(tǒng)的投入為水口集團快速全面掌握關(guān)鍵設(shè)備運行健康狀態(tài)提供了重要保障，大大提高了機組的安全穩(wěn)定運行，且為掌握機組運行特性，指導(dǎo)機組運行以及設(shè)備檢修積累了大量寶貴數(shù)據(jù)，同時利用系統(tǒng)提供的綜合分析診斷工具，目前系統(tǒng)中的核心技術(shù)，如一體化狀態(tài)監(jiān)測、機器自主故障診斷、機組試驗自動化分析評價技術(shù)，已在全國其他多家水電站進行了有效推廣，在設(shè)備故障定位和缺陷分析中發(fā)揮了顯著作用，特別是對于水輪發(fā)電機組主要故障中沖擊信號故障的診斷識別方法得到首次應(yīng)用，基于Hilbert變換的數(shù)字包絡(luò)檢測技術(shù)對水輪發(fā)電機沖擊信號故障進行診斷識別功能已在水口集團各機組上得到了實際的驗證。

表2

圖4和圖5為水口6號機組實際測得的水導(dǎo)擺度沖擊信號波形，從圖4可以看出，機組在擺度160μm時，水導(dǎo)擺度波形中并不存在沖擊信號波形，隨著擺度的增加，由于機組水導(dǎo)軸承處軸瓦間隙是固定的，不會增加，當(dāng)擺度增大到一定程度后，軸瓦間就會出現(xiàn)輕微的摩擦，此時就會產(chǎn)生沖擊信號波形，當(dāng)機組運行過程中水導(dǎo)擺度達到800μm時，水導(dǎo)擺度波形中出現(xiàn)了明顯的沖擊信號波形。此現(xiàn)象在現(xiàn)場也得到了驗證，6號機組在檢修時，對水導(dǎo)瓦進行了全面檢查，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)瓦表面有輕微的磨損跡象，說明采用基于Hilbert變換的數(shù)字包絡(luò)檢測技術(shù)對水輪發(fā)電機沖擊信號故障進行診斷識別的理論模型和計算原理是可行的。

圖4 水導(dǎo)擺度160μm時沖擊信號波形

圖5 水導(dǎo)擺度800μm時沖擊信號波形

5 結(jié)論

水口集團建立的綜合分析診斷系統(tǒng)，為快速全面掌握關(guān)鍵設(shè)備運行健康狀態(tài)提供了重要保障，大大提高了機組的安全穩(wěn)定運行，也為實現(xiàn)狀態(tài)檢修奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。但是，雖然系統(tǒng)實現(xiàn)了機組的若干種常見故障的自動化診斷，對于轉(zhuǎn)輪水下部分（比如汽蝕空化等）等部位的故障研究較少，因此應(yīng)進一步研究機組其他故障的診斷模型、故障特征參數(shù)的辨識方法和判定標(biāo)準(zhǔn)。

另外，目前建立的故障模型是根據(jù)已知的故障機理和實際發(fā)生的故障不斷總結(jié)而來，應(yīng)該說其實用性在工程實際中已經(jīng)得到了一定的驗證。但理論模型總是實際系統(tǒng)的理想簡化，與工程實際還是有一定的差別，還需要根據(jù)實際的測試數(shù)據(jù)不斷的完善。因此，根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)和機組的劣化過程進一步精確化故障診斷模型、完善評價標(biāo)準(zhǔn)是本項目進一步的研究工作。

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TV736

A

1672-5387（2017）04-0013-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.004

2017-02-17

莊明（1969-），男，高級工程師，從事水電廠生產(chǎn)設(shè)備檢修及維護管理工作。