水電設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)*

謝軍 周誠 段美前 俞榮厚

1. 重慶市科源能源技術(shù)發(fā)展有限公司 重慶 401147；

2. 大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司 重慶 409600

引言

水電機組在電力系統(tǒng)中占有重要的比例，其安全穩(wěn)定運行直接影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。水輪發(fā)電機是水力發(fā)電最核心的設(shè)備，水輪發(fā)電機的性能直接影響整個的發(fā)電效率。在水電機組中的設(shè)備老化、突發(fā)故障等因素的影響下，若缺少快速、準(zhǔn)確的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警手段，僅靠傳統(tǒng)人工監(jiān)測和判斷不僅費時費力，監(jiān)測效果和實時性也不足，同時也難以保證判斷的正確性。因此，為了確保水電機組設(shè)備的安全運行，對設(shè)備狀態(tài)的實時在線監(jiān)視，以及對設(shè)備的故障分析和預(yù)警顯得尤為重要[1]。水電廠已經(jīng)建立了計算機監(jiān)控和在線監(jiān)測系統(tǒng)，收集了大量設(shè)備運行數(shù)據(jù)，具備系統(tǒng)建設(shè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。另一方面，專業(yè)人員在生產(chǎn)過程中積累了大量的設(shè)備故障判斷分析的理論經(jīng)驗和實踐經(jīng)驗，積累了大量作為設(shè)備故障判斷的模型和案例，為設(shè)備的自動告警提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

電力設(shè)備故障檢測和預(yù)警系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容是故障的推理與診斷，目前設(shè)備故障診斷分析算法主要包括優(yōu)化技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法[2-3]。每種類型算法各有優(yōu)缺點，采用一種方法解決問題往往兼顧了某一方面卻忽略了其他方面帶來的新的問題，對于復(fù)雜的診斷對象則實現(xiàn)難度大且效果不好[4-5]。本文以水輪發(fā)電機組軸承、頂蓋為例，利用現(xiàn)場設(shè)備運行維護經(jīng)驗，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，分析設(shè)備運行特征，開發(fā)出軸承漏水、頂蓋漏水、機組進入振動區(qū)運行等故障算法，完成水輪發(fā)電機組設(shè)備的故障分析和告警。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)依靠企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，采用瀏覽器服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，以實時數(shù)據(jù)庫為核心，將傳感器監(jiān)測所得的各監(jiān)測點的狀態(tài)參數(shù)動態(tài)地上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，實現(xiàn)設(shè)備的實時監(jiān)測和智能故障診斷，使各職能部門的中、高層技術(shù)和管理人員及時了解設(shè)備狀況。系統(tǒng)用分層分布式集散型體系結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可分為場站端和數(shù)據(jù)中心服務(wù)端兩部分。場站端作為數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)中心服務(wù)端作為數(shù)據(jù)匯集和應(yīng)用的中心節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集、智能計算和智能應(yīng)用。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)模塊及功能

系統(tǒng)基于組件化技術(shù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用快速開發(fā)、“插拔式”部署和統(tǒng)一運行管理的應(yīng)用平臺。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備實時監(jiān)測，實時智能故障診斷，數(shù)據(jù)管理等功能。系統(tǒng)各部分的功能模塊如圖2：

圖2 功能模塊圖

數(shù)據(jù)源：數(shù)據(jù)源包括機組狀態(tài)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、計算機監(jiān)控數(shù)據(jù)、設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)和設(shè)備模型數(shù)據(jù)，機組狀態(tài)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過各個數(shù)據(jù)傳感器進行實時監(jiān)測；系統(tǒng)具備完備的數(shù)據(jù)采集功能以保證系統(tǒng)能夠全面準(zhǔn)確地記錄機組運行的數(shù)據(jù)，提供事故追憶功能，并保證機組發(fā)生事故時能夠提供全面完整的數(shù)據(jù)以供事故分析。

基礎(chǔ)設(shè)施：應(yīng)用硬件資源，主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)分析服務(wù)器、數(shù)據(jù)展示服務(wù)器等，構(gòu)建系統(tǒng)的運行環(huán)境；數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置用于實時采集水電機組設(shè)備運行狀態(tài)的多個源監(jiān)測數(shù)據(jù)；據(jù)采集服務(wù)器，與數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置相連，用于存儲多個數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置傳輸?shù)脑幢O(jiān)測數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，對來自不同數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中的源監(jiān)測數(shù)據(jù)進行檢查、清理和維護，得到目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)；計算服務(wù)器對數(shù)據(jù)管理服務(wù)器中的目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行業(yè)務(wù)分析和運算，得到預(yù)警信息；展示服務(wù)器通過表格和圖形的方式展示所述目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)和所述預(yù)警信息。

應(yīng)用平臺：以數(shù)據(jù)驅(qū)動的工具套件及微服務(wù)管理框架，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析計算、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問，構(gòu)建出開放的數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)平臺；通過數(shù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)計算服務(wù)器和數(shù)據(jù)展示服務(wù)器自動管理數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行檢查、清理和維護。

業(yè)務(wù)應(yīng)用：基于應(yīng)用平臺開發(fā)的設(shè)備監(jiān)測與故障預(yù)警應(yīng)用。通過交互可視化的數(shù)據(jù)分析與展示平臺，快速地搭建數(shù)據(jù)指標(biāo)分析儀表板，以表格、趨勢圖等方式展示監(jiān)測數(shù)據(jù)，對任意信號設(shè)定閾值，展示包括數(shù)值，報警狀態(tài)，數(shù)據(jù)屬性等。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

彭水水電站位于烏江干流下游，電站安裝5臺單機容量為35萬千瓦的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機175萬千瓦，多年平均發(fā)電量達63.51億kW·h，動態(tài)總投資121.51億元。采用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，結(jié)合彭水電站現(xiàn)場設(shè)備運行情況，采集了振動、溫度、壓力、擺度、氣隙、磁場強度等傳感器數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析及建模。

圖3 機組振動運行趨勢分析

以機組進入振動區(qū)報警為例：通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，機組振動與機組運行功率、機組水頭、上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度值有關(guān)，如圖3機組振動運行趨勢分析。進一步綜合機組歷史數(shù)據(jù)和故障發(fā)生時的數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)，故障的判斷與運行工況值有較大關(guān)系，當(dāng)機組水頭大于一定值，機組功率小于一定范圍、機組擺度值到某些范圍，擺度值個數(shù)到達一定個數(shù)，可確定機組進入振動區(qū)運行，以此建立預(yù)警模型，可分析告警。

用同樣的方法，分析設(shè)備的運行特征，相繼建立軸承漏水、頂蓋漏水變大等設(shè)備故障模型，可及時分析和發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。當(dāng)系統(tǒng)分析到設(shè)備故障時，系統(tǒng)通過界面展示告警狀態(tài)信息，如圖4。

圖4 故障預(yù)警界面

告警發(fā)生后，系統(tǒng)可通過分析工具進一步對故障進行確認(rèn)。同時，系統(tǒng)以電子郵件、短信、手機APP等多種方式推送信息，及時通知相關(guān)責(zé)任人，及時消除故障隱患，避免因故障擴大及機組非停帶來的重大經(jīng)濟損失。

3 結(jié)束語

系統(tǒng)結(jié)合實際工作過程中的經(jīng)驗，經(jīng)過加工，提煉，轉(zhuǎn)化成自動化的工具，通過實時采集水電機組設(shè)備運行狀態(tài)的多個源監(jiān)測數(shù)據(jù)，對來自不同數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中的源監(jiān)測數(shù)據(jù)進行檢查、清理和維護，得到目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)；利用數(shù)據(jù)挖掘等方法進行業(yè)務(wù)分析和運算，將預(yù)警結(jié)果及時通知設(shè)備管理及維護人員，設(shè)備在發(fā)生故障時能得到及時的提示，有效解決了水電機組設(shè)備實時故障判斷和預(yù)警問題。設(shè)備故障的發(fā)生是多方面因素綜合反應(yīng)，本文結(jié)合現(xiàn)場的經(jīng)驗作了初步的嘗試，后續(xù)將對設(shè)備故障預(yù)警進行進一步研究，解決生產(chǎn)現(xiàn)場的實際問題。