基于生產(chǎn)實時大數(shù)據(jù)的抽水蓄能機組穩(wěn)定性研究與應(yīng)用

李國和，孫 勇，王 磊，魏 敏

（國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100023）

0 引言

根據(jù)前期對10家抽水蓄能電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行專題分析，對各電站運行情況有了較深入的了解。各運行電站機組振擺不僅存在共性特征，如多數(shù)機組在國家標準下長期穩(wěn)定運行、具有相同影響因素等，而且個性化特征也較為突出。其中，瑯琊山機組振擺和波動區(qū)間均較小，無超出國家標準情況，隨時間變化運行平穩(wěn)無突變狀況發(fā)生，整體運行狀態(tài)優(yōu)秀；桐柏、天荒坪、白蓮河、泰山電站機組振擺和波動區(qū)間相對較小，但偶有超出國家標準情況，隨時間變化運行偶有突變情況發(fā)生，整體運行狀態(tài)良好；回龍、張河灣、西龍池、蒲石河、宜興電站機組振擺和波動區(qū)間較大且超出國家標準情況時有發(fā)生，隨時間變化突變情況也相對較多，整體運行狀態(tài)需要關(guān)注。

而且，基于10家抽蓄電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)機組振擺主要表現(xiàn)在空間和時間兩個維度上，空間維度主要聚焦于振擺的大小，時間維度主要聚焦于振擺的規(guī)律。為此，本文利用箱線圖和趨勢擬合法，分別從空間和時間維度對國網(wǎng)新源控股有限公司10家抽蓄電站40臺機組的振擺數(shù)據(jù)特征規(guī)律進行深度探索。

1 機組振擺數(shù)據(jù)特征分析

1.1 空間維度振擺數(shù)據(jù)特征

1.1.1 機組振動數(shù)據(jù)特征

從機架振動的空間分布上看，主要特征為各運行電站機組機架振動差異較大，同一電站各運行機組機架振動差異也相對較大，而且各電站間機組機架振動范圍各不相同。機組機架振動個性特征明顯[1]。

抽水蓄能機組在發(fā)電（額定負荷）和抽水兩種工況下，振動數(shù)據(jù)特征空間分布如圖1所示，由于宜興、桐柏、瑯琊山、泰山、白蓮河電站機組振動數(shù)據(jù)為速度型測點，單位為mm/s?；佚?、蒲石河、天荒坪、西龍池、張河灣電站機組振動數(shù)據(jù)為位移型測點，單位為μm。所以針對不同振動單位，分別比較。

從圖1可以看出，發(fā)電（額定負荷）和抽水工況下，機架振動特征表現(xiàn)基本保持一致。綜合振動數(shù)據(jù)特征情況和超出國家標準情況：回龍、張河灣電站機組機架振動值很大，且大幅超出國家標準；蒲石河和西龍池電站機組機架振動值也相對較大，且存在超出國家標準的情況；天荒坪、宜興、桐柏、瑯琊山電站機架振動值均很小，沒有超出國家標準的情況發(fā)生。在機組層面，回龍1、2號機組、張河灣2、3號機組機架振動值偏大，而瑯琊山電站4臺機組機架振動值很小。

1.1.2 機組擺度數(shù)據(jù)特征

從導(dǎo)軸承擺度數(shù)據(jù)特征空間分布上看，其主要特征與機架振動相同[2]（見表1），也表現(xiàn)為各運行電站機組擺度差異較大，同一電站各運行機組擺度差異也相對較大的同時，各電站間機組擺度范圍各不相同。機組導(dǎo)軸承擺度個性特征同樣明顯（見表2）。

圖1 各工況下40臺機組振動數(shù)據(jù)區(qū)間分布Figure 1 Vibration data interval distribution of 40 units under various working conditions

表1 機組機架振動區(qū)間中位數(shù)超出國家標準情況統(tǒng)計Table 1 Statistics of the median vibration range of unit frame exceeding the national standard

從圖2可以看出，發(fā)電（額定負荷）和抽水工況下，導(dǎo)軸承擺度特征表現(xiàn)基本保持一致。綜合擺度數(shù)據(jù)特征情況和超出國家標準情況：回龍、蒲石河電站機組導(dǎo)軸承擺度值均很大，且大幅超出國家標準（見表3）；宜興和西龍池電站導(dǎo)軸承擺度值也相對較大，且存在超出國家標準的情況[3]；瑯琊山、泰山、白蓮河電站導(dǎo)軸承擺度值均很小，沒有超出國家標準的情況發(fā)生。在機組層面，回龍1、2號機組、宜興2號機組、西龍池2號機組導(dǎo)軸承擺度均偏大，而瑯琊山電站4臺機組導(dǎo)軸承擺度均很小。

表2 機組導(dǎo)軸承擺度區(qū)間中位數(shù)超出國家標準情況統(tǒng)計Table 2 Statistics of unit guide bearing swing interval median exceeding national standard

圖2 各工況下40臺機組擺度數(shù)據(jù)區(qū)間分布Figure 2 Swing data interval distribution of 40 units under various working conditions

表3 蒲石河發(fā)電（額定負荷）工況導(dǎo)軸承擺度預(yù)警值示意Table 3 Early warning value of guide bearing swing under power generation （rated load） condition of pushihe

1.1.3 機組振擺故障特征

篩選由振擺異常引起、并且具備數(shù)據(jù)支撐分析的9次嚴重、危急缺陷，根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘分析得出，此類缺陷發(fā)生前是缺陷發(fā)生前機組多數(shù)部位振擺陸續(xù)突增[4]，以瑯琊山電站3號機組2016年4月18日發(fā)電過程中缺陷振擺特征為例，如圖3所示。

1.1.4 基于振擺大小的預(yù)警值分析

根據(jù)振擺空間大小的分析結(jié)果，不同機組振擺歷史運行范圍存在明顯差異，有著不同的個性化的運行特性[5]。而機組運行超出自身運行特性，即可能進入異常運行狀態(tài)。為了機組長期可靠安全的運行，充分考慮機組運行的個性化特性，及時掌握機組當前運行狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)機組長時間運行在非振擺歷史區(qū)間或國家標準非安全區(qū)域引起的異常狀態(tài)征兆，避免嚴重事故發(fā)生，保障機組安全穩(wěn)定運行，因此開展預(yù)警值探索性分析研究。

依據(jù)規(guī)程，評定各種機器振動烈度有兩個評定準則的一般描述。一是考慮振動幅值（大?。荒艹鰢覙藴剩ˋ-B區(qū)上限值）的1.25倍；二是考慮振動幅值（大小）的變化，不管是增加還是減少，明顯變化時可能指示事故已發(fā)生或預(yù)示即將發(fā)生的事故或其他不規(guī)則事故，而且當幅值（大?。┑淖兓^國家標準（A-B區(qū)上限值）的25%時，這樣的變化被認為是明顯的[6]。

圖3 振擺類缺陷發(fā)生時振擺變化情況Figure 3 Shimmy changes when shimmy defects occur

預(yù)警值對不同的機器可以有很大的變化，通常是相對于基線值來設(shè)定預(yù)警值[7]。以各機組各部位2011—2016年振擺數(shù)據(jù)的分布區(qū)間上限作為基線值，超出國家標準（A-B區(qū)上限值），預(yù)警基線值修正為A-B區(qū)上限值。

考慮振動幅值（大?。┮娛剑?）：

考慮振動幅值（大?。┳兓娛剑?）：

1.2 時間維度振擺數(shù)據(jù)特征

1.2.1 機組振擺數(shù)據(jù)特征

從機組振擺隨時間維度的變化特征上來看，主要存在年內(nèi)呈季節(jié)性變化；年間呈一定范圍內(nèi)規(guī)律波動；懸式機組較半傘式機組季節(jié)性變化更為明顯的特征[8]（見表4）。

一是機組振擺年內(nèi)呈季節(jié)性變化。季節(jié)性變化機組總占比達70%，懸式機組較半傘式機組季節(jié)性變化更為明顯。在發(fā)電（額定負荷）工況下，天荒坪、宜興、回龍電站12臺懸式機組中有10臺機組振擺年內(nèi)呈季節(jié)性變化特征，占比83%。桐柏、瑯琊山、西龍池、張河灣、泰山、蒲石河、白蓮河電站28臺半傘式機組中有18臺機組振擺年內(nèi)呈季節(jié)性變化特征，占比64%。導(dǎo)軸承擺度年內(nèi)季節(jié)變化規(guī)律是1、2、3月擺度較小，7、8、9月擺度較大。抽水工況下振擺季節(jié)性變化特征與發(fā)電（額定負荷）基本一致[8]（見圖4）。

二是機組振擺年間呈現(xiàn)在一定范圍內(nèi)規(guī)律波動。分析的40臺機組中，發(fā)電（額定負荷）工況下，約69%的機組測點振擺在一定范圍內(nèi)波動，在抽水工況下，約66%的機組測點振擺在一定范圍內(nèi)波動。此外，半傘式機組測點振擺在一定范圍內(nèi)波動的特征占比更大。在發(fā)電（額定負荷）工況下，天荒坪、宜興、回龍電站等懸式機組中，約55%的機組測點振擺在一定范圍內(nèi)波動；桐柏、瑯琊山、西龍池、張河灣、泰山、蒲石河、白蓮河電站等半傘式機組中，約76%的機組測點振擺在一定范圍內(nèi)波動[9]（見圖5）。抽水工況下機組測點振擺在一定范圍內(nèi)波動的特征與發(fā)電（額定負荷）基本一致，如圖6所示。

1.2.2 機組振擺突變情況分析

從機組振擺在時間維度上的突變情況上來看，天荒坪4～6號機組、宜興1～2、4號機組、西龍池2號機組、張河灣1～4號機組、泰山2～3號機組、蒲石河2～3號機組、回龍1～2號機組機架振動或?qū)лS承擺度存在某個時間突然變化的特征，而且機架振動較導(dǎo)軸承擺度的突變特征更為突出。瑯琊山和桐柏電站是最平穩(wěn)的，波動最小更沒有突變情況發(fā)生，運行最優(yōu)（見圖7～圖9）。

2 機組振擺綜合評分

機組振擺突出表現(xiàn)為兩個方向的特征，一個是空間維度，主要體現(xiàn)為振擺的大小；另一個是時間維度，主要體現(xiàn)為振擺的變幅。為了綜合比較公司各電站在空間、時間維度上的變幅，就需要一把統(tǒng)一的尺子加以衡量，以確立評價比較的準確性和權(quán)威性。為此，本文借助大數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)算法，引入了機組振擺綜合評分法的概念[10]。

2.1 機組振擺綜合評分法

首先，為了去除振動和擺度數(shù)據(jù)單位或量級限制，選取離差標準化算法對振擺原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，將其轉(zhuǎn)化為無量綱量的純數(shù)值，使結(jié)果落到[0，1]區(qū)間上，便于不同單位或量級的指標進行比較和加權(quán)；而且為了消除各電站機組之間量級的差異性以及最大程度上保證分析結(jié)論的準確性和權(quán)威性，離差標準化的分母使用的是各電站國家標準規(guī)定振擺的最大值。具體計算公式如式（3）所示。

然后，選取等距映射（ISOMAP）算法對數(shù)據(jù)進行空間維度上的映射，使含有空間大小和隨時間變化特性的二維振擺數(shù)據(jù)降維為一維數(shù)據(jù)，此算法能夠很好地保留數(shù)據(jù)的全局幾何信息。在MDS理論框架上保持點與點之間的最短距離見式（4）。

式中dG——點與點之間的測地距離；

xbi——高維的點；

ybi——低維的點。

轉(zhuǎn)化為最小誤差函數(shù)見式（5）：

最后，綜合考慮振擺數(shù)據(jù)在空間中的大小和振幅情況，選取中位數(shù)、50%集中分布區(qū)間和95%集中分布區(qū)間三個角度進行評價，由點到面，全面展示數(shù)據(jù)的整體信息，進行準確評價。

上述百分位公式中，b表示百分位，Lb、i、fb分別為該百分位所在組段的下限，組距和頻數(shù)，F(xiàn)b為小于該百分位的各組段累計頻數(shù)。則中位數(shù)等三個特征值的計算公式見式（7）～式（9）：

表4 機組振擺在時間維度上的突變情況統(tǒng)計Table 4 Statistics of the sudden change of unit swing in time dimension

圖4 懸式機組導(dǎo)軸承擺度隨時間年內(nèi)季節(jié)性變化規(guī)律示意圖Figure 4 Schematic diagram of seasonal variation of swing of guide bearing of suspension unit with time

圖5 半傘式機組導(dǎo)軸承擺度隨時間年內(nèi)季節(jié)性變化規(guī)律示意圖Figure 5 Schematic diagram of the seasonal variation of the swing of the guide bearing of the semi umbrella unit with the time

圖6 懸式機組導(dǎo)軸承擺度隨時間年間變化規(guī)律示意圖Figure 6 Schematic diagram of swing of guide bearing of suspension unit changing with time

圖7 半傘式機組導(dǎo)軸承擺度隨時間年間變化規(guī)律示意圖Figure 7 Schematic diagram of the variation of the swing of the guide bearing of the semi umbrella unit with time

圖8 蒲石河電站機組機架振動突變情況示意圖Figure 8 Schematic diagram of sudden change of unit frame vibration of pushihe hydropower station

圖9 天荒坪電站機組導(dǎo)軸承擺度突變情況示意圖Figure 9 Schematic diagram of sudden change in swing of guide bearing of tianhuangping power station unit

且由于大小和幅值的重要性是相等的，將三個層面得到的評分求平均值，最終得到綜合評分。分值越高表示振擺的波動程度越劇烈，運行效果越差。

2.2 振擺綜合評分法得出的主要結(jié)論

機組振擺綜合評分，從電站層面看，宜興電站評分最大、回龍次之，瑯琊山電站最小，桐柏電站也較小；從機組層面面看，宜興1、2、4號機組、回龍1號機組、西龍池2、4號機組、張河灣3號機組評分偏大；從機組型式看，立軸半傘式機組評分小于懸式機組（見圖10）。

圖10 40臺機組振擺綜合評分Figure 10 Comprehensive score of shimmy of 40 units analyzed

2.2.1 機組層面綜合評分

從分析的40臺機組看，機組綜合評分從小到大前五位的機組分別為：瑯琊山2號機組0.31、瑯琊山4號機組0.31、瑯琊山3號機組0.36、瑯琊山1號機組0.37、桐柏1號機組0.52。機組綜合評分從大到小后五位的機組分別為：宜興2號機組1.36、宜興4號機組1.33、宜興1號機組1.32、回龍1號機組1.28、西龍池2號機組1.25。

發(fā)電（額定負荷）工況下，機組評分從小到大前五位的機組分別為：瑯琊山2號機組0.32、瑯琊山4號機組0.34、瑯琊山3號機組0.35、瑯琊山1號機組0.35、天荒坪5號機組0.45。機組評分從大到小后五位的機組分別為：宜興2號機組1.38、西龍池2號機組1.36、宜興4號機組1.31、宜興1號機組1.30、西龍池4號機組1.27。

抽水工況下，機組評分從小到大前五位的機組分別為：瑯琊山4號機組0.28、瑯琊山2號機組0.30、瑯琊山3號機組0.37、瑯琊山1號機組0.38、桐柏1號機組0.48。機組評分從大到小后五位的機組分別為：回龍1號機組1.44、宜興4號機組1.34、宜興1號機組1.34、宜興2號機組1.33、張河灣3號機組1.29。

2.2.2 機組型式層面綜合評分

從機組的型式看，立軸半傘式機組綜合評分為0.76，懸式機組綜合評分為1.01，立軸半傘式機組評分小于懸式機組。

發(fā)電（額定負荷）工況下，立軸半傘式機組綜合評分為0.83，懸式機組綜合評分為0.99；抽水工況下，立軸半傘式機組綜合評分為0.70，懸式機組綜合評分為1.04，如圖11所示。

圖11 不同機組型式機組振擺綜合評分Figure 11 Comprehensive score of shimmy for different unit types

宏觀來看，抽水蓄能立軸半傘式機組的振擺評價要明顯優(yōu)于立軸懸式機組。

3 結(jié)束語

目前，根據(jù)2011—2016年關(guān)于機組振動的實時數(shù)據(jù)分析情況看，國網(wǎng)新源控股有限公司所屬抽水蓄能電站主要呈現(xiàn)以下幾個明顯的特征。

一是在空間維度上從振擺大小看，主要特征為各運行電站機組機架振擺大小差異較大，同一電站各運行機組機架振動差異也相對較大。電站層面，回龍、蒲石河、西龍池機架振動和導(dǎo)軸承擺度均很大，且大多數(shù)超出國家標準；張河灣電站機架振動很大，但導(dǎo)軸承擺度并不突出；宜興電站機架振動并不突出，導(dǎo)軸承擺度則很大；瑯琊山電站機架振動和導(dǎo)軸承擺度均很小。在機組層面，回龍1、2號機組、張河灣2、3號機組機架振動和導(dǎo)軸承擺度均偏大，而瑯琊山電站4臺機組機架振動和導(dǎo)軸承擺度則均很小。電站個性特征來看，個別電站或振擺存在突變情況，如泰山2號機組機架在2015年中的突然增大，或長期高位運行，如回龍。而由振擺異常引起的缺陷，有缺陷發(fā)生前機組多數(shù)部位振擺陸續(xù)突增，在前三天左右，機組個別部位振擺出現(xiàn)持續(xù)增大趨勢，機組振擺運行在較長一段時間內(nèi)超標逐漸增多的特征。

二是在時間維度上從振擺規(guī)律上看，主要特征是機組振擺大小年內(nèi)呈季節(jié)性變化浮動，年間呈一定范圍內(nèi)規(guī)律波動。一般來講，機組振擺在1、2、3月擺度較小，7、8、9月擺度較大。

三是為了綜合比較振擺大小，我們設(shè)定了機組振擺綜合評分公式，從綜合評分的結(jié)果上看，各家差異較大，瑯琊山、桐柏表現(xiàn)較好，張河灣、西龍池、回龍、宜興表現(xiàn)不佳。立軸半傘式機組的振擺評價要明顯優(yōu)于立軸懸式機組。