烏溪江水電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷平臺(tái)建設(shè)及難點(diǎn)研究

鄭建鋒，陳澤陽，江振濤

（1.浙江華電烏溪江水力發(fā)電有限公司，浙江 衢州 324000；2.北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司，北京 100043）

0 引言

浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠有限公司坐落在浙江省衢州市，是中國華電集團(tuán)公司內(nèi)部核算企業(yè)，也是浙江電網(wǎng)的主力調(diào)峰電廠。作為烏溪江流域梯級(jí)開發(fā)的水電公司和國有大Ⅱ型企業(yè)，在浙江電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、事故備用等作用。烏溪江水力發(fā)電廠由湖南鎮(zhèn)及黃壇口兩個(gè)電站構(gòu)成梯級(jí)電站，一級(jí)站湖南鎮(zhèn)電站裝機(jī)5臺(tái)，二級(jí)站黃壇口電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)344.5 MW[1，2]。

2002年，烏溪江電站在湖南鎮(zhèn)1號(hào)機(jī)組上安裝了TN 8000水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，采用在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和處理結(jié)合，綜合MIS系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和水輪發(fā)電機(jī)及輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，為機(jī)組實(shí)現(xiàn)“關(guān)門運(yùn)行”起到了重要作用[3，4]。

為了在其他機(jī)組上開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)與分析，并建立機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能數(shù)據(jù)平臺(tái)，2020年對(duì)烏溪江水電站所屬的湖南鎮(zhèn)電站2～4號(hào)和黃壇口電站5、6號(hào)機(jī)組，開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建，同時(shí)基于全部機(jī)組的狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一編碼、搭建智能平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)多電站多機(jī)組的聚合監(jiān)視、狀態(tài)報(bào)警、劣化和故障診斷功能。

本文針對(duì)烏溪江水電站現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，結(jié)合已經(jīng)安裝的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)和診斷平臺(tái)的研究、設(shè)計(jì)與實(shí)施，針對(duì)其難點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出解決方案，最終為實(shí)現(xiàn)電站機(jī)組狀態(tài)檢修建立平臺(tái)依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，能夠?yàn)槠渌呀?jīng)前期安裝、投入部分狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電站提供建設(shè)思路和參考。

1 平臺(tái)測(cè)點(diǎn)選擇

隨著計(jì)算機(jī)監(jiān)控和各類在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷普及，水電廠安裝了大量傳感器，這些測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)中，蘊(yùn)含了豐富的機(jī)組狀態(tài)情況和有價(jià)值信息。多年以來，這些數(shù)據(jù)利用率并不高，主要用于統(tǒng)計(jì)、展示、報(bào)警，即使用于分析設(shè)備和系統(tǒng)狀態(tài)和故障情況，也基本處于定性分析層面，尤其是多數(shù)據(jù)之間的關(guān)系以及相互作用對(duì)設(shè)備與系統(tǒng)的影響過程、結(jié)果以及發(fā)展趨勢(shì)，無法量化、直觀地表現(xiàn)出來[5，6]。

因此，這里從機(jī)組可能產(chǎn)生的故障出發(fā)，反向推理對(duì)應(yīng)這些故障需要采集和監(jiān)測(cè)的信息，進(jìn)而開展平臺(tái)測(cè)點(diǎn)的選擇，使得平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)—傳感器和數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)具有較好的針對(duì)性和應(yīng)用價(jià)值。

表1給出了該平臺(tái)研究的設(shè)備故障，和對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)信息。

通過結(jié)合機(jī)組故障相關(guān)的狀態(tài)特征，利用現(xiàn)場(chǎng)安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)特征值，診斷平臺(tái)開展計(jì)算特征值和相關(guān)特性的研究，以實(shí)現(xiàn)常見故障的診斷、評(píng)估和預(yù)測(cè)。

表1 水電機(jī)組常見設(shè)備故障及狀態(tài)特征表

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

常規(guī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過聚合算法，將多個(gè)同類型傳感器數(shù)據(jù)聚合為多個(gè)監(jiān)測(cè)界面，減少運(yùn)行人員監(jiān)盤工作量，并對(duì)機(jī)組各振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰峰值或最大值以結(jié)構(gòu)示意圖、棒圖、表格、曲線等形式進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

常規(guī)分析功能主要跟穩(wěn)定性特性相關(guān)，例如時(shí)域分析主要反映連續(xù)的一段時(shí)間機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力等信號(hào)波形隨時(shí)間的變化規(guī)律和幅值大?。活l譜分析用來比較對(duì)影響機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)的特征頻率的幅值，以及在不同工況下的變化和發(fā)展趨勢(shì)；軸心軌跡用來比較機(jī)組在過渡過程中形狀大小的變化、軸心渦動(dòng)軌跡的變化[7]。

針對(duì)水電機(jī)組數(shù)據(jù)特點(diǎn)，尤其是水電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)受到機(jī)械、電氣、水力多種因素影響，其作為慢速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，提供部分特有的分析功能包括：

（1）空間軸線圖：分析過渡過程中擺線姿態(tài)、軸心位置、各大軸彎曲量和彎曲相位、推力軸承狀態(tài)、動(dòng)平衡相位、盤車最大幅值和最小幅值的變化。通過暫態(tài)過程軸心軌跡，分析變轉(zhuǎn)速過程、變勵(lì)磁過程、變負(fù)荷過程軸軌跡的形狀、大小、渦動(dòng)軌跡的變化，借此分析軸承的狀態(tài)。

（2）瀑布級(jí)聯(lián)圖：通過瀑布圖分析機(jī)組振因，確定影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的各種因素，通過級(jí)聯(lián)圖分析機(jī)組振因是否與轉(zhuǎn)速相關(guān)，以判定是否存在模態(tài)振動(dòng)（比如轉(zhuǎn)速升高，引起機(jī)架或其它部件模態(tài)振動(dòng)）

（3）極坐標(biāo)圖、伯德圖：分析振動(dòng)、擺度信號(hào)中倍頻成分（如1X）的幅值與相位的變化。

圖1 空間軸線圖

圖2 瀑布級(jí)聯(lián)圖

3 建設(shè)難點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)集成難點(diǎn)

除了現(xiàn)場(chǎng)新安裝的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外，為了開展湖南鎮(zhèn)和黃壇口兩個(gè)梯級(jí)電站的數(shù)據(jù)集成與分析，智能數(shù)據(jù)平臺(tái)需在入庫前保證所有傳感器測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化。另外，對(duì)電站原有子系統(tǒng)和其他數(shù)據(jù)平臺(tái)，既要保證其正常應(yīng)用，還要完成與智能數(shù)據(jù)平臺(tái)的通信和集成。為了解決這些建設(shè)難點(diǎn)，智能監(jiān)測(cè)診斷平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了5個(gè)軟件接口，分別是數(shù)據(jù)統(tǒng)一接口、數(shù)據(jù)庫同步接口、數(shù)據(jù)訪問接口、數(shù)據(jù)庫級(jí)聯(lián)接口和其他協(xié)議接口。分別實(shí)現(xiàn)對(duì)接入的數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、存儲(chǔ)、預(yù)處理、分析和通信功能。平臺(tái)采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)編碼規(guī)則，對(duì)匯聚的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化處理，再通過平臺(tái)智能算法，開展數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)加工，實(shí)時(shí)計(jì)算各種量化特征指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)劣化趨勢(shì)預(yù)警、故障診斷、優(yōu)化運(yùn)行、在線統(tǒng)計(jì)等功能。

整個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 平臺(tái)軟件接口結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型和特點(diǎn)，將子系統(tǒng)數(shù)據(jù)分成點(diǎn)數(shù)據(jù)和塊數(shù)據(jù)兩部分，并分別按照數(shù)據(jù)類型進(jìn)行緩存；所有數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)庫前，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)一接口對(duì)其進(jìn)行KKS編碼綁定，并通過編碼進(jìn)行管理和存取。其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的通信規(guī)約和數(shù)據(jù)庫連接接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚。

數(shù)據(jù)庫同步接口采用增量同步的方式，將源數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)平臺(tái)。數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)為外部應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，平臺(tái)可以同時(shí)接入大量不同的設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)高效的拉取數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)庫訪問接口，可以將源數(shù)據(jù)庫當(dāng)作外掛數(shù)據(jù)庫，需要數(shù)據(jù)時(shí)直接訪問讀取而無需進(jìn)行數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)存。

級(jí)聯(lián)接口是平臺(tái)與平臺(tái)之間的通信接口，可在多個(gè)數(shù)據(jù)中心之間進(jìn)行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交互，是多個(gè)平臺(tái)級(jí)聯(lián)形成分布式系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的關(guān)鍵。

利用其他協(xié)議接口，可以從智能數(shù)據(jù)終端讀取并存取數(shù)據(jù)，包括Modbus TCP、R232、R485等各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

3.2 智能算法開發(fā)

為了保證人機(jī)訪問界面的效率，系統(tǒng)平臺(tái)在數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)中，開發(fā)了智能流式算法引擎，在線加工計(jì)算各種特征量和指標(biāo)量。

考慮到算法的擴(kuò)展和更新，開發(fā)可視化算法配置和管理功能，對(duì)多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的算法模塊進(jìn)行配置。輸入數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)平臺(tái)，由算法引擎統(tǒng)一讀取，再分發(fā)給各算法模塊，避免數(shù)據(jù)重復(fù)調(diào)用。

各種算法模塊對(duì)各種監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行在線算法加工和處理，形成各種中間計(jì)算量、特征指標(biāo)和故障指標(biāo)，相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算無需要人工干預(yù)，在機(jī)組運(yùn)行過程中自動(dòng)實(shí)時(shí)完成。

對(duì)部分機(jī)理明確的故障特征，采用常規(guī)基于規(guī)則的分析和診斷算法，包括頻譜分析算法、相關(guān)分析算法、專家系統(tǒng)算法等，而對(duì)于大量正常運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)，則采用機(jī)器學(xué)習(xí)中的非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法開展分析，包括聚類算法、蟻群算法和GA算法等。由于采用了算法管理配置，因此可以隨著系統(tǒng)平臺(tái)的開發(fā)和實(shí)踐，逐漸完善、更新和增刪其他分析診斷算法。

圖4 平臺(tái)算法引擎結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

在水電行業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝應(yīng)用越來越廣泛的時(shí)候，如何在電站現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上開展新增監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、完成所有數(shù)據(jù)集成和智能分析平臺(tái)建設(shè)，是很多水電站都會(huì)遇到的難題，本文利用烏溪江湖南鎮(zhèn)和黃壇口兩個(gè)梯級(jí)電站的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擴(kuò)展項(xiàng)目，開展了整個(gè)平臺(tái)建設(shè)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，尤其是開發(fā)了一系列通用接口，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)開放的算法引擎，最終實(shí)現(xiàn)梯級(jí)電站的綜合分析與智能診斷。

智能平臺(tái)的開展與實(shí)施，為電站繼續(xù)推進(jìn)的狀態(tài)檢修提供了軟硬件基礎(chǔ)，后續(xù)可以基于開放算法引擎接口，繼續(xù)開展智能化診斷、評(píng)估和預(yù)測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用，為保證機(jī)組高效、安全運(yùn)行提供依據(jù)和條件。