基于振動分析的水電站泵組設(shè)備云監(jiān)測方案

王 寧，束炳芳，包震洲，闞松松，李 剛，陳 漾

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

1 問題的提出

2015年以來，我國先后出臺《中國制造2025》《關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016—2020)》《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》等重大戰(zhàn)略文件，為積極推進中國智能制造提供強大的政策支持和方向指導(dǎo)。

要實現(xiàn)“中國智能制造2025”的目標(biāo)，需要積極推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加快制造數(shù)據(jù)化，設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)，生產(chǎn)過程智能化。

我國水力發(fā)電行業(yè)作為新能源服務(wù)行業(yè)，在能源供給中占有非常重要的地位。由于水電是綠色能源，也是國家未來大力發(fā)展的方向。水電廠的運營成本主要是設(shè)備折舊，相比于核電行業(yè)的生產(chǎn)過程，水電站的設(shè)備運維還是太過依賴人工巡檢、人工確認判斷故障。水電站作為能源“制造廠”，一般服務(wù)年限可達50 a以上，隨著人工成本的提高、技術(shù)人員的缺失，為了合理調(diào)配資源，降低運營成本，提高電廠發(fā)電小時數(shù)，延長設(shè)備的工作年限，最終提高電廠盈利能力，智能制造、智慧運維成為必須要走的路。

緊水灘水電站正是在這樣的背景下，引進基于振動分析的泵組設(shè)備智能運維項目，逐步分析基于振動分析的水電站泵組設(shè)備云監(jiān)測方案的選型、技術(shù)架構(gòu)、實施部署等內(nèi)容。

2 水電站水泵運維難題

一般水電站工作地都比較偏遠，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，由于社會生活水平的提高和工作機會的增多，具備一定運維技術(shù)水平的人員越來越不愿意進駐水電廠工作，運維的資源調(diào)配成為越來越棘手的問題，人工成本居高不下。

水電站泵組設(shè)備運維的難題：1電廠泵組設(shè)備投入比較保守，設(shè)備運行比較穩(wěn)定，設(shè)備運行時故障機會少，巡檢次數(shù)過多浪費人工，運維工作變得不飽和；2設(shè)備故障對生產(chǎn)影響很大，生產(chǎn)需全過程關(guān)注；3由于工作環(huán)境的原因，運維技術(shù)人員難招；4運維人工成本越來越高。

面對以上幾大問題，水電廠也嘗試一些合理有效的方式來解決。緊水灘水電廠目前的設(shè)備運維團隊同時負責(zé)2個水電廠的工作，目的是：1優(yōu)化資源配置，有效整合、合理利用；2最大化降低運維人工成本；3提高運維效率，減少不必要的怠工。

緊水灘團隊資源優(yōu)化的方式能在一定程度上解決問題，但是由于整個運維團隊要負責(zé)2個電廠的設(shè)備，運維工作量和工作壓力也會相應(yīng)增大。另外，由于無法實時獲取泵組設(shè)備的運行健康狀態(tài)，即便設(shè)備不需要維保維修，運維人員也要到現(xiàn)場巡檢、值守。這種情況下，緊水灘電廠參考其他場景中設(shè)備遠程智能運維方案，選擇基于振動分析的泵組設(shè)備云監(jiān)測方案，能最大程度上解決上述問題，并確保有效、快速推廣。

3 智能運維

設(shè)備遠程智能運維主要包括2個主流方向：基于PHM的設(shè)備遠程智能運維和基于狀態(tài)監(jiān)測的智能遠程運維。

3.1 基于PHM的設(shè)備遠程智能運維

基于PHM的設(shè)備遠程智能運維主要針對高價值的設(shè)備，項目一次性投入成本高，周期長，需要對設(shè)備的各狀態(tài)工況數(shù)據(jù)做全面深入的大數(shù)據(jù)分析，確定相關(guān)健康關(guān)鍵指標(biāo)，依據(jù)指標(biāo)參數(shù)進行數(shù)據(jù)建模，并在項目運行過程中不斷學(xué)習(xí)、校正。設(shè)備的運行健康狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性更多依賴指標(biāo)的完整性及模型的成熟度。但是該方案能給用戶一個直觀的設(shè)備健康狀態(tài)程度指標(biāo)，極大降低設(shè)備運維人員的技術(shù)要求。

方案優(yōu)點：1對設(shè)備運維人員技術(shù)要求不高，可直接給出設(shè)備的健康狀況和程度值；2模型成熟的情況下，設(shè)備的故障診斷識別能力強，可提前預(yù)測預(yù)診；3在線實時監(jiān)測。

方案缺點：1項目需要PHM專業(yè)非常強的開發(fā)人員；2模型成熟需要時間積累，項目的效果評估周期長；3系統(tǒng)直接給出設(shè)備的健康狀況結(jié)果，在模型不夠成熟時，容易出現(xiàn)誤判漏判，干擾運維人員的工作。

3.2 基于狀態(tài)監(jiān)測的智能遠程運維

基于狀態(tài)監(jiān)測的智能遠程運維僅采集設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，遠程對設(shè)備數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，設(shè)備的運行健康狀況完全由相關(guān)運維人員通過平臺監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析、判斷。

方案優(yōu)點：1項目實施簡單，開發(fā)實施難度低，周期短；2設(shè)備健康狀態(tài)由更加了解設(shè)備情況的現(xiàn)場運維技術(shù)人員根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行分析判斷，不容易出現(xiàn)誤判；3在線實時監(jiān)測。

方案缺點：1培訓(xùn)成本高，運維人員需要掌握更全面的技術(shù)，需要學(xué)習(xí)更多專業(yè)之外的知識，以便可以準(zhǔn)確從設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷設(shè)備健康情況；2設(shè)備健康狀態(tài)的判斷更多依賴運維人員的技術(shù)能力；3運行狀態(tài)由于沒有更深入的數(shù)據(jù)提取，數(shù)據(jù)只能反映當(dāng)前的情況，對早期和輕微故障無法提前預(yù)測。

4 基于振動分析的水電站泵組設(shè)備云監(jiān)測方案

由于水電站泵組設(shè)備運行比較穩(wěn)定，而且其設(shè)備價值不高，采用PHM的智能監(jiān)測方案明顯投入過大，但是效果并不明顯；如果直接采用狀態(tài)監(jiān)測，僅僅采集水泵運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)，比如電流、振動信號、運行時長、溫度等，無法很好地反映和評估設(shè)備健康狀況，無法做到有效的健康監(jiān)測。

緊水灘水電站結(jié)合其自身的環(huán)境、設(shè)備運行和運維情況，綜合考慮PHM監(jiān)測和運行狀態(tài)監(jiān)測的優(yōu)缺點，提出基于振動分析的水電站泵組設(shè)備云監(jiān)測新方案，能夠較好避免前面2種方案的缺點，最大限度發(fā)揮各自的優(yōu)點，為運維工作帶來實效。

該方案設(shè)計為一種云部署方式，保證設(shè)備相關(guān)人員可以隨時隨地登入系統(tǒng)，及時了解設(shè)備的運行健康狀況。方案架構(gòu)見圖1。

圖1 方案架構(gòu)圖

4.1 基于振動感知技術(shù)的特征指標(biāo)提取

從水電站的泵組設(shè)備機械設(shè)計原理分析，設(shè)備運行時振動信號可以比較清晰地反映運行時健康特征。通過對水泵電機運行時大數(shù)據(jù)的采集和分析，找出泵組設(shè)備的振動監(jiān)測指標(biāo)，直觀體現(xiàn)設(shè)備運行及健康狀況，運維人員只需了解設(shè)備故障變化時振動指標(biāo)的變化，就可以簡單通過指標(biāo)參數(shù)的變化判斷設(shè)備狀況。

該方案案例中，分別采用信號預(yù)處理算法、信號IIR濾波、信號卷積分析、傅里葉變換、Hilbert包絡(luò)分析及信號積分等算法分析手段，對設(shè)備運行振動信號數(shù)據(jù)進行分析診斷，提取相關(guān)特征參數(shù)?；谇捌谑占臄?shù)據(jù)分析結(jié)果，分別針對當(dāng)前監(jiān)測水泵確定監(jiān)測指標(biāo)（見表1）。

表1 水泵監(jiān)測指標(biāo)表

通過大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，確定指標(biāo)的上下閾值，直接用于系統(tǒng)內(nèi)指標(biāo)告警的設(shè)定，降低運維人員了解相關(guān)指標(biāo)信息技術(shù)的難度，直接以指標(biāo)超閾值給出警報的方式，提醒運維人員關(guān)注設(shè)備情況。

4.2 數(shù)據(jù)安全性保障

系統(tǒng)分別在各個相關(guān)環(huán)節(jié)進行安全認證和數(shù)據(jù)加密，保障生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全。在邊緣數(shù)據(jù)上云和客戶訪問系統(tǒng)的2個重要開放性互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，均采用SSL的數(shù)據(jù)加密方式進行數(shù)據(jù)傳輸（見圖2）。

圖2 SSL安全傳輸協(xié)議過程圖

4.3 云部署

系統(tǒng)部署到互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，真正做到遠程監(jiān)測、云運維，相關(guān)人員可以隨時隨地登入系統(tǒng)，查看相關(guān)設(shè)備的運行健康狀況。

對于云平臺的選擇，緊水灘項目采用私有云進行部署。私有云可以最大限度保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)訪問安全。

4.4 快速復(fù)制

通過以下幾點，可將該方案快速復(fù)制到其他泵組設(shè)備、水電站：

（1）系統(tǒng)平臺應(yīng)用功能統(tǒng)一，針對泵組設(shè)備的監(jiān)測內(nèi)容和方式保持一致；

（2）邊緣端感知技術(shù)的方案一致；

（3）針對水電站泵組設(shè)備的特征指標(biāo)監(jiān)測內(nèi)容一致，算法可重用；

（4）邊緣端數(shù)據(jù)到云平臺系統(tǒng)的接口及協(xié)議通道一致，可隨時無感增減接入設(shè)備數(shù)據(jù)；

（5）系統(tǒng)如果需要完全復(fù)制到其他電廠，只需要按照原案例的實施方式即可滿足，不需要額外的開發(fā)。

4.5 項目案例效果

由于緊水灘電廠內(nèi)該種類的水泵是根據(jù)現(xiàn)場實際水位情況自動啟動工作，一般1次開機工作時長才幾分鐘，間隔周期1 h左右。運維人員日常巡檢過程中，遇上水泵開機工作的概率較低，所以無法及時查看其工作狀態(tài)和健康反饋。云監(jiān)測方案上線后，幫助運維工程師解決運維困擾，起到了積極的作用，效果明顯：

（1）使用設(shè)備的所有相關(guān)人員能在任何地方監(jiān)測到水泵的運行狀態(tài)指標(biāo)，包括開機時間、工作時長，其他指標(biāo)變化狀況等；

（2）水泵輕微異常狀態(tài)或者故障趨勢變化，智能感知數(shù)據(jù)采集通過部署的診斷分析算法可提前判斷和預(yù)知；

（3）運行異常或者故障的警報通過云監(jiān)測系統(tǒng)及時傳遞給所有相關(guān)運維人員；

（4）云監(jiān)測系統(tǒng)提供相關(guān)數(shù)據(jù)報表，幫助運維人員更好地跟蹤水泵的運行及工作狀況。

5 結(jié) 語

基于振動分析的水電站泵組云監(jiān)測方案是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、振動監(jiān)測、AI大數(shù)據(jù)分析、智能運維及感知物聯(lián)等技術(shù)，從減少人工、保障設(shè)備運維、延長設(shè)備使用年限的前提出發(fā)，針對水電站泵組設(shè)備的一套遠程運維方案。該方案已經(jīng)在緊水灘水電站部署測試。