基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動的水電機(jī)組振動區(qū)獲取方法

王衛(wèi)玉，李崇仕，胡勇勝，劉 禹，魏加達(dá)

（1.國家電力投資集團(tuán)水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

0 引言

水電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中會出現(xiàn)振動，當(dāng)振動在合理范圍內(nèi)時，機(jī)組可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工況偏離設(shè)計值時，尾水管內(nèi)會出現(xiàn)水力不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致振動加劇。水電機(jī)組在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻的功能，機(jī)組潛在運(yùn)行的負(fù)荷范圍較廣，在分配水電機(jī)組出力時必須考慮水輪機(jī)的振動，避免其在振動區(qū)工作，這就需要對其振動區(qū)間的掌握[1,2]。傳統(tǒng)的水電機(jī)組振動區(qū)劃分方法基于穩(wěn)定性試驗(yàn)，由于年調(diào)節(jié)或多年調(diào)節(jié)水電站水頭變化較少，穩(wěn)定性試驗(yàn)不能夠經(jīng)常開展，且試驗(yàn)開展的時間和時長需要經(jīng)過調(diào)度部門審批，因此常規(guī)振動區(qū)劃分僅能夠考慮有限水頭和機(jī)組在部分負(fù)荷下的穩(wěn)定性表現(xiàn)數(shù)據(jù)，存在數(shù)據(jù)無法覆蓋全部運(yùn)行工況以及數(shù)據(jù)量不夠精細(xì)等問題，所劃分振動區(qū)往往與真實(shí)情況存在較大誤差[3,4]。

常規(guī)水電機(jī)組振動區(qū)劃分方法存在以下不足：（1）常規(guī)水電機(jī)組振動區(qū)劃分方法需要開展穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)需要耗費(fèi)額外的人力物力，成本較高；（2）常規(guī)水電機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)需要調(diào)度部門允許，且只能夠在有限水頭下進(jìn)行，無法完整覆蓋機(jī)組運(yùn)行的全工況范圍；（3）常規(guī)的水電機(jī)組振動區(qū)劃分方法在某一水頭下進(jìn)行試驗(yàn)時只能選取部分負(fù)荷點(diǎn)（10%、20%、30%...90%、100%）進(jìn)行測試，無法覆蓋所有機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷范圍；（4）常規(guī)的水電機(jī)組振動區(qū)劃分結(jié)果較為粗略，并且無法根據(jù)機(jī)組長期實(shí)際表現(xiàn)進(jìn)行精細(xì)化，可能存在偏離機(jī)組實(shí)際狀態(tài)情況[5,6]。

基于以上背景，提出一種基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動的水電機(jī)組振動區(qū)獲取方法[7]。首先介紹了方法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，包括數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)清洗策略、測點(diǎn)閾值配置策略以及數(shù)據(jù)驅(qū)動的振動區(qū)獲取方法；其次基于實(shí)測數(shù)據(jù)對該方法的實(shí)際效果進(jìn)行了驗(yàn)證，并介紹了一項實(shí)時振動區(qū)獲取結(jié)果指導(dǎo)優(yōu)化運(yùn)行案例；最后為本文結(jié)論。

1 基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動的水電機(jī)組振動區(qū)獲取方法

首先基于水電工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺獲取的水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測海量歷史數(shù)據(jù)，將根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程設(shè)定的水電機(jī)組振動閾值表以及包含機(jī)組工況參數(shù)及穩(wěn)定性參數(shù)在內(nèi)的多維數(shù)據(jù)輸入振動區(qū)獲取算法，通過算法判斷每個穩(wěn)定性測點(diǎn)數(shù)據(jù)正常、一級報警、二級報警和通道失效等4種狀態(tài)，并將相應(yīng)工況量參數(shù)及標(biāo)識參數(shù)字段信息輸出；其次，基于輸出結(jié)果，以負(fù)荷為橫坐標(biāo)，以水頭為縱坐標(biāo)，繪制振動區(qū)分析圖，將機(jī)組報警數(shù)據(jù)對應(yīng)的水頭及最大負(fù)荷和最小負(fù)荷繪制于圖中，利用積累的海量數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，獲得水電機(jī)組振動區(qū)結(jié)果；最后，基于水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動算法，實(shí)現(xiàn)振動區(qū)分析范圍及精度的數(shù)據(jù)自驅(qū)動優(yōu)化。

圖1 基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動的水電機(jī)組振動區(qū)自動獲取技術(shù)路線

1.1 數(shù)據(jù)來源

涉及數(shù)據(jù)來源于水電機(jī)組穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，主要分為穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)、工況參數(shù)測點(diǎn)及開關(guān)量參數(shù)測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)清洗

由于線路干擾和傳感器松動等原因，數(shù)據(jù)中存在無效數(shù)據(jù)，故需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，數(shù)據(jù)清洗的流程為：

（1）依據(jù)機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)對數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行清洗：根據(jù)各穩(wěn)定性測點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄中，數(shù)值的分布情況，刪除每個測點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄中的離群數(shù)值。數(shù)據(jù)清洗的流程為：①計算每個樣本中每個穩(wěn)定性參數(shù)數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差；②篩選出穩(wěn)定性參數(shù)數(shù)據(jù)中與平均值相差超過3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)；③將②中篩選出的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾除。

（2）依據(jù)機(jī)組的工況參數(shù)對數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行清洗：根據(jù)機(jī)組的基本狀況，確定各工況參數(shù)的清洗判斷條件，即其最大、最小值，以該判斷條件進(jìn)行清洗。

根據(jù)水電機(jī)組的基本運(yùn)行參數(shù)及其實(shí)際運(yùn)行表現(xiàn)規(guī)律，將數(shù)據(jù)的清洗判斷邏輯設(shè)置為：保留存儲的所有數(shù)據(jù)中機(jī)組水頭H數(shù)值位于最小水頭Hmin和機(jī)組最大水頭Hmax之間的數(shù)據(jù)記錄；刪除有功功率Ρ數(shù)值大于水電機(jī)組額定功率Ρr或小于0的數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)清洗過程的數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

式中，H為該條被清洗數(shù)據(jù)對應(yīng)的水頭值，Hmin為最小水頭，Hmax為最大水頭，Ρ為該條數(shù)據(jù)記錄的有功功率數(shù)值，Ρr為機(jī)組額定功率。

1.3 測點(diǎn)閾值配置

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程對每個穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)設(shè)置報警閾值。報警閾值條件包括且不限于：介于、大于、等于、小于、不等于、小于等于、大于等于、不介于，具體條件根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程設(shè)定；報警閾值類型分為一級報警閾值（alarm_level1）和二級報警閾值（alarm_level2）兩種。對應(yīng)報警閾值函數(shù)如下式所示。

1.4 振動區(qū)提取算法

振動幅值越限值是機(jī)組重要的故障征兆指標(biāo)，算法實(shí)現(xiàn)對各穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)數(shù)據(jù)和一級報警閾值以及二級報警閾值對比計算，返回振動幅值越限值情況，包括通道正常、一級報警、二級報警和通道失效等4種。算法將存在通道異常狀態(tài)征兆的信息實(shí)時輸出，并自動存儲機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)振動幅值越限值異常狀態(tài)征兆信息。最終篩選某臺機(jī)組一定時間內(nèi)所有報警記錄（包括一級報警及二級報警2類），繪制到振動區(qū)分析圖中，以此類推，將該測點(diǎn)所有報警記錄以上述方式繪制到振動區(qū)間分析圖中，得到該測點(diǎn)該時間段內(nèi)振動區(qū)間分析結(jié)果，基于此得到該機(jī)組此段時間內(nèi)運(yùn)行水頭下該測點(diǎn)振動負(fù)荷區(qū)間分析結(jié)果。算法邏輯如圖2所示。

圖2 基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的水電機(jī)組振動區(qū)自動獲取算法邏輯

2 實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證

國家電力投資集團(tuán)水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心基于本文的專利方法自主研發(fā)了水電機(jī)組振動區(qū)自動獲取+報警分析系統(tǒng)，包含了振動區(qū)間分析、幅值報警統(tǒng)計、振擺高負(fù)荷幅值報警統(tǒng)計、除振擺外幅值報警統(tǒng)計、報警專項分析和通道失效統(tǒng)計等11項功能應(yīng)用。目前該系統(tǒng)已推廣應(yīng)用至五凌電力有限公司12座、53臺不同型式水電機(jī)組。系統(tǒng)主要功能界面如圖3所示。

圖3 水電機(jī)組振動區(qū)自動獲取+報警分析系統(tǒng)

下面以某電站混流式水電機(jī)組為例進(jìn)行效果驗(yàn)證及實(shí)例介紹。

2.1 機(jī)組基本參數(shù)

電站安裝有5臺250 MW混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量1 250 MW，設(shè)計多年平均發(fā)電量53.7億kW·h，采用壩后式廠房。機(jī)組安裝有PSTA2100型機(jī)組測振測擺監(jiān)測分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組振動、擺度和壓力脈動等狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。機(jī)組基本參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組基本參數(shù)

2.2 振動區(qū)獲取效果驗(yàn)證

以電站4號機(jī)組為對象，基于機(jī)組穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)，對振動區(qū)獲取效果進(jìn)行驗(yàn)證。2021年11月～12月機(jī)組水頭變化趨勢如圖4所示，機(jī)組平均水頭從47.72 m上升到57.23 m，水頭變化接近10 m。

圖4 機(jī)組水頭及電站上下游水位變化趨勢

基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動的水電機(jī)組振動區(qū)獲取方法獲取的2021年11月～12月穩(wěn)定性測點(diǎn)報警統(tǒng)計情況如表2所示。實(shí)現(xiàn)對機(jī)組每個測點(diǎn)的振動報警次數(shù)、報警幅值范圍和報警發(fā)生負(fù)荷區(qū)間等情況的量化記錄，實(shí)現(xiàn)對每個穩(wěn)定性測點(diǎn)穩(wěn)定性表現(xiàn)的量化掌握。

表2 4號機(jī)組2021年11月～12月測點(diǎn)報警信息自動記錄情況

此段時間內(nèi)整體振動區(qū)獲取效果如圖5所示。從圖5中可以看出隨著水頭增加機(jī)組振動區(qū)負(fù)荷上限有增大表現(xiàn)，振動區(qū)獲取效果與水電機(jī)組穩(wěn)定性機(jī)理一致。

圖5 振動區(qū)分析結(jié)果

頂蓋X向振動在此時間段內(nèi)振動區(qū)間表現(xiàn)如圖6所示，從圖中看出測點(diǎn)在56 m以下低水頭時在低部分負(fù)荷時存在報警，在56 m水頭附近振動報警負(fù)荷區(qū)間上限增加到200 MW附近，在230 MW高負(fù)荷附近出現(xiàn)1次報警記錄。說明機(jī)組運(yùn)行水頭偏離設(shè)計水頭越大，頂蓋振動穩(wěn)定性越差，可能與水頭較高，導(dǎo)葉開度較低，導(dǎo)致的水力穩(wěn)定性較差有關(guān)。

圖6 振動區(qū)分析結(jié)果——頂蓋X向振動單測點(diǎn)

2.3 指導(dǎo)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行實(shí)例

2022年6月份，電站來水較好，機(jī)組連續(xù)帶高負(fù)荷運(yùn)行。2號機(jī)組1～5月份整體振動區(qū)表現(xiàn)如圖7（1）所示，從圖中可以看出振動區(qū)表現(xiàn)正常，在靠近設(shè)計水頭時振動區(qū)負(fù)荷上限較低，在靠近最大水頭的高水頭時振動區(qū)負(fù)荷上限較高。6月份振動區(qū)整體表現(xiàn)如圖7（2）所示，從圖中可以看出機(jī)組運(yùn)行水頭位于設(shè)計水頭以下，頂蓋Y向振動測點(diǎn)在高部分負(fù)荷存在特殊的振動區(qū)間。

圖7 振動區(qū)分析結(jié)果——頂蓋X向振動單測點(diǎn)

通知電廠運(yùn)行人員將負(fù)荷調(diào)整后（升高至240 MW以上），振動值恢復(fù)正常水平，保障了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，具體趨勢表現(xiàn)如圖8所示。

圖8 負(fù)荷調(diào)整前后頂蓋Y向振動幅值趨勢表現(xiàn)

3 結(jié)論

本文提出了基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動的水電機(jī)組振動區(qū)獲取方法，實(shí)現(xiàn)了基于海量歷史數(shù)據(jù)驅(qū)動的水電機(jī)組振動區(qū)的獲取，數(shù)據(jù)實(shí)時驅(qū)動的水電機(jī)組振動區(qū)實(shí)時跟蹤更新和細(xì)化。

結(jié)合某電廠機(jī)組穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，分析結(jié)果表明該方法可以有效地獲取水電機(jī)組振動區(qū)表現(xiàn)，在量化不同水頭負(fù)荷下水電機(jī)組穩(wěn)定性表現(xiàn)方面具有良好的效果和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)組異常振動的實(shí)時跟蹤記錄及情況掌握，保障了機(jī)組的安全穩(wěn)定性，并可指導(dǎo)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行。