基于小波變換的水輪機(jī)組水導(dǎo)擺度數(shù)據(jù)分析

蘇 立，毛 成，沈春和，謝文經(jīng)，戴利傳

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州黔能企業(yè)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

1 引言

水能作為一種可再生能源可以有效緩解世界能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題，在所有的清潔能源中水能是最早開(kāi)發(fā)的可再生能源之一[1]。隨著水資源的逐步開(kāi)發(fā)及制造技術(shù)的不斷發(fā)展，大型水輪機(jī)組不斷投產(chǎn)，水力發(fā)電在電網(wǎng)中的比重也越來(lái)越大[2]。改革開(kāi)放40 年來(lái)，我國(guó)的水力發(fā)電技術(shù)不斷完善，三峽、白鶴灘等大型水電站不斷投入運(yùn)行，為全世界“降低碳污染、開(kāi)發(fā)綠色能源”的發(fā)展起著重要作用[3]。

水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組是水力發(fā)電的核心部件，它的故障不僅能導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性事故。2009 年8 月17 日，俄羅斯薩楊舒申斯克水電站發(fā)生了嚴(yán)重事故，造成75 人死亡，多臺(tái)機(jī)組受到不同程度的破壞，水電站附近工業(yè)區(qū)大面積無(wú)法供電，直接經(jīng)濟(jì)損失約130 億美元[4]。通過(guò)進(jìn)一步研究水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，能及時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)故障，有效降低設(shè)備損壞率，減少維護(hù)成本，能提高水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的安全可靠性[5，6]。

機(jī)組的振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)能比較全面地反映水輪發(fā)電機(jī)組的可靠性，其中機(jī)組擺度的監(jiān)測(cè)是水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)中重要內(nèi)容之一，能夠反映機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)信息[7]。水輪發(fā)電機(jī)組在開(kāi)機(jī)、停機(jī)、升負(fù)荷、甩負(fù)荷等過(guò)渡過(guò)程工況中包含了大量的機(jī)組狀態(tài)信息[8，9]，基于以上分析，文中采用小波變換分析（Wavelet transformanalyzing，WTA）方法對(duì)機(jī)組開(kāi)機(jī)帶負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)擺度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 小波變換

傳統(tǒng)的信號(hào)分析是建立在傅里葉變換的基礎(chǔ)之上，是一種全局的變換，對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，無(wú)法描述信號(hào)時(shí)頻域的局部性質(zhì)。若用小波變換，不僅可以彌補(bǔ)傅里葉變換的不足，而且還可以進(jìn)行信號(hào)的時(shí)間-頻率局域性分析。

小波變換作為小波分析的核心，具有多分辨率分析的特點(diǎn)[10]，可以從粗到細(xì)地逐步觀察信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[11]：

若在線性空間L2（R）中，設(shè)f（t）在VJ上的投影，則[12，13]：

式中，cj，k為尺度因子，dj，k為小波系數(shù)，Φj，k為不同的小波基。

3 水導(dǎo)擺度數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

水導(dǎo)的擺度直接影響水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文中對(duì)某座水電站某臺(tái)機(jī)組的水導(dǎo)擺度進(jìn)行計(jì)算分析，數(shù)據(jù)的采集時(shí)間分辨率為5 s。對(duì)這些數(shù)據(jù)清洗后，機(jī)組從開(kāi)機(jī)到帶負(fù)荷階段選取了1 500 個(gè)樣本數(shù)據(jù)，其相關(guān)特征如表1 所示。

表1 水輪機(jī)組水導(dǎo)在開(kāi)機(jī)帶負(fù)荷階段的擺度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

在機(jī)組開(kāi)機(jī)帶負(fù)荷階段，水導(dǎo)分別在X、Y 方向擺度信號(hào)的時(shí)間序列如圖1 所示。圖1 中，實(shí)線1表示水導(dǎo)在X 方向的擺度，實(shí)線2 表示Y 方向的擺度。在開(kāi)機(jī)帶負(fù)荷階段，水導(dǎo)開(kāi)機(jī)后第90 s 的擺度最大。雖然在Y 方向的擺度比X 方向的大，兩者的變換軌跡基本上類(lèi)似。

圖1 機(jī)組開(kāi)機(jī)并網(wǎng)階段水導(dǎo)X、Y 方向擺度信號(hào)的時(shí)間序列圖

水輪發(fā)電機(jī)組從開(kāi)機(jī)到帶負(fù)荷的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖2 所示，可以看出機(jī)組開(kāi)機(jī)后3 min 內(nèi)基本上能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并能帶負(fù)荷運(yùn)行。

圖2 水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組開(kāi)機(jī)帶負(fù)荷階段的轉(zhuǎn)速變化曲線

3.2 水導(dǎo)擺度的小波變換

為進(jìn)一步表示水導(dǎo)擺度信號(hào)的特征，分別對(duì)擺度信號(hào)的X 方向和Y 方向進(jìn)行小波變換，擺度信號(hào)X 方向的小波變換如圖3 所示。通過(guò)小波變換可以得到X 方向擺度信號(hào)在不同幅值的幾個(gè)波形，圖3中d1 和d3 為低幅值波形，而d2 為高幅值波形。

圖3 水導(dǎo)擺度信號(hào)X 方向的小波變換

圖4 表示水導(dǎo)擺度信號(hào)在Y 方向的小波變換，同樣，采用小波變換把原來(lái)Y 方向的擺度信號(hào)分為不同幅值的波形，圖4 中d1 和d3 表示低幅值波形，d2 是高幅值波形。

圖4 水導(dǎo)擺度信號(hào)Y 方向的小波變換

通過(guò)擺度信號(hào)的小波變換可以得知，相對(duì)于X方向擺度，在Y 方向的擺度變化比較突出，Y 方向的幅值比X 方向大，也就是說(shuō)，機(jī)組在開(kāi)機(jī)帶負(fù)荷階段，水導(dǎo)在Y 方向的擺度比X 方向的大。

通過(guò)X、Y 方向的擺度散點(diǎn)圖，可以初步判斷本臺(tái)機(jī)組水導(dǎo)的擺度是否在允許范圍內(nèi)。水導(dǎo)在X、Y 方向的擺度散點(diǎn)圖如圖5 所示。

圖5 水導(dǎo)在X、Y 方向的擺度散點(diǎn)圖

從圖5 中可知，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)刻水導(dǎo)的擺度變化比較大，但是很快就下降到允許范圍內(nèi)，并在此范圍內(nèi)不斷微變。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用小波分析方法對(duì)機(jī)組開(kāi)機(jī)帶負(fù)荷過(guò)程中水導(dǎo)擺度信號(hào)進(jìn)行分析，得出以下幾點(diǎn)啟示：

（1）對(duì)擺度信號(hào)進(jìn)行小波變換時(shí)，要適當(dāng)?shù)剡x擇小波基，在不同的小波基，得到的計(jì)算結(jié)果不一樣。

（2）利用Daubechies (dbN)小波系，水導(dǎo)在X、Y方向的擺度信號(hào)進(jìn)行三層分解后構(gòu)造相應(yīng)的小波形。結(jié)合多分辨率分析，在X、Y 方向的擺度信號(hào)在18 處（90 s）的奇異性很強(qiáng)。

（3）機(jī)組在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻水導(dǎo)的擺度不穩(wěn)定，而且變化比較大。開(kāi)機(jī)150 s 后達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并帶負(fù)荷運(yùn)行，水導(dǎo)的擺度在允許范圍內(nèi)不斷微變。