基于VMD-TCN的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘旭 張寶源 孟威 常峰德 高志國(guó)

摘要：針對(duì)常規(guī)的水電機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以高頻振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)為主，低頻振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)失誤問(wèn)題較多，影響水電機(jī)組正常運(yùn)行的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于VMD-TCN的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。硬件方面，設(shè)計(jì)了AC102加速度傳感器；軟件方面，采集水電機(jī)組健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)水電機(jī)組狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行處理，判斷機(jī)組健康狀態(tài)?；赩MD-TCN分解水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)，根據(jù)采集到的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)頻段子模態(tài)分解，確保監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)提升了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果，系統(tǒng)性能良好。

關(guān)鍵詞：VMD-TCN；水電機(jī)組；健康狀態(tài)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖法分類號(hào)：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.007

文章編號(hào)：1006-0081（2024）02-0044-04

0 引 言

水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)專項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)σ粋€(gè)或一部分機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷，確保其正常運(yùn)行。目前，水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并未對(duì)低頻振動(dòng)信號(hào)作出精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)失誤現(xiàn)象頻發(fā)。因此，研究人員設(shè)計(jì)了多種解決方案。陳學(xué)標(biāo)等提出基于EEMD-SD振動(dòng)信號(hào)分析的水電機(jī)組故障預(yù)警方法，采集水電機(jī)組上振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，將預(yù)處理后的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行EEMD分解，得到不同頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)模態(tài)函數(shù)（IMF），從每個(gè)IMF分量中提取相關(guān)的振動(dòng)特征。通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析振動(dòng)特征的變化，建立機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)的基準(zhǔn)值，并結(jié)合故障樣本數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行異常檢測(cè)和故障診斷。根據(jù)異常檢測(cè)和故障診斷的結(jié)果建立故障預(yù)警模型，監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能的故障并預(yù)警。袁璞等提出基于AI視頻圖像處理的水電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)與智能報(bào)警技術(shù)研究，采集機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的視頻數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)構(gòu)建訓(xùn)練集和測(cè)試集，從預(yù)處理后的視頻幀中提取關(guān)鍵的視覺(jué)特征。基于提取的特征，建立監(jiān)測(cè)模型，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。通過(guò)監(jiān)督學(xué)習(xí)算法來(lái)訓(xùn)練分類器對(duì)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)測(cè)。本文基于VMD-TCN，設(shè)計(jì)了一套水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在有效實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，提升故障預(yù)警準(zhǔn)確性。

1 硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于水電機(jī)組而言，中高頻信號(hào)較易監(jiān)測(cè)，低頻信號(hào)很難監(jiān)測(cè)，往往出現(xiàn)低頻信號(hào)監(jiān)測(cè)為健康狀態(tài)的問(wèn)題，影響系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果。本文選用AC102加速度傳感器，作為低頻信號(hào)的監(jiān)測(cè)元件，其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

如表1所示，本文設(shè)計(jì)的AC102加速度傳感器，主要是針對(duì)水電機(jī)組低頻振動(dòng)監(jiān)測(cè)的元件，靈敏度相對(duì)較高，能夠在80%～90%的濕度條件下運(yùn)行。通過(guò)監(jiān)測(cè)低頻振動(dòng)信號(hào)，找出低頻振動(dòng)中存在的機(jī)組故障，從而確保水電機(jī)組的健康運(yùn)行狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 采集水電機(jī)組健康狀態(tài)數(shù)據(jù)

通過(guò)在系統(tǒng)軟件上建立一個(gè)數(shù)據(jù)采集程序，將水電機(jī)組狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集與處理，判斷機(jī)組健康狀態(tài)。同時(shí)，根據(jù)水力、機(jī)械、電氣等方面的耦合情況，將多種信號(hào)數(shù)據(jù)同時(shí)分析，以確保監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度。數(shù)據(jù)采集程序流程如圖1所示。

如圖1所示，在水電機(jī)組的正常運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)機(jī)組功率、水頭、導(dǎo)葉開(kāi)度、蝸殼、尾水等參數(shù)進(jìn)行分析，點(diǎn)擊開(kāi)始采集的按鈕，通過(guò)AC102加速度傳感器采集各類數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)上傳到采集程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口將采集到的數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)服務(wù)中心，對(duì)采集到的運(yùn)行信號(hào)作出進(jìn)一步狀態(tài)診斷。利用數(shù)據(jù)采集程序，解決采集任務(wù)延時(shí)的問(wèn)題，針對(duì)多機(jī)任務(wù)同時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組的實(shí)時(shí)高速采集。

2.2 基于VMD-TCN分解水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào) 根據(jù)采集到的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)頻段子模態(tài)分解，確保監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度。采集到的信號(hào)中存在軟件相位偏差，對(duì)軟件而言，偏差較大影響監(jiān)測(cè)效果。因此，將各種振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件相位補(bǔ)償：

φ=360×N×t/T??? （1）

式中：φ為相位補(bǔ)償；t為通道采集切換時(shí)間；N為振動(dòng)信號(hào)的相位差；T為水電機(jī)組的運(yùn)行周期。在采集的信號(hào)為準(zhǔn)確的條件下，利用VMD進(jìn)行信號(hào)分解：

式中：P（t）為補(bǔ)償后的振動(dòng)信號(hào)；a為初始振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)；a為第i個(gè)頻域的信號(hào)數(shù)據(jù)；b為第i個(gè)頻域的子信號(hào)；w為信號(hào)角頻率。

通過(guò)VMD數(shù)據(jù)分解之后，振動(dòng)信號(hào)形成了多種模態(tài)信號(hào)。將多種模態(tài)信號(hào)按照時(shí)間序列進(jìn)行處理，利用TCN將信號(hào)放在因果卷積層中訓(xùn)練，消除信號(hào)處理殘差。根據(jù)TCN的一維卷積網(wǎng)絡(luò)，輸出振動(dòng)信號(hào)：

式中：y為處理完成輸出的最終振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)；x為信號(hào)輸入數(shù)據(jù)。

根據(jù)卷積核移動(dòng)的方向，判斷數(shù)據(jù)序列，按照此規(guī)律處理多模態(tài)的信號(hào)，最大程度上提升水電機(jī)組的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度。

鐘 旭 等 基于VMD-TCN的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否具有實(shí)用性能，對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析。將基于VMD-TCN的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與基于EEMD-SD振動(dòng)信號(hào)分析的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于AI視頻圖像處理的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 測(cè)試過(guò)程

在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試之前，將AC102加速度傳感器安裝完畢之后，對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。上電后綠色指示燈亮起3 s后熄滅，其余指示燈均未亮起，可以確保該硬件能夠正常使用。系統(tǒng)調(diào)試流程如圖2所示。

對(duì)監(jiān)測(cè)界面、傳感界面、采集界面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試、系統(tǒng)試運(yùn)行等綜合調(diào)試。輸入正確的用戶名與密碼之后，點(diǎn)擊機(jī)組操作界面，監(jiān)測(cè)水電機(jī)組的功率參數(shù)，確定機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。出現(xiàn)圖3界面則表明，系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，可以對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。

3.2 測(cè)試結(jié)果

在上述測(cè)試條件下，隨機(jī)選取水電機(jī)組在水導(dǎo)軸承、壓力鋼管、上機(jī)架等區(qū)域的振動(dòng)狀態(tài)，分別使用基于EEMD-SD振動(dòng)信號(hào)分析的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于AI視頻圖像處理的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及本文設(shè)計(jì)的基于VMD-TCN的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)水電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)，并將3種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)完成之后的CPU占用率進(jìn)行分析。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

如表2所示，在水導(dǎo)軸承運(yùn)行的過(guò)程中，存在渦輪、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉等振動(dòng)故障；壓力鋼管位置存在葉片尾部、尾水管異常振動(dòng)故障；上機(jī)架存在上導(dǎo)軸承、機(jī)組中心線不均衡、推力軸承等振動(dòng)故障。上述振動(dòng)故障的故障信號(hào)較為微弱，很難對(duì)其進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)定。在水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，監(jiān)測(cè)完成之后，系統(tǒng)CPU占用率越低，系統(tǒng)運(yùn)行性能越佳。

在其他條件均一致的情況下，使用基于EEMD-SD振動(dòng)信號(hào)分析的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之后，監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)存在差異，將異常振動(dòng)監(jiān)測(cè)成健康狀態(tài)，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行后續(xù)維護(hù)，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)更大的隱患。完成監(jiān)測(cè)之后，該系統(tǒng)的CPU占用率在50%～90%的范圍內(nèi)，無(wú)法滿足系統(tǒng)的高效運(yùn)行需求。

使用基于AI視頻圖像處理的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之后，未出現(xiàn)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)失誤的現(xiàn)象，但是其監(jiān)測(cè)完成之后，無(wú)論是健康狀態(tài)還是故障狀態(tài)，系統(tǒng)CPU占用率始終超過(guò)70%，無(wú)法滿足系統(tǒng)其他應(yīng)用的使用需求。

使用本文設(shè)計(jì)的基于VMD-TCN的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之后，監(jiān)測(cè)到的水電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)均與實(shí)際保持一致，并且完成健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)之后，系統(tǒng)CPU占用率在10%～30%的范圍內(nèi)，占用率相對(duì)較低，能夠滿足多個(gè)應(yīng)用同時(shí)進(jìn)行的需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

在水電機(jī)組開(kāi)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的健康狀態(tài)做出可靠的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，能夠?qū)收蠙C(jī)組進(jìn)行有效的診斷，確保水電機(jī)組的正常運(yùn)行。本文研究了基于VMD-TCN的水電機(jī)組健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其可從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分解等方面，實(shí)時(shí)反映水電機(jī)組的運(yùn)行情況，便于監(jiān)測(cè)水電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，為機(jī)組的正常運(yùn)行提供保障。

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（編輯：高小雲(yún)）

Design of health monitoring system for hydroelectric units

based on VMD-TCNZHONG Xu，ZHANG Baoyuan，MENG Wei，CHANG Fengde，GAO Zhiguo

（1.Beijing Sifang Jibao Automation Co.，Ltd.，Beijing 100085，China； 2.Wangjianglou Hydropower Station Engineering Construction Bureau，Tonghua 134000，China）

Abstract：Aiming at the problem that the traditional hydropower unit operation monitoring system was mainly based on high-frequency vibration signal monitoring，while the low-frequency vibration signal monitoring often had errors，which affects the normal operation of the hydropower unit，a hydropower unit health monitoring system based on VMD-TCN was designed. In terms of hardware，an AC102 acceleration sensor was designed.In terms of software，health status data of hydroelectric units were collected，the status signals of hydroelectric units were processed，and the health status of the units were judged. Based on VMD-TCN decomposition of the health status monitoring signals of hydroelectric units，the signal frequency band sub-modal decomposition was performed based on the collected status signals to ensure the monitoring accuracy. The system testing results indicated that the design improved the monitoring effect of the system，and the system performance was good．

Key words：VMD-TCN；hydroelectric units；health status；monitoring system