莊明

（福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建福州350004）

基于故障參數(shù)辨識(shí)的水輪發(fā)電機(jī)組綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

莊明

（福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建福州350004）

隨著智能化電站建設(shè)和無人值守管理的需求，以智能化診斷為特征的綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來越得到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注和應(yīng)用。福建水口發(fā)電集團(tuán)開發(fā)和實(shí)施了基于故障參數(shù)辨識(shí)的水輪發(fā)電機(jī)組綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多站多設(shè)備一體化集中狀態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)建立了對(duì)水電站主要關(guān)鍵設(shè)備主要故障的自動(dòng)化智能診斷，為實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行取得了顯著效果。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化辨識(shí)；模型特征；參數(shù)指標(biāo)；判定標(biāo)準(zhǔn)

1 項(xiàng)目背景

福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司是華東地區(qū)最大常規(guī)水電發(fā)電企業(yè),下轄水口水力發(fā)電站、嵩灘埔水力發(fā)電站、水東水力發(fā)電站、雍口水力發(fā)電站、街面水力發(fā)電站5座水電站，共安裝有17臺(tái)水力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)總?cè)萘? 866 WM。隨著水口發(fā)電集團(tuán)裝機(jī)容量的擴(kuò)大、總?cè)萘康奶岣咭约霸陔娏ο到y(tǒng)中調(diào)峰調(diào)頻的作用越來越大，其機(jī)組的安全運(yùn)行重要性越來越突出。福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司在福建電網(wǎng)乃至華東電網(wǎng)具有舉足輕重的作用，為保障海峽西岸經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了積極作用。

為滿足電站智能化管理，無人值守的需求，福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司在福州開發(fā)建立了遠(yuǎn)程綜合分析診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多站多設(shè)備一體化集中狀態(tài)監(jiān)測(cè)和水電站主要關(guān)鍵設(shè)備（發(fā)電機(jī)組、主變、高壓開關(guān)、輔機(jī)等）主要故障的自動(dòng)化診斷、水輪發(fā)電機(jī)組常規(guī)試驗(yàn)的全自動(dòng)化在線數(shù)據(jù)采集和全自動(dòng)化在線智能分析評(píng)價(jià)。本文就該系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用作簡(jiǎn)要介紹。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

（1）在水口、嵩灘埔、水東、街面、雍口各水電站廠站側(cè)，安裝在機(jī)組各部位的傳感器將各種物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳送到各信號(hào)采集裝置，采集裝置將這些信號(hào)采集和處理，得到反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的各種特征參數(shù)、曲線、圖表等，統(tǒng)一存儲(chǔ)到電廠廠站側(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。電廠廠站側(cè)的通訊服務(wù)器負(fù)責(zé)向綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，發(fā)布數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)、分析結(jié)果、診斷結(jié)果，包括與本地或者遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)、分析、診斷、維護(hù)工作站的交互。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（2）綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)立若干狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理服務(wù)器、若干應(yīng)用服務(wù)器、狀態(tài)辨識(shí)及實(shí)時(shí)分析診斷服務(wù)器，其中狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理服務(wù)器接收由廠站側(cè)傳送來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并完成存儲(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)、壓縮、分發(fā)等操作，對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)管理。而應(yīng)用服務(wù)則負(fù)責(zé)發(fā)布數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)、分析結(jié)果、診斷結(jié)果，包括與本地或者遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)、分析、診斷、維護(hù)工作站的交互。

（3）狀態(tài)辨識(shí)及實(shí)時(shí)分析診斷服務(wù)器是本系統(tǒng)中關(guān)鍵的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之一。它在后臺(tái)自動(dòng)接收廠站側(cè)傳送來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)“基本狀態(tài)”參數(shù)進(jìn)行越限報(bào)警檢查、調(diào)用恰當(dāng)?shù)臍v史數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)狀態(tài)辨識(shí)，同時(shí)計(jì)算“深層狀態(tài)”參數(shù)，并對(duì)計(jì)算后的各“深層狀態(tài)”參數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)狀態(tài)辨識(shí)。

（4）連入綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)，既可以通過電廠狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷，也可以直接訪問綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和診斷。

2.2 系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)從軟件邏輯結(jié)構(gòu)上分為3層：

第1層為數(shù)據(jù)獲取層和壓縮及格式轉(zhuǎn)換與傳輸層，主要是從水口、嵩灘埔、水東、街面、雍口電站廠站側(cè)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。包括振動(dòng)擺度數(shù)據(jù)、壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)、機(jī)組溫度數(shù)據(jù)、工況參數(shù)、主變狀態(tài)數(shù)據(jù)、高壓設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、輔機(jī)設(shè)備狀態(tài)等。

第2層為數(shù)據(jù)管理層，主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的融合、存儲(chǔ)、管理與發(fā)布，以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)的按需存儲(chǔ)、發(fā)布。在數(shù)據(jù)獲取層獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，自動(dòng)提取能反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)的關(guān)鍵特征參數(shù)，并對(duì)這些特征參數(shù)進(jìn)行判定、趨勢(shì)辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、保護(hù)和趨勢(shì)預(yù)測(cè)；并為外部后臺(tái)的分析診斷、管理等應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口。

第3層為后臺(tái)交互式監(jiān)測(cè)、分析、診斷決策應(yīng)用，本系統(tǒng)的后端監(jiān)測(cè)分析、綜合分析診斷決策等模塊具備數(shù)據(jù)挖掘功能，包括大量的監(jiān)測(cè)分析診斷模塊。分析診斷模塊包括兩個(gè)軟件模塊，一個(gè)是基于C/S模式的綜合分析診斷模塊，包括了完整的監(jiān)測(cè)、分析診斷功能，另一個(gè)是基于B/S模式的監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)分析模塊。

系統(tǒng)的構(gòu)架示意圖如圖2所示。

3 基于故障參數(shù)辨識(shí)的智能分析診斷系統(tǒng)的研究

分析診斷的智能化長(zhǎng)期以來一直是水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷的瓶頸，因此本系統(tǒng)著重在這方面進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。此次建設(shè)的遠(yuǎn)程分析診斷系統(tǒng)針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組常見的幾種主要故障建立明確的故障辨識(shí)模型，針對(duì)每一種故障提出可量化的故障指標(biāo)集，參照機(jī)組歷史數(shù)據(jù)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確立故障指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)，利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)在線自主進(jìn)行故障特征提取，并與故障指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)機(jī)組故障的在線自主分析診斷。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

圖3 系統(tǒng)診斷模式

本系統(tǒng)研究的重點(diǎn)在于故障診斷模型建立、故障特征指標(biāo)集確立、故障判定標(biāo)準(zhǔn)等多個(gè)方面。

3.1 系統(tǒng)支持的故障診斷模型簡(jiǎn)述

系統(tǒng)在總結(jié)和分析水電機(jī)組常見故障機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合水口集團(tuán)機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確立故障辨識(shí)模型（表1）。

3.2 故障特征指標(biāo)集及判定標(biāo)準(zhǔn)

在建立了故障的數(shù)學(xué)模型,確立故障特征集之后,判定標(biāo)準(zhǔn)體系的建立成了自主分析診斷系統(tǒng)能否實(shí)用化的關(guān)鍵。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，故障判定標(biāo)準(zhǔn)體系的建立存在以下困難：

（1）沒有可以直接參照的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

正常來說，如果有相關(guān)可借鑒的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，那么首先應(yīng)該采用上述標(biāo)準(zhǔn)。然而在本項(xiàng)目中，診斷系統(tǒng)提出的故障特征指標(biāo)集很多都是本項(xiàng)目首次提出，并不是常規(guī)意義上的機(jī)組擺度、振動(dòng)參數(shù)，因此根本無法依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。只有部分參數(shù)可參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1

（2）依據(jù)真機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)難以建立全面的故障判定標(biāo)準(zhǔn)

建立標(biāo)準(zhǔn)的另外一個(gè)技術(shù)路線是采用真機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)。但是對(duì)于故障診斷標(biāo)準(zhǔn)而言，這將是一個(gè)不可能實(shí)現(xiàn)的過程。

1）對(duì)于某一臺(tái)機(jī)組而言，不可能出現(xiàn)那么多實(shí)際的故障，當(dāng)然不可能獲得那么多的測(cè)試數(shù)據(jù)；

2）真機(jī)模擬故障試驗(yàn)困難，很多故障對(duì)機(jī)組的可靠性和健康程度有巨大的損傷，因此通過模擬故障的方式在真機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試也是不可能的。

因此，在本項(xiàng)目中，故障指標(biāo)集的判定標(biāo)準(zhǔn)建立過程來源于多種技術(shù)途徑，詳細(xì)說明如下：

（1）直接參考采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):DL/T 507《水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》、GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》等；

（2）根據(jù)真機(jī)目前測(cè)試獲得的實(shí)際特征參數(shù)值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),按照一定安全裕度確定參數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)；

（3）根據(jù)其他相近結(jié)構(gòu)機(jī)組發(fā)生故障時(shí)候測(cè)試得到的數(shù)據(jù)確定參數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)。

本系統(tǒng)在水口集團(tuán)各電站機(jī)組上建立并應(yīng)用的故障特征指標(biāo)集及部分故障判定標(biāo)準(zhǔn)見表2（僅以水口及水東電站為例）。

4 應(yīng)用情況

遠(yuǎn)程綜合分析診斷系統(tǒng)的投入為水口集團(tuán)快速全面掌握關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)提供了重要保障，大大提高了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，且為掌握機(jī)組運(yùn)行特性，指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行以及設(shè)備檢修積累了大量寶貴數(shù)據(jù)，同時(shí)利用系統(tǒng)提供的綜合分析診斷工具，目前系統(tǒng)中的核心技術(shù)，如一體化狀態(tài)監(jiān)測(cè)、機(jī)器自主故障診斷、機(jī)組試驗(yàn)自動(dòng)化分析評(píng)價(jià)技術(shù)，已在全國(guó)其他多家水電站進(jìn)行了有效推廣，在設(shè)備故障定位和缺陷分析中發(fā)揮了顯著作用，特別是對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組主要故障中沖擊信號(hào)故障的診斷識(shí)別方法得到首次應(yīng)用，基于Hilbert變換的數(shù)字包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)沖擊信號(hào)故障進(jìn)行診斷識(shí)別功能已在水口集團(tuán)各機(jī)組上得到了實(shí)際的驗(yàn)證。

表2

圖4和圖5為水口6號(hào)機(jī)組實(shí)際測(cè)得的水導(dǎo)擺度沖擊信號(hào)波形，從圖4可以看出，機(jī)組在擺度160μm時(shí)，水導(dǎo)擺度波形中并不存在沖擊信號(hào)波形，隨著擺度的增加，由于機(jī)組水導(dǎo)軸承處軸瓦間隙是固定的，不會(huì)增加，當(dāng)擺度增大到一定程度后，軸瓦間就會(huì)出現(xiàn)輕微的摩擦，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沖擊信號(hào)波形，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行過程中水導(dǎo)擺度達(dá)到800μm時(shí)，水導(dǎo)擺度波形中出現(xiàn)了明顯的沖擊信號(hào)波形。此現(xiàn)象在現(xiàn)場(chǎng)也得到了驗(yàn)證，6號(hào)機(jī)組在檢修時(shí)，對(duì)水導(dǎo)瓦進(jìn)行了全面檢查，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)瓦表面有輕微的磨損跡象，說明采用基于Hilbert變換的數(shù)字包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)沖擊信號(hào)故障進(jìn)行診斷識(shí)別的理論模型和計(jì)算原理是可行的。

圖4 水導(dǎo)擺度160μm時(shí)沖擊信號(hào)波形

圖5 水導(dǎo)擺度800μm時(shí)沖擊信號(hào)波形

5 結(jié)論

水口集團(tuán)建立的綜合分析診斷系統(tǒng)，為快速全面掌握關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)提供了重要保障，大大提高了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。但是，雖然系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的若干種常見故障的自動(dòng)化診斷，對(duì)于轉(zhuǎn)輪水下部分（比如汽蝕空化等）等部位的故障研究較少，因此應(yīng)進(jìn)一步研究機(jī)組其他故障的診斷模型、故障特征參數(shù)的辨識(shí)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)。

另外，目前建立的故障模型是根據(jù)已知的故障機(jī)理和實(shí)際發(fā)生的故障不斷總結(jié)而來，應(yīng)該說其實(shí)用性在工程實(shí)際中已經(jīng)得到了一定的驗(yàn)證。但理論模型總是實(shí)際系統(tǒng)的理想簡(jiǎn)化，與工程實(shí)際還是有一定的差別，還需要根據(jù)實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)不斷的完善。因此，根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)和機(jī)組的劣化過程進(jìn)一步精確化故障診斷模型、完善評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是本項(xiàng)目進(jìn)一步的研究工作。

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TV736

A

1672-5387（2017）04-0013-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.004

2017-02-17

莊明（1969-），男，高級(jí)工程師，從事水電廠生產(chǎn)設(shè)備檢修及維護(hù)管理工作。