胡 飛，潘偉峰，劉鏢峰

[南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，水電廠作為系統(tǒng)主要發(fā)電環(huán)節(jié)之一，也在同步升級(jí)以滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)保節(jié)能的要求。特別是近十幾年建成和在建的大型水電站，其自動(dòng)化和智能化水平有很大提高，且部分流域梯級(jí)電站或區(qū)域所屬電站實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集控運(yùn)行。鑒于大型水電站（包括抽水蓄能電站）在電網(wǎng)中的占比提高和作用及影響日益凸顯，對(duì)水電機(jī)組的實(shí)時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障（或缺陷）預(yù)警并實(shí)行遠(yuǎn)程診斷及適時(shí)有序的安排機(jī)組檢修，避免發(fā)生重大事故和遭受大的經(jīng)濟(jì)損失，保證水電機(jī)組安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行十分重要。目前大型水電站和部分中小型水電站都不同程度地實(shí)行了機(jī)組的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。國(guó)外設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)已發(fā)展近50年，我國(guó)于20世紀(jì)80年代實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的國(guó)產(chǎn)化[1]。目前，針對(duì)于水電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的公司主要有美國(guó)本特利、瑞士VIBROMETER、德國(guó)申克、加拿大VIBROSYSTM等，國(guó)內(nèi)主要有華科同安、奧技異電氣、南瑞水電和中元瑞訊等公司。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

水電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由現(xiàn)地傳感器（變送器或其他測(cè)量元件）、信號(hào)采集及處理裝置、服務(wù)器及用戶終端、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及連接線纜等硬件部分和信號(hào)采集與處理程序、數(shù)據(jù)庫(kù)、上位機(jī)平臺(tái)軟件等軟件部分組成。

按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為狀態(tài)監(jiān)測(cè)層和廠站層[2]及可擴(kuò)展的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析中心。其中狀態(tài)監(jiān)測(cè)層包括機(jī)組現(xiàn)地監(jiān)測(cè)元件、組屏于發(fā)電機(jī)層的信號(hào)采集及處理裝置、現(xiàn)地顯示器或工控機(jī)（監(jiān)測(cè)服務(wù)器）；廠站層包括狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器、工程師工作站及其他用戶終端[3]；具備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析中心的還包括通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和輔助決策（或故障診斷）系統(tǒng)服務(wù)器等。狀態(tài)監(jiān)測(cè)層主要完成原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、部分?jǐn)?shù)據(jù)圖形展示及簡(jiǎn)單的分析功能；廠站層主要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、與SCADA等其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)再處理、高級(jí)應(yīng)用和分析功能等；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析中心一般具有多廠站數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)功能，實(shí)時(shí)監(jiān)視、查詢和分析功能，有的還具備一定的狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)或故障診斷系統(tǒng)功能。

根據(jù)電廠安全分區(qū)，機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分布于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)以及Ⅳ區(qū)，各區(qū)之間的通信采取硬件防火墻、網(wǎng)絡(luò)隔離裝置等進(jìn)行安全防護(hù)[4]。其典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、定轉(zhuǎn)子空氣間隙監(jiān)測(cè)、定轉(zhuǎn)子間磁場(chǎng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、定子局部放電監(jiān)測(cè)，有條件的電站還進(jìn)行了水輪機(jī)空化氣蝕監(jiān)測(cè)以及噪聲監(jiān)測(cè)等。其中機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)屬于最基本的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，也是早期振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容，包括對(duì)大軸擺度、機(jī)架及其他固定部位的振動(dòng)、大軸軸向位移、導(dǎo)流部位壓力脈動(dòng)的監(jiān)測(cè)。一般以上監(jiān)測(cè)量均從本系統(tǒng)獨(dú)立安裝的相應(yīng)傳感器或變送器來(lái)獲取原始信號(hào)。

圖1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical network structure diagram of online monitoring system

為了充分了解機(jī)組的運(yùn)行狀況，除了以上監(jiān)測(cè)量外，一般還從監(jiān)控系統(tǒng)以RS485串口或TCP/IP以太網(wǎng)通信方式獲取軸承瓦溫及油溫油位、定子溫度等數(shù)據(jù)，有的還將主變壓器監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)接入機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以便進(jìn)行全廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析診斷。

目前應(yīng)用的機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（區(qū)別于早期的振擺監(jiān)測(cè)儀）均具有一定的分析以及診斷功能。為了進(jìn)行準(zhǔn)確的機(jī)組狀態(tài)分析和故障診斷，必須掌握運(yùn)行機(jī)組的背景量（或工況參數(shù)）。這些量包括機(jī)組有功、無(wú)功、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓、導(dǎo)葉開(kāi)度、水頭、流量、發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)、勵(lì)磁開(kāi)關(guān)等，轉(zhuǎn)槳式機(jī)組還包括槳葉開(kāi)度。這些量必需同步引入機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

值得強(qiáng)調(diào)的是，系統(tǒng)必須配置一個(gè)鍵相信號(hào)，對(duì)于系統(tǒng)信號(hào)的周期性采樣、相位分析和轉(zhuǎn)速測(cè)量必不可少。鑒于實(shí)際工程中采用電渦流傳感器測(cè)鍵相時(shí)，在機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中容易出現(xiàn)鍵相信號(hào)丟失或部分丟失的現(xiàn)象，建議采用接近開(kāi)關(guān)式或霍爾效應(yīng)式傳感器進(jìn)行鍵相信號(hào)測(cè)量。

針對(duì)不同類型的機(jī)組以及不同測(cè)量部位，需慎重選擇傳感器類型。在實(shí)際工程應(yīng)用中，偶爾出現(xiàn)部分測(cè)點(diǎn)（主要是振動(dòng)測(cè)點(diǎn)）信號(hào)嚴(yán)重失真或畸變的現(xiàn)象。比如定子鐵芯處主要受100Hz的電磁力，且電磁干擾較強(qiáng)，一般選擇防磁性中頻振動(dòng)加速度傳感器。而大型貫流式機(jī)組的燈泡體和轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置經(jīng)常受較大水力激振，采用量程為2mm的低頻振動(dòng)速度傳感器往往出現(xiàn)信號(hào)超量程或畸變的現(xiàn)象，建議采用低頻加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量。大軸軸向位移（或軸向竄動(dòng)）的測(cè)量有時(shí)在工程現(xiàn)場(chǎng)難以選取到合適的傳感器測(cè)量位置，特別是臥式機(jī)組，結(jié)構(gòu)緊湊且大軸凸出端面較小。而燈泡頭部位的集電環(huán)一般有足夠?qū)挾鹊沫h(huán)形面，但集電環(huán)帶有強(qiáng)電流，常用的電渦流傳感器因強(qiáng)電磁而無(wú)法測(cè)量到信號(hào)?；陔娙轀y(cè)距的電容式位移傳感器可以測(cè)量帶電端面，但這種傳感器價(jià)格昂貴且沒(méi)有國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品。而非接觸式測(cè)量的激光位移傳感器可測(cè)量帶電集電環(huán)的軸向位移，且這種傳感器價(jià)格相對(duì)便宜。目前已有國(guó)產(chǎn)激光位移傳感器成功應(yīng)用于甘肅烏金峽水電站的臥式機(jī)組軸向位移測(cè)量中，信號(hào)穩(wěn)定可靠且滿足精度要求。

縱觀國(guó)內(nèi)幾家代表性公司研發(fā)的水電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要功能包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、波形頻譜分析、軸心軌跡分析、軸心姿態(tài)分析、三維瀑布圖分析、定轉(zhuǎn)子不圓度分析、動(dòng)平衡分析、相關(guān)性分析、歷史曲線及趨勢(shì)分析、告警輸出、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和事故追憶、分工況自動(dòng)錄波、離線分析、秒級(jí)數(shù)據(jù)列表查詢與下載、web發(fā)布功能等[5]，具備高級(jí)應(yīng)用功能的還帶有一定的狀態(tài)檢修輔助決策功能和故障診斷功能。而目前基于機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)檢修系統(tǒng)與故障診斷專家系統(tǒng)還需長(zhǎng)足的發(fā)展與完善。

2 工程應(yīng)用實(shí)例分析

對(duì)于大型水電廠站，一般配置相對(duì)完整，配置有現(xiàn)地監(jiān)測(cè)層和廠站層的Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)設(shè)備，采集數(shù)據(jù)相對(duì)豐富。下面以某大型電站為例進(jìn)行具體分析。該電站為瀾滄江上游流域的梯級(jí)電站中的第七級(jí)電站—MW電站。水庫(kù)正常蓄水位為1408.00m，電站總裝機(jī)容量為1400MW（4×350MW），在系統(tǒng)中主要承擔(dān)腰荷和部分基荷，并承擔(dān)部分事故備用任務(wù)，同時(shí)參與系統(tǒng)調(diào)峰、一次調(diào)頻運(yùn)行。電站按“無(wú)人值班”要求設(shè)計(jì)，接受流域集控中心調(diào)度管理。

MW電站每臺(tái)機(jī)組分別部署了相互獨(dú)立的機(jī)組振擺保護(hù)系統(tǒng)和機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)配置見(jiàn)表1。

表1 MW電站單臺(tái)機(jī)組在線監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)配置Tab.1 Measuring point arrangement of Online monitoring system of the single unit in MW hydropower station

該電站部署了一套南瑞水電公司的SJ-9000機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。每臺(tái)機(jī)現(xiàn)地柜安裝了一套SJ90B狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，完成信號(hào)采集和處理；并配置了一臺(tái)現(xiàn)地一體化工控機(jī)，用于現(xiàn)地平臺(tái)軟件與通信程序的運(yùn)行，當(dāng)廠站層服務(wù)器故障或通信異常時(shí)，現(xiàn)地依然可以實(shí)現(xiàn)顯示與分析功能，提高了系統(tǒng)的可靠性；上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和與其他系統(tǒng)的通信，并具有WEB發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)電廠MIS系統(tǒng)以及集控中心用戶的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。其中上位機(jī)系統(tǒng)各功能與模塊對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖2。

MW電站4臺(tái)機(jī)于2018年6月全部投產(chǎn)發(fā)電，在機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)及試運(yùn)行期間，利用錄波工具在不同工況下對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)作了錄波。下面以最后一臺(tái)投產(chǎn)的4號(hào)機(jī)的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析。

通過(guò)錄波分析程序?qū)ι蠈?dǎo)X向擺度原始波形進(jìn)行FFT變換，對(duì)通頻信號(hào)進(jìn)行頻域分析，得到如圖3所示波形頻譜圖，波形圖橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)（采樣頻率為1024Hz），頻譜圖橫坐標(biāo)為頻率，波形頻譜圖縱坐標(biāo)均為幅值。根據(jù)圖中鍵相點(diǎn)和波形頻譜分布可知其最大幅值在機(jī)組轉(zhuǎn)頻1.8Hz處，第二大幅值在2倍轉(zhuǎn)頻處，即上導(dǎo)X向擺度信號(hào)以1倍頻為主，2倍頻次之。

圖4為該機(jī)組額定負(fù)荷下（轉(zhuǎn)速107.1r/min）的頂蓋X向水平和垂直振動(dòng)頻譜圖，根據(jù)圖中頻率分布可看出，頂蓋X向處振動(dòng)以50Hz左右的頻率成分為主，其次為42.8Hz左右頻率成分，還含有少部分1Hz以下的頻率成分。了解到該機(jī)組為混流式機(jī)組，導(dǎo)葉數(shù)為23，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為13。此處受水力激振影響較大，蝸殼進(jìn)口水流對(duì)導(dǎo)葉的沖擊和轉(zhuǎn)輪葉道渦流脈動(dòng)產(chǎn)生的水流激勵(lì)以及可能形成的次諧共振傳導(dǎo)至頂蓋部位，導(dǎo)致出現(xiàn)了以40～50Hz特征頻率為主的現(xiàn)象，同時(shí)因低頻渦帶產(chǎn)生了少量的1Hz以下的低頻振動(dòng)。

圖2 系統(tǒng)功能與模塊對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 System function and module correspondence

圖3 上導(dǎo)X向擺度波形頻譜圖Fig.3 Wave&spectrum of swing in the X direction of upper guide bearing

圖4 頂蓋X向振動(dòng)頻譜圖Fig.4 Frequency spectrum of vibration in the X direction of head cover

為了了解機(jī)組動(dòng)態(tài)性能，判斷機(jī)組振動(dòng)大小與所帶負(fù)荷的相關(guān)性，常采用變負(fù)荷（升負(fù)荷或降負(fù)荷）運(yùn)行來(lái)記錄變負(fù)荷過(guò)程振動(dòng)擺度變化曲線的方法來(lái)勾勒出機(jī)組振動(dòng)負(fù)荷區(qū)。圖5為機(jī)組在120～350MW區(qū)間的升負(fù)荷振動(dòng)擺度波形曲線，可大致判斷有如圖兩個(gè)振動(dòng)區(qū)。由此可指導(dǎo)機(jī)組盡量避開(kāi)這些振動(dòng)工況區(qū)運(yùn)行，合理分配機(jī)組負(fù)荷，保證機(jī)組安全運(yùn)行和服役壽命。

圖5 升負(fù)荷振擺（峰峰值）波形長(zhǎng)圖Fig.5 Long waveform diagram of swing-vibration（peak value） during Load - lifting

在機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)中，截取了+X向、+Y向、-X向、-Y向4個(gè)方向的氣隙變化曲線，發(fā)現(xiàn)各通道測(cè)得的磁極與定子間的氣隙隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，且在負(fù)荷全部丟失后4s左右的時(shí)刻達(dá)到最小（圖6中黑色線圈所示）。由于離心力達(dá)到一定大小后，轉(zhuǎn)子磁極迅速膨脹，致使氣隙傳感器測(cè)到的磁極與定子間的氣隙急劇減小。當(dāng)此時(shí)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大到最大值時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣隙曲線又有一定的變化（圖6紅色線圈所示）。隨著導(dǎo)葉開(kāi)度減小，轉(zhuǎn)速逐漸降低，轉(zhuǎn)子持續(xù)收縮而測(cè)得的氣隙值也逐漸增大直至穩(wěn)定。通過(guò)曲線放大操作，觀察到各方向測(cè)得的氣隙平均值最大變化量為4.0mm左右。

利用SJ-9000機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及該機(jī)組已有的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)機(jī)組的軸心軌跡來(lái)判斷軸瓦間隙情況；根據(jù)上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)處的三個(gè)大軸軌跡平面形成的軸線姿態(tài)圖可分析機(jī)組大軸的彎曲度及軸系運(yùn)轉(zhuǎn)受力情況；根據(jù)氣隙圓圖能反映出定轉(zhuǎn)子不圓度和磁極形貌；還可選取不同測(cè)點(diǎn)或其他相關(guān)量進(jìn)行二維和多維相關(guān)性曲線分析、過(guò)程曲線分析等，從而獲得機(jī)組各種暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性及變化規(guī)律，來(lái)指導(dǎo)機(jī)組合理運(yùn)行以及故障診斷和狀態(tài)預(yù)估。因篇幅有限，其他分析方法和功能應(yīng)用在此不再贅述。

圖6 甩100%負(fù)荷時(shí)氣隙原始波形變化圖Fig.6 The original waveform diagram of air gap variation during 100% load rejection

3 應(yīng)用現(xiàn)狀與問(wèn)題

通過(guò)多年的工程實(shí)踐了解到，超大型和大型水電站基本都安裝了機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但有些電站部署的系統(tǒng)缺乏完善性且沒(méi)有得到充分的運(yùn)用。有些電站往往是根據(jù)電力系統(tǒng)或上級(jí)要求配備了這套系統(tǒng)而形同虛設(shè)，尤其是部分老電站和中小型電站，對(duì)機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏認(rèn)識(shí)以及重視程度不夠。因此，有必要加強(qiáng)該系統(tǒng)的培訓(xùn)和應(yīng)用。水電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)際上涉及機(jī)械、電氣自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多個(gè)專業(yè)，因此需要電站多個(gè)專業(yè)班組聯(lián)合運(yùn)維和研究，讓這套系統(tǒng)真正發(fā)揮作用。

機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能作為故障診斷和狀態(tài)檢修系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)并提供充足數(shù)據(jù)來(lái)源，而后者是前者的高級(jí)應(yīng)用和價(jià)值體現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組有效的診斷和狀態(tài)評(píng)估，要求系統(tǒng)監(jiān)測(cè)量全面和豐富。隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。除了提高設(shè)備的存儲(chǔ)容量還必需

頂蓋X向水平振動(dòng)

頂蓋X向垂直振動(dòng)采用優(yōu)化存儲(chǔ)策略，保證有用數(shù)據(jù)不遺漏，無(wú)用數(shù)據(jù)不空占，提高系統(tǒng)容量利用率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及調(diào)用的效率。

具備充分有效的數(shù)據(jù)是提前基礎(chǔ)，而數(shù)據(jù)的挖掘是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵之一。系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的抽取挖掘、特征量的充分解析、合理算法的應(yīng)用和分析結(jié)果的展示手段都有助于提高系統(tǒng)的效能與價(jià)值。大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新技術(shù)的運(yùn)用、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展以及新型智能算法的應(yīng)用也將助力于將“沉默”的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)國(guó)內(nèi)水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展背景作了簡(jiǎn)要介紹。重點(diǎn)闡述了大型水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和主要功能設(shè)計(jì)；并結(jié)合工程實(shí)際介紹測(cè)點(diǎn)配置和系統(tǒng)主要功能模塊，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重點(diǎn)分析了幾種常見(jiàn)信號(hào)。最后根據(jù)目前水電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，提出當(dāng)前亟待研究和解決的幾個(gè)主要問(wèn)題。