趙 陽，毛 琦，王 放，王嘉敏

（1.浙江浙能華光潭水力發(fā)電有限公司，浙江 臨安311322；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

1 引言

華光潭梯級水電站位于浙江省臨安市分水江干流昌化江上游的巨溪，由兩個電站組成。一級電站壩址在昌北區(qū)魚跳鄉(xiāng)華光潭村下游2 km，廠址距壩址11 km，電站裝機2×30 MW。二級電站壩址在一級電站廠房下游1.5 km左右，電站裝機2×12.5 MW，梯級電站于2005年投產(chǎn)運行。因一級電站廠房選址的特殊性，有泥石流的風險。結(jié)合整個電廠綠色經(jīng)營理念以及科技興業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，基于電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、自動化元器件等現(xiàn)場設備設施改造正有序?qū)嵤┑挠欣麠l件，決定將一級電站建成真正“無人值守、關(guān)門運行”的電站。

2 感知系統(tǒng)

目前我國水電站“無人值班，少人值守”的實現(xiàn)，都是基于計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間通信控制技術(shù)。電站的計算機網(wǎng)絡和遠程監(jiān)控中心的計算機網(wǎng)絡采用冗余配置，保證了遠程控制的可靠性，同時還傳輸各水電站的視頻圖像。但對于遠方監(jiān)控人員而言，除了這些計算機監(jiān)控系統(tǒng)所采集信息之外，還迫切需要感知電廠運行環(huán)境參數(shù)的各種變化，使之如身臨其境，置身于電廠真實的環(huán)境中，如發(fā)電機、水輪機及其輔助設備各種工況運行的聲音大小、強度、頻率的變化；重點部位的油霧濃度的變化以及廠房溫度、濕度與外界的差異等。對于正常生產(chǎn)運行時的隱患，漏油、漏水也需要及時掌握以免擴大事故，造成無法挽回的損失。

為了使華光潭一級站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)采集更多的現(xiàn)場信息，在重點場所設計增加相應的傳感器，采集現(xiàn)場噪聲、溫度、濕度、氣體濃度、漏水、漏油、位移（進入）等的變化，全面“感知”電廠運行環(huán)境參數(shù)的變化，并進行自動報警。

（1）噪聲檢測

對于水電廠來說，噪音產(chǎn)生地方很多，根據(jù)聲源不同，一般可以分為4種：機械噪音、空氣動力性噪音、水力噪音以及電磁噪音。根據(jù)現(xiàn)場實際測量，噪音的等級大部分在55～110 dB。

水輪發(fā)電機組是水電廠的核心部分，在生產(chǎn)運行中如果出現(xiàn)異常的振動，輕則干擾正常巡檢，重則使機組運行效率降低和影響機組出力，甚至是導致機組結(jié)構(gòu)受到破壞，危及機組安全運行。水輪發(fā)電機組出現(xiàn)異常振動和噪聲，多是由機械、電磁和水力3個方面的因素引起的。根據(jù)現(xiàn)場的實際勘查以及多方面的比較，為了提高測量的準確性，選擇了相對封閉空間的水車室作為噪音的采集點。

作為水輪發(fā)電機組的輔助系統(tǒng)，油、氣、水各系統(tǒng)在機組運行中起著極其重要的作用，為機組的潤滑、密封、冷卻做出了極大的貢獻。各種類型的泵是輔助系統(tǒng)的核心關(guān)鍵，因此在水電站的噪音采集點如全廠集中的水泵房室、氣機室以及油泵控制柜內(nèi)，又增加了相應的測點。

傳統(tǒng)聲級計對滿足噪聲的監(jiān)測沒有問題，若要將其當做一個噪聲監(jiān)控的前端卻很不方便，因為傳統(tǒng)的噪聲計都是DC輸出，使用壓縮AC信號的方法得到噪聲信號的分貝大小，線形度較差，而且壓縮信號的靈敏度系數(shù)不固定。其一般只能提供AC/DC輸出，如：最通用的從交流輸出插座可輸出交流（AC）信號，供觀察信號波形或信號處理使用，交流輸出的最大幅度約為+1.2 V，交流信號輸出：最大有效值約為2 V，輸出阻抗600 Ω。直流信號輸出：0.35～1.3 V，按0.1 V/10 dB變化，即使還有帶R232串口輸出的如：等聲級計，波特率為9 600，8位數(shù)據(jù)，1位停止位。每秒輸出5次測量數(shù)據(jù)，但它不具備或不容易與其他工業(yè)自動化監(jiān)控軟件兼容。本系統(tǒng)內(nèi)使用的噪聲傳感器產(chǎn)品是針對工業(yè)現(xiàn)場或噪聲源噪音監(jiān)測而設計的，傳感器能獨立封裝，獲得實時數(shù)據(jù)，外形美觀，體積小，重量輕，安裝靈活。其聲頻測量范圍覆蓋了人耳所能聽到的全部頻率，監(jiān)測的聲壓范圍滿足國家噪聲管理標準中的全部要求。設備內(nèi)置高靈敏度傳感器、前置放大器及數(shù)據(jù)信號調(diào)理進行現(xiàn)場聲信號采集，采集信號以4～20 mA工業(yè)標準進行輸出，方便計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。

（2）漏液檢測

對于水電廠而言，根據(jù)“無人值班”設計規(guī)范要求，除正常各系統(tǒng)水位測量報警外，還需具備水位信號器冗余配置、防尾水過高倒灌措施、防局部暴雨水淹廠房措施及增設第三水位計等要求。

在本系統(tǒng)設計時，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，我們將正常生產(chǎn)運行時，人員巡檢的過程也增設進來，作為計算機監(jiān)控系統(tǒng)信號的補充采集，將信號反饋給遠程值守人員。由于人員到場處理需要一定的時間，所以報警點設計及報警源選取，必須經(jīng)過反復的商定。除運行設備之外，房屋的滲漏檢測也包含在采集范圍內(nèi)。本采集設備采用點式漏液傳感器。傳感器整體采用全密封設計，保證了產(chǎn)品的高精度及可靠性。具有靈敏度高，響應快，使用方便，便于安裝等特點，該傳感器針對水、＜30%的弱酸弱堿、汽油、柴油等都有優(yōu)良的檢測效果，可廣泛應用于各種場合。該產(chǎn)品供電電壓：DC 12 V，工作溫度：0～50℃，工作濕度：20%～100%RH。采用繼電器接點形式接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)，動作可靠。

（3）溫濕度測量及PM10/2.5采集

為了進一步實現(xiàn)“無人值守”的目標，豐富監(jiān)控系統(tǒng)的采集類型，增加運行值班人員的現(xiàn)場感受，本系統(tǒng)實施過程中，增加了現(xiàn)場溫濕度的采集以及空氣環(huán)境中PM10/2.5采集。

水力發(fā)電廠中，由于主體廠房的結(jié)構(gòu)和各系統(tǒng)設備安裝位置的限制，對于溫度濕度的采集很容易受到整體環(huán)境的影響。作為機組測溫環(huán)節(jié)的輔助，溫濕度采集裝置位置現(xiàn)階段選擇在機組上風洞位置。同時，在環(huán)境相對封閉的機房內(nèi)，也設置了采集點。

空氣質(zhì)量采集裝置，根據(jù)現(xiàn)場正常生產(chǎn)運行巡檢路線，設置在發(fā)電機層和水輪機層。

3 信息采集的智能分析及系統(tǒng)間聯(lián)絡互動

隨著各個感知設備現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集成功，數(shù)據(jù)采集的范圍、數(shù)量及類型極大的豐富了運行值班人員對于現(xiàn)場情況的了解。對于已有的計算機監(jiān)控系統(tǒng)提供了更多的數(shù)據(jù)支撐。如何用好這些數(shù)據(jù)是感知系統(tǒng)推向?qū)嶋H應用的又一個課題。

（1）噪聲檢測應用

通過機組振動時發(fā)出的噪音具體數(shù)值，協(xié)同電廠振擺系統(tǒng)的變化數(shù)據(jù)，重點研究水輪發(fā)電機振動擺度故障的機理及原因，提出水輪發(fā)電機組振擺信號關(guān)聯(lián)分析策略。

建立發(fā)電機組噪音、振擺信號等的關(guān)聯(lián)分析模型：進行一定條件下機組有功出力、水頭的網(wǎng)格式切分，并結(jié)合水電廠機組振動擺度測量裝置，關(guān)聯(lián)機組振擺信號在不同機組有功出力、水頭下的表現(xiàn)形式。從而進一步分析在各種水頭、有功出力下，水輪發(fā)電機各部軸承擺度、上下機架和定子、頂蓋振動等信息特性，例如：

1）在水頭H一定時，機組噪音、振擺隨有功P的關(guān)聯(lián)特征曲線；

2）在機組有功P一定時，機組噪音、振擺隨水頭H的關(guān)聯(lián)特征曲線；

3）在任意給定的有功P與水頭H區(qū)間內(nèi)（即機組處于某特定運行條件下），配合噪音分析機組振擺的變化趨勢。

結(jié)合泵體實際運行的聲音參數(shù)以及其他相關(guān)信息，總結(jié)水電廠泵設備的基本工作原理，建立泵設備啟/停異常與相應故障的對應關(guān)系，并形成專家知識庫。進一步整理，建立水電廠輔助泵設備遠程分析與故障診斷模型，探討模型中調(diào)速器系統(tǒng)存在的漏油、漏氣、油泵效率低的檢測方法等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，提出并研究水電廠輔助泵設備的分析策略與故障診斷方法。

加強對壓油泵、備用油泵、漏油泵、技術(shù)供水泵、取水泵、各種氣泵、各種排水泵等的實時診斷，確保運行人員能在集控中心根據(jù)運算結(jié)果，對泵的運行狀態(tài)進行診斷，提出設備狀態(tài)檢修的建議，實現(xiàn)對壓油泵的遠程分析與診斷。

（2）溫濕度測量應用

通過對于機組相關(guān)位置環(huán)境溫度的采集，結(jié)合原有設備測點的溫度值變化，實時分析不同測點的溫度值特征，根據(jù)各溫度測點信號偏移，平均值的大小，自動分析某些測溫回路是否存在故障，并實時判斷發(fā)變組溫度是否合理。

采用關(guān)聯(lián)集成分析策略，首先統(tǒng)計發(fā)變組的熱穩(wěn)態(tài)過程，在此基礎上，配合環(huán)境溫度計算發(fā)變組在熱穩(wěn)態(tài)過程下各溫度的特征值，能反映機組溫度隨水頭、有功變化情況，從而最終實現(xiàn)對機組性能的分析與預測，并有利于機組溫度特性、規(guī)律的總結(jié)。獲得水電廠發(fā)變組溫度信號在相應設備的熱穩(wěn)態(tài)過程下的變化過程，用以準確地發(fā)現(xiàn)機組溫度是否具有日趨“劣化”的趨勢，例如：

1）在任意的機組視在功率，各部位溫度隨時間的變化趨勢曲線；

2）在一定的機組功率下，上導瓦溫、下導瓦溫、水導瓦溫、推力瓦溫等隨時間的變化趨勢曲線；

3）提供在任意的變壓器視在功率、環(huán)境溫度下，變壓器油溫與變壓器線圈溫度隨時間的變化趨勢。

（3）漏液檢測及PM10/2.5檢測應用

通過對漏液點的報警以及環(huán)境溫濕度、粉塵顆粒物的報警，使遠程運行人員“身臨其境”，感知現(xiàn)場實際的工況環(huán)境，使現(xiàn)場早期的事故隱患得到排查并處理，結(jié)合實際運用，通過以下措施來優(yōu)化改善：

1）將多種信號采集后，先送至計算機監(jiān)控系統(tǒng)，提供初步的越限報警，同時進行語音提示，并彈出光字牌告警。

2）由計算機監(jiān)控系統(tǒng)將以上信號再送至電站內(nèi)的趨勢分析系統(tǒng)，由趨勢分析系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行進一步分析、關(guān)聯(lián)處理，除滿足越限預警以外，根據(jù)單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)變化情況，提供關(guān)聯(lián)報警、梯度報警、波動幅值報警，并進行變化速率分析，實時預測設備的運行狀況。

3）將信號通過IEC60870-5-104規(guī)約通信至工業(yè)電視系統(tǒng)，由工業(yè)電視系統(tǒng)根據(jù)相應信號動作條件串聯(lián)攝像機聯(lián)動畫面預警，同時工業(yè)電視系統(tǒng)還會以聲音、彈窗的多種方式提醒人員提前發(fā)現(xiàn)設備異常。實現(xiàn)智慧視頻監(jiān)視，為遠程值班人員提供設備現(xiàn)場的圖像畫面，便于遠方及時處理及決策。

圖1 感知系統(tǒng)拓撲圖

4 小結(jié)

智能化感知系統(tǒng)在華光潭電廠的投運，消除了過去電站過于注重設備內(nèi)部的感知，欠缺與設備外部環(huán)境結(jié)合監(jiān)測的手段；感知種類少，設備監(jiān)視依賴于傳統(tǒng)常用的傳感器，缺少比較全面的信號監(jiān)測類別；數(shù)據(jù)利用率不高，關(guān)聯(lián)性不強，過于依賴人員對數(shù)據(jù)的判斷分析，工作量大且容易出現(xiàn)失誤等多個弊端。

智能化感知系統(tǒng)為華光潭一級站實現(xiàn)“無人值守”提供了強有力的技術(shù)支持，但是感知系統(tǒng)的搭建，還存在著進一步的擴充需求。更多采集的數(shù)據(jù)類型、更多采集數(shù)據(jù)的方式以及更多智能設備的投入，將是后續(xù)研究的方向。此次系統(tǒng)的實施也是我國中小型水電站“無人值守”課題研究的一個嘗試，通過具體的實現(xiàn)方案、現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)，并配合現(xiàn)階段水電廠大數(shù)據(jù)智能化分析，使“少人值守”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁o人值守”變成可能，同時將“智慧水電”引入更高的平臺。