張長偉，李德紅，席 慧，王衛(wèi)玉，陳啟卷

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000；2.水力機(jī)械過渡過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢大學(xué)），武漢 430072）

0 引言

水電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引起機(jī)組振動的因素包括機(jī)械、電氣、水力等，不同振動因素的相互耦合導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，嚴(yán)重威脅電站安全運(yùn)行，因此對機(jī)組運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確劃分對指導(dǎo)其安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[1-3]。

經(jīng)典的振動區(qū)劃分方法主要基于機(jī)組特征水頭的變負(fù)荷試驗(yàn)，專家和學(xué)者基于該方法對機(jī)組振動區(qū)的劃分取得了一系列研究成果。馬云勇[4]通過帶負(fù)荷試驗(yàn)確定機(jī)組振動區(qū)分布，為機(jī)組AGC（自動發(fā)電控制）負(fù)荷分配提供指導(dǎo)。郭智俊等[5]對灘坑水電站1 號機(jī)組通過典型水頭下的變負(fù)荷試驗(yàn)，將機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域劃分為小負(fù)荷區(qū)、渦帶工況區(qū)和大負(fù)荷區(qū)。鐘堰輝[6]通過機(jī)組在較低水頭下的變負(fù)荷試驗(yàn)確定機(jī)組振動區(qū)，與運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線比對，驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。吳祖平[7]通過研究龍灘水電站700 MW 水輪發(fā)電機(jī)組在不同水頭下的穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。喬亮亮等[8]通過對某250 MW 混流式機(jī)組開展不同水頭下的變負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，將機(jī)組運(yùn)行區(qū)進(jìn)行劃分，提出多項AGC 避振策略，保障機(jī)組安全運(yùn)行。雖然經(jīng)典的振動區(qū)劃分方法對國內(nèi)水電站振動區(qū)劃分的研究取得了較多成果，但是該方法難以覆蓋機(jī)組運(yùn)行全水頭，得到的分區(qū)結(jié)果范圍較為粗糙，機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)得不到全部應(yīng)用，沒有體現(xiàn)出監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)有的價值。

近幾年，隨著大數(shù)據(jù)概念的迅速形成，利用機(jī)組海量在線監(jiān)測數(shù)據(jù)為振動區(qū)劃分提供依據(jù)成為現(xiàn)實(shí)。潘羅平[9]基于三峽集團(tuán)公司遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中心數(shù)據(jù)，分析機(jī)組運(yùn)行水頭和負(fù)荷對監(jiān)測參數(shù)特征量的影響，根據(jù)分區(qū)健康樣本，確定機(jī)組運(yùn)行全工況監(jiān)測參數(shù)特征量的基準(zhǔn)值和報警值，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組運(yùn)行分區(qū)。婁強(qiáng)等[10]提出一種基于機(jī)組在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、輔以穩(wěn)定性試驗(yàn)分析的運(yùn)行區(qū)精細(xì)劃分方法，對比常規(guī)的運(yùn)行區(qū)劃分方法，該方法在獲取渦帶區(qū)邊界、識別渦帶區(qū)范圍、實(shí)現(xiàn)全水頭劃分等方面具有優(yōu)勢。嚴(yán)耀亮等[11]提出采用MATLAB 對機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析機(jī)組振動原因，對機(jī)組運(yùn)行區(qū)間提出建議。這些研究表明，雖然機(jī)組在線監(jiān)測數(shù)據(jù)已經(jīng)應(yīng)用于振動區(qū)劃分，但數(shù)據(jù)應(yīng)用成本高，需要花費(fèi)大量時間精力進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選和整合。

本文針對水電機(jī)組振動區(qū)劃分中在線監(jiān)測數(shù)據(jù)尚未被高效利用、數(shù)據(jù)處理成本高等問題，搭建工況樣本數(shù)據(jù)庫，充分挖掘在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中的信息，研究基于數(shù)據(jù)挖掘的水電機(jī)組振動區(qū)精細(xì)劃分方法。

1 基于數(shù)據(jù)挖掘的振動區(qū)劃分模型

基于數(shù)據(jù)挖掘的振動區(qū)劃分模型包括工況樣本數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和振動區(qū)精細(xì)劃分方法兩部分，工況樣本數(shù)據(jù)庫對在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分工況區(qū)間存儲，振動區(qū)精細(xì)劃分方法是一種通過健康樣本確定相對閾值，識別全工況區(qū)間振動區(qū)的方法。

1.1 工況樣本數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)在機(jī)組振動區(qū)劃分中的高效率利用，專門搭建了工況樣本數(shù)據(jù)庫，將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中工況數(shù)據(jù)和穩(wěn)定性參數(shù)按照運(yùn)行水頭和負(fù)荷進(jìn)行分類存儲，以數(shù)據(jù)文件結(jié)合數(shù)據(jù)表的方式，通過Delphi XE3 編程結(jié)合SQL Server 數(shù)據(jù)庫軟件實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫框架如圖1 所示。通過數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)表可以同步快速地從在線監(jiān)測系統(tǒng)中提取機(jī)組運(yùn)行全工況區(qū)間穩(wěn)定運(yùn)行過程工況數(shù)據(jù)和穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)峰峰值數(shù)據(jù)，同時根據(jù)機(jī)組運(yùn)行時間提取健康樣本數(shù)據(jù)和分區(qū)數(shù)據(jù)，節(jié)省大量的人力和物力，為快速實(shí)現(xiàn)振動區(qū)精細(xì)劃分提供海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 數(shù)據(jù)庫框架

數(shù)據(jù)文件負(fù)責(zé)存儲機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行時在線監(jiān)測的所有數(shù)據(jù)，主要包括機(jī)組運(yùn)行工況數(shù)據(jù)、各穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)和特征值，分類存儲在機(jī)組運(yùn)行工況對應(yīng)的水頭和負(fù)荷文件夾下。水頭文件夾以機(jī)組運(yùn)行水頭H（四舍五入）命名，將H±0.5 m 的范圍作為一個水頭區(qū)間，形成機(jī)組運(yùn)行全水頭文件夾，用于存儲該水頭區(qū)間的實(shí)際負(fù)荷。負(fù)荷文件夾以機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷P（四舍五入）命名，將P±0.5 MW 的范圍作為一個負(fù)荷區(qū)間，形成機(jī)組運(yùn)行全水頭下的全負(fù)荷數(shù)據(jù)文件。

數(shù)據(jù)表存儲機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時的工況數(shù)據(jù)和穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)峰峰值數(shù)據(jù)，主要包括分區(qū)記錄表和樣本記錄表。分區(qū)記錄表存儲機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時的有功功率、水頭、上游水位、下游水位、轉(zhuǎn)速、勵磁電流、無功功率和導(dǎo)葉開度等工況數(shù)據(jù)。樣本記錄表存儲機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時振動、擺度和壓力脈動等21 個穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)峰峰值。

1.2 振動區(qū)精細(xì)劃分方法

經(jīng)典的振動區(qū)劃分中數(shù)據(jù)來自于機(jī)組變水頭變負(fù)荷試驗(yàn)，覆蓋水頭范圍有限，難以反映機(jī)組運(yùn)行全工況振動區(qū)。機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)不僅包括穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，還包括機(jī)組日常發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用到振動區(qū)劃分，覆蓋水頭范圍更廣，工況區(qū)間范圍更加精細(xì)。

振動區(qū)劃分方法中閾值標(biāo)準(zhǔn)主要有絕對閾值標(biāo)準(zhǔn)、相對閾值標(biāo)準(zhǔn)和類比閾值標(biāo)準(zhǔn)。本文采用相對閾值標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮機(jī)組在不同工況區(qū)間自身運(yùn)行狀態(tài)變化，基于已有的大量健康樣本數(shù)據(jù)，采用3σ 準(zhǔn)則上限值作為各穩(wěn)定性測點(diǎn)峰峰值相對閾值。

具體算法如下：

對于同一工況區(qū)間內(nèi)樣本X1，X2，…，Xn，相互獨(dú)立且同分布，則存在數(shù)學(xué)期望E（Xn）=μ 和方差D（Xn）=σ2，其樣本平均值X 和樣本方差S2按以下公式計算。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，可得出總體期望和方差S2的無偏估計量μ 和σ2。

在理想情況下，機(jī)組在某一工況區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)峰峰值為定值，然而由于隨機(jī)誤差的存在，數(shù)值在[μ-3σ，μ+3σ]范圍內(nèi)波動，該范圍能夠覆蓋99.74%的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，若機(jī)組運(yùn)行時穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)峰峰值超出上限值μ+3σ，則表明機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性狀態(tài)較差，出現(xiàn)異常的概率為99.73%，應(yīng)該避免在此工況區(qū)間運(yùn)行。因此，在機(jī)組不同工況區(qū)間內(nèi)，采用3σ 準(zhǔn)則確定各穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)越限區(qū)相對閾值，符合在振動區(qū)劃分中對各穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)峰峰值閾值設(shè)定的要求，可以滿足工程實(shí)際需要[13-15]。

選取機(jī)組大修后在2 年以內(nèi)穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行過程中穩(wěn)定性參數(shù)及工況參數(shù)等數(shù)據(jù)作為健康樣本，針對健康樣本中各穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)峰峰值，選定3σ 準(zhǔn)則中上限值μ+3σ 作為其閾值。將機(jī)組大修后除健康樣本外累積穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)據(jù)作為分區(qū)數(shù)據(jù)，確定各測點(diǎn)峰峰值越限工況區(qū)。綜合考慮各測點(diǎn)越限工況區(qū)，取交集部分作為強(qiáng)烈振動區(qū)（即禁止運(yùn)行區(qū)），其他越限工況區(qū)作為過渡運(yùn)行區(qū)（即限制運(yùn)行區(qū)），非越限區(qū)作為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，如圖2 所示。

圖2 振動區(qū)精細(xì)劃分流程

2 振動區(qū)全水頭劃分案例

以某水電站3 號機(jī)組為研究對象，該機(jī)組2017 年7 月完成增容改造，單機(jī)容量為55 MW，設(shè)計水頭為69.0 m，最大水頭為85 m，最小水頭為60.5 m。工況樣本數(shù)據(jù)庫于2018 年12 月投入使用，考慮數(shù)據(jù)庫開始存儲數(shù)據(jù)時間及機(jī)組運(yùn)行水頭變化規(guī)律，選取機(jī)組2018 年12 月—2019 年1 月穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)作為健康樣本數(shù)據(jù)，2019 年2—10 月運(yùn)行數(shù)據(jù)作為振動區(qū)劃分?jǐn)?shù)據(jù)，綜合不同測點(diǎn)峰峰值越限區(qū)，對機(jī)組運(yùn)行區(qū)進(jìn)行劃分。

2.1 數(shù)據(jù)庫運(yùn)行結(jié)果

本文搭建的工況樣本數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了包括穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)在內(nèi)的在線狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中運(yùn)行水頭、有功功率等工況參數(shù)和振動、擺度、壓力脈動等21 個穩(wěn)定性參數(shù)峰峰值分類存儲，數(shù)據(jù)覆蓋機(jī)組運(yùn)行工況區(qū)間如圖3 所示。由目前數(shù)據(jù)庫存儲的機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況和運(yùn)行時間可知，2018年12 月—2019 年1 月水頭從低水頭到高水頭變化，2019 年2—10 月水頭在高水頭到低水頭之間多次變化，其變化范圍為63～82 m，且主要運(yùn)行水頭范圍為68～80 m，在該水頭區(qū)間內(nèi)運(yùn)行負(fù)荷為0～52 MW，80 m 以上水頭區(qū)間內(nèi)運(yùn)行負(fù)荷為50～56 MW，67 m 以下水頭區(qū)間內(nèi)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)較少。數(shù)據(jù)庫已累計存儲該機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)共1 450 798 條，不同水頭下機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)累積數(shù)目如圖4 所示。

圖3 機(jī)組運(yùn)行工況點(diǎn)

圖4 全水頭數(shù)據(jù)累積數(shù)目

2.2 基于數(shù)據(jù)挖掘的振動區(qū)劃分

基于數(shù)據(jù)挖掘的振動區(qū)劃分，首先對每一個工況區(qū)間內(nèi)根據(jù)運(yùn)行時間選取健康樣本數(shù)據(jù)，在各工況區(qū)間內(nèi)，根據(jù)準(zhǔn)則確定各穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)閾值；然后與除健康樣本外的峰峰值比較，得到越限工況區(qū)域；最后對各工況區(qū)間內(nèi)越限測點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行區(qū)劃分，并對比傳統(tǒng)的變負(fù)荷試驗(yàn)得到的振動區(qū)，研究基于數(shù)據(jù)挖掘的振動區(qū)劃分模型的工程實(shí)用性。

基于目前工況樣本數(shù)據(jù)，采用前述閾值劃分原則，可得到21 個測點(diǎn)全工況區(qū)間相對閾值。綜合考慮測點(diǎn)峰峰值反映機(jī)組穩(wěn)定性狀態(tài)和傳感器的數(shù)據(jù)有效性，選擇下導(dǎo)Y 向擺度、水導(dǎo)Y 向擺度、頂蓋垂直向振動和蝸殼進(jìn)口壓力脈動4 個測點(diǎn)來表征機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，其中頂蓋垂直向振動峰峰值相對閾值如圖5 所示。圖中每一種點(diǎn)代表了一個水頭區(qū)間內(nèi)各負(fù)荷區(qū)間越限區(qū)相對閾值分布情況，同一水頭區(qū)間下在0～10 MW 和25～55 MW區(qū)間內(nèi)閾值較小，在10～25 MW 區(qū)間內(nèi)閾值較大；不同水頭區(qū)間下各負(fù)荷區(qū)間內(nèi)相對閾值變化規(guī)律類似。

圖5 頂蓋垂直向振動峰峰值相對閾值

將工況樣本數(shù)據(jù)庫中2019 年2—10 月存儲的各穩(wěn)定性參數(shù)測點(diǎn)峰峰值數(shù)據(jù)作為振動區(qū)劃分依據(jù)，與全工況區(qū)間內(nèi)各測點(diǎn)峰峰值相對閾值比較，若測點(diǎn)峰峰值大于其相對閾值，則此工況區(qū)間為越限區(qū)域。按此規(guī)則劃分，頂蓋垂直向振動峰峰值越限區(qū)如圖6 所示，圖中3 區(qū)域分別為越限工況區(qū)、機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)及機(jī)組目前還未運(yùn)行的工況區(qū)。

通過對以上4 個測點(diǎn)峰峰值越限工況區(qū)域取交集，若某一工況區(qū)間有2 個以上測點(diǎn)峰峰值都在越限區(qū)，則此區(qū)域顯示為強(qiáng)烈振動區(qū)（即禁止運(yùn)行區(qū)）；若某一工況區(qū)間有1 個測點(diǎn)峰峰值處于越限區(qū)，則此區(qū)域顯示為過渡運(yùn)行區(qū)（即限制運(yùn)行區(qū)）；若某一工況區(qū)間沒有測點(diǎn)峰峰值處于越限區(qū)，則此區(qū)域顯示為非越限區(qū)，即為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，機(jī)組沒有歷經(jīng)的運(yùn)行工況區(qū)域顯示白色，劃分結(jié)果如圖7 所示。

圖6 頂蓋垂直向振動峰峰值越限區(qū)

圖7 基于數(shù)據(jù)挖掘的機(jī)組運(yùn)行分區(qū)結(jié)果

2017 年3 號機(jī)組增容改造后，在68.95 m，76.23 m，70.74 m 3 個水頭下進(jìn)行了變負(fù)荷試驗(yàn)，根據(jù)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的穩(wěn)定運(yùn)行過程中振動、擺度、壓力脈動峰峰值限值作為運(yùn)行區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)，對該機(jī)組3 個水頭下的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)進(jìn)行常規(guī)劃分，如圖8 所示。從圖8 中可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)只能反映機(jī)組在該水頭下的運(yùn)行情況，水頭覆蓋范圍有限，并且試驗(yàn)結(jié)果只能對機(jī)組運(yùn)行區(qū)提供粗略的參考范圍，不能對機(jī)組全工況運(yùn)行區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確詳細(xì)劃分。

圖8 基于變負(fù)荷實(shí)驗(yàn)的機(jī)組運(yùn)行分區(qū)結(jié)果

基于數(shù)據(jù)挖掘的水電機(jī)組振動區(qū)精細(xì)劃分方法所搭建的工況樣本數(shù)據(jù)庫能自動識別機(jī)組運(yùn)行工況區(qū)間，對不同工況區(qū)間中穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)分類存儲，與傳統(tǒng)振動區(qū)劃分方法相比，覆蓋工況區(qū)間更廣，彌補(bǔ)了變負(fù)荷試驗(yàn)難以涉及的區(qū)域，減少了試驗(yàn)成本，能方便快捷實(shí)時地根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況確定振動區(qū)。由基于數(shù)據(jù)挖掘的運(yùn)行區(qū)劃分與基于變負(fù)荷試驗(yàn)的運(yùn)行區(qū)劃分結(jié)果圖對比可知，基于數(shù)據(jù)挖掘的運(yùn)行區(qū)劃分可以精細(xì)到每一水頭區(qū)間下的不同負(fù)荷區(qū)間，達(dá)到了機(jī)組運(yùn)行區(qū)間精細(xì)劃分的效果，驗(yàn)證了模型的工程實(shí)用性。

3 結(jié)語

通過搭建工況樣本數(shù)據(jù)庫，有針對性地將機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分工況區(qū)間進(jìn)行存儲，對機(jī)組運(yùn)行工況和各測點(diǎn)峰峰值單獨(dú)存儲，大大減少了運(yùn)行數(shù)據(jù)查看、調(diào)用和篩選所用時間，節(jié)省了大量人力物力，為振動區(qū)劃分提供大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；跀?shù)據(jù)挖掘的振動區(qū)劃分方法水頭覆蓋范圍更廣，根據(jù)準(zhǔn)則確定各測點(diǎn)峰峰值振動區(qū)劃分相對閾值充分考慮了機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，較絕對閾值更加合理，機(jī)組運(yùn)行區(qū)域劃分更加細(xì)致，可為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供準(zhǔn)確指導(dǎo)。

除此以外，從基于數(shù)據(jù)挖掘的機(jī)組振動區(qū)劃分結(jié)果圖可以看出，機(jī)組目前已運(yùn)行的工況區(qū)間還不能覆蓋所有可能運(yùn)行的工況區(qū)，將來可以進(jìn)一步通過變負(fù)荷數(shù)據(jù)累積來補(bǔ)充完善機(jī)組全工況運(yùn)行區(qū)。