何 滔 汪廣明 曹 峰

(國家能源大渡河沙坪發(fā)電有限公司，四川 樂山 614300)

1 概 述

燈泡貫流式機(jī)組作為貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的主要類型之一，具有運(yùn)行水頭低、建設(shè)周期短等特點(diǎn)，在開發(fā)低水頭水力資源方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。由于機(jī)組的特殊結(jié)構(gòu)、安裝工藝及所處環(huán)境外在影響等因素，運(yùn)行過程中極易引發(fā)振動(dòng)和擺度值超標(biāo)，威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行工況的平臺(tái)，集數(shù)據(jù)采集與分析于一體，能夠及時(shí)反映出機(jī)組的振擺情況。

信息熵能夠有效檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列的動(dòng)力學(xué)特性，基于時(shí)頻熵(TFE)、樣本熵(SE)和排列熵(PE)的分析方法對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)特征提取及故障診斷有較好的效果[1]。貫流式機(jī)組運(yùn)行過程中監(jiān)測(cè)采集的擺度、振動(dòng)、壓力脈動(dòng)、發(fā)電機(jī)空氣間隙、水力動(dòng)力特性信息數(shù)據(jù)，為貫流式機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息熵的設(shè)備健康特征提取及評(píng)估提供了條件。

本文在振擺、水力動(dòng)力特性信號(hào)多維表達(dá)的基礎(chǔ)上結(jié)合信息熵的基本分析方法，以大渡河沙坪二級(jí)水電站燈泡貫流式機(jī)組為例，將在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)采集到的各狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息熵分析，提取特征數(shù)據(jù)，評(píng)估健康狀態(tài)，用以指導(dǎo)機(jī)組發(fā)電運(yùn)行。

2 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)備配置

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

沙坪二級(jí)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)地傳感器、數(shù)據(jù)采集站、上位機(jī)等構(gòu)成?，F(xiàn)地傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過電纜送往數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后通過光纖與上位機(jī)通信，使運(yùn)行人員既能通過上位機(jī)實(shí)時(shí)觀測(cè)機(jī)組運(yùn)行情況，也能通過歷史數(shù)據(jù)分析等手段總結(jié)規(guī)律。

上位機(jī)設(shè)備和各數(shù)據(jù)采集站之間以光纖為介質(zhì)，采用以太網(wǎng)通信，并滿足工業(yè)通用的國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3和TCP/IP規(guī)約，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)設(shè)備配置

2.2.1 現(xiàn)地傳感器

現(xiàn)地傳感器主要由振動(dòng)傳感器、擺度傳感器、鍵相傳感器、空氣間隙傳感器、壓力脈動(dòng)變送器組成，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)機(jī)組水導(dǎo)軸承、組合軸承、大軸、燈泡頭等部位，傳感器主要分布在機(jī)組水輪機(jī)艙及發(fā)電機(jī)艙。振動(dòng)傳感器采用低頻速度傳感器。擺度傳感器采用一體化渦流傳感器，由于其安裝間隙(約2mm)比一般渦流傳感器(通常為1.25mm)要大，可以有效避免傳感器與被測(cè)面之間碰磨。鍵相傳感器監(jiān)測(cè)采用非接觸式接近開關(guān)進(jìn)行測(cè)量，具有安裝方便、不易損壞的特點(diǎn)。用于監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間空氣間隙的傳感器由平板電容傳感器和信號(hào)調(diào)理器組成。每臺(tái)機(jī)組配置6個(gè)氣隙傳感器，周向均勻布置在定子內(nèi)壁。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集站

數(shù)據(jù)采集站配置振動(dòng)擺度壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)采集箱和氣隙數(shù)據(jù)采集箱，通過共享器連接到工業(yè)液晶屏，負(fù)責(zé)將傳感器采集到的振動(dòng)、擺度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、儲(chǔ)存。同時(shí)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行特征參數(shù)提取，得到機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成機(jī)組故障的報(bào)警，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳至狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器，供進(jìn)一步的狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析和診斷。數(shù)據(jù)采集站通過以太網(wǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信，獲取相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，集成到系統(tǒng)中統(tǒng)一分析。

2.2.3 上位機(jī)

上位機(jī)由狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集站送過來的機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、機(jī)組歷史數(shù)據(jù)、各種特征參數(shù)進(jìn)行管理、儲(chǔ)存及故障診斷。同時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器也負(fù)責(zé)與Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。Web服務(wù)器負(fù)責(zé)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與搭載流域局域網(wǎng)的MIS系統(tǒng)通信，便于數(shù)據(jù)云端儲(chǔ)存和分布式查詢、管理。

3 運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能

3.1 歷史數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫管理功能，存儲(chǔ)所有參數(shù)的原始數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)及樣本數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫采用高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，長(zhǎng)期存儲(chǔ)機(jī)組穩(wěn)態(tài)、過渡過程數(shù)據(jù)及高密度錄波數(shù)據(jù)。提供“黑匣子”記錄功能，記錄機(jī)組出現(xiàn)異常信息前后的完整數(shù)據(jù)，確保機(jī)組發(fā)生事故時(shí)能提供完整、詳盡的數(shù)據(jù)供分析診斷。

3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步地對(duì)機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后在數(shù)據(jù)采集站、服務(wù)器顯示器以及網(wǎng)絡(luò)所聯(lián)的有關(guān)用戶終端上同步監(jiān)視和顯示機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，從不同的角度、分層次地顯示出機(jī)組的各種狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能。整周期采樣技術(shù)，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行精確的頻率分析和對(duì)應(yīng)的幅值分析，避免頻譜分析中的混疊和泄漏。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畫面見圖2。

圖2 機(jī)組單元運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主畫面

3.3 預(yù)警報(bào)警

系統(tǒng)自動(dòng)建立機(jī)組在各個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行工況(不同水頭和負(fù)荷)下的標(biāo)準(zhǔn)樣本頻譜圖和矢量圖，在通常的一級(jí)報(bào)警和二級(jí)報(bào)警的基礎(chǔ)上增加了靈敏的頻譜靶圖報(bào)警和矢量靶圖報(bào)警及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障的前期征兆。配合報(bào)警規(guī)則設(shè)置功能和報(bào)警輸出軟件，將機(jī)組的振擺報(bào)警輸出給監(jiān)控系統(tǒng)。

3.4 機(jī)組穩(wěn)定性評(píng)估及優(yōu)化運(yùn)行分析

系統(tǒng)綜合機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行規(guī)范，通過對(duì)機(jī)組實(shí)際振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)特性的掌握，分析機(jī)組不同工況下振動(dòng)區(qū)變化規(guī)律，指導(dǎo)機(jī)組避振運(yùn)行。通過對(duì)水力能量參數(shù)(效率、耗水率等)在不同工況下的特性曲線的掌握，指導(dǎo)機(jī)組在最優(yōu)工況區(qū)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的最佳經(jīng)濟(jì)性能。

3.5 指導(dǎo)和評(píng)價(jià)機(jī)組維護(hù)檢修

系統(tǒng)定期評(píng)價(jià)機(jī)組各部件運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)機(jī)組檢修，對(duì)比機(jī)組檢修前后的歷史數(shù)據(jù)，可以直觀評(píng)價(jià)檢修效果，通過檢修后的各種機(jī)組常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合評(píng)價(jià)檢修后機(jī)組各部件特性。

4 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息熵的設(shè)備健康特征提取及評(píng)估

4.1 貫流式機(jī)組健康特征提取

準(zhǔn)確高效的設(shè)備健康特征提取是評(píng)估指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的關(guān)鍵。在大量收集機(jī)組全時(shí)段運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，建立風(fēng)險(xiǎn)信息熵評(píng)估模型，以準(zhǔn)確評(píng)估機(jī)組狀態(tài)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)影響貫流式機(jī)組運(yùn)行的設(shè)備信息進(jìn)行采樣存儲(chǔ)和處理。首先確定變量值,找尋變量屬性。設(shè)定變量品質(zhì)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，分對(duì)象以時(shí)間軸為基準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，根據(jù)排序情況，確定數(shù)值，以各標(biāo)準(zhǔn)的概率值作為訓(xùn)練模型的閾值，依次計(jì)算預(yù)測(cè)值和召喚值，分別得到訓(xùn)練樣本容量個(gè)數(shù)的預(yù)測(cè)值和召喚值?；跁r(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)集劃分，提取特征數(shù)據(jù)。

4.2 設(shè)備健康信息熵評(píng)估原理

“熵”用于描述信息論中信息的不確定性，同時(shí)給出了信息熵的數(shù)學(xué)表達(dá)式，定義一個(gè)不確定的概率分布信息熵為

式中pk——第k類事件出現(xiàn)的概率，根據(jù)信息熵大小可定量描述概率系統(tǒng)的平均不確定程度；

n——事件數(shù)量。

由于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)組工況、機(jī)組內(nèi)在固有屬性存在差異，機(jī)組外部因工程安裝、水力環(huán)境引起的水力特性也存在差異。隨著設(shè)備采集和傳輸技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備狀態(tài)量的冗余度越來越高，若在狀態(tài)評(píng)價(jià)過程中采用冗余的狀態(tài)量，會(huì)極大降低評(píng)估效率與評(píng)估精度。針對(duì)此情況，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)量分值信息進(jìn)行挖掘，提取狀態(tài)量主成分，降低評(píng)價(jià)維度，并形成具備典型工況特征的貫流式機(jī)組狀態(tài)量主成分體系。

主成分狀態(tài)量的評(píng)估體系構(gòu)建主要分為以下五步：?根據(jù)修前數(shù)據(jù)、修后數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、超標(biāo)數(shù)據(jù)、非常規(guī)奇異數(shù)據(jù)及缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立每個(gè)機(jī)組單元狀態(tài)量的多維矩陣；?對(duì)各機(jī)組單元工況的多維矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣簇；?計(jì)算各機(jī)組單元工況的相關(guān)系數(shù)矩陣；?求相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值及特征向量，計(jì)算各工況下設(shè)備健康綜合因子；?利用綜合因子對(duì)各機(jī)組單元狀態(tài)量進(jìn)行排序，設(shè)置置信區(qū)間，評(píng)價(jià)設(shè)備健康綜合指標(biāo)。

5 貫流式機(jī)組健康狀態(tài)信息熵評(píng)估應(yīng)用實(shí)例

沙坪二級(jí)電站安裝有6臺(tái)單機(jī)容量為58MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速為88.2r/min，額定水頭為14.3m，額定流量為457.66m3/s，經(jīng)過近幾年來對(duì)振擺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)1號(hào)、2號(hào)、6號(hào)機(jī)組經(jīng)常發(fā)生水導(dǎo)軸承徑向振動(dòng)X方向振動(dòng)超標(biāo)的問題，特別是1號(hào)機(jī)組情況尤為嚴(yán)重。

通過對(duì)1～6號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承徑向振動(dòng)X平均測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承徑向振動(dòng)X數(shù)值較其他機(jī)組數(shù)值明顯偏大，3～5號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承徑向振動(dòng)X數(shù)值較小，在機(jī)組日常運(yùn)行中，3～5號(hào)機(jī)組工況也更好，這和機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)相符。

在機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上對(duì)1號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承徑向振動(dòng)X數(shù)值進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，正常工況下1號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承徑向振動(dòng)X平均測(cè)值為80μm，異常狀態(tài)下水導(dǎo)軸承徑向振動(dòng)X平均測(cè)值為140μm，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷保持在20MW時(shí)，在常規(guī)運(yùn)行水頭區(qū)間中，水導(dǎo)軸承徑向振動(dòng)X數(shù)值增大到140μm，機(jī)組振動(dòng)明顯，根據(jù)機(jī)組健康狀態(tài)信息熵評(píng)估分析出1號(hào)機(jī)組負(fù)荷為20MW時(shí)為機(jī)組振動(dòng)區(qū)，為優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況，應(yīng)及時(shí)避開1號(hào)機(jī)組負(fù)荷為20MW的情況(見圖3)。

圖3 水導(dǎo)軸承徑向振動(dòng)X和徑向振動(dòng)Y狀態(tài)信息熵評(píng)估

6 結(jié) 語

燈泡貫流式機(jī)組具有運(yùn)行效率高、過機(jī)流量大等優(yōu)點(diǎn)，但由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)容易引發(fā)機(jī)組振動(dòng)，威脅水電站的運(yùn)行安全，因此，對(duì)燈泡貫流式機(jī)組運(yùn)行工況的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文以多階段、多種類全時(shí)段的狀態(tài)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立機(jī)組健康狀態(tài)信息熵評(píng)估模型，對(duì)機(jī)組健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)機(jī)組存在異?；蚬收蠣顟B(tài)時(shí)，提取機(jī)組特征狀態(tài)量，并計(jì)算狀態(tài)量評(píng)估信息熵，根據(jù)評(píng)估信息熵的值進(jìn)行排序，求解機(jī)組單元的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先度，從而明確指導(dǎo)和優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式。實(shí)際應(yīng)用表明，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息熵的設(shè)備健康特征提取及評(píng)估對(duì)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行有明顯的指導(dǎo)意義。