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基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動(dòng)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)獲取方法

2022-10-25 05:27王衛(wèi)玉李崇仕胡勇勝魏加達(dá)
水電站機(jī)電技術(shù) 2022年10期
關(guān)鍵詞:水頭水電測(cè)點(diǎn)

王衛(wèi)玉,李崇仕,胡勇勝,劉 禹,魏加達(dá)

(1.國(guó)家電力投資集團(tuán)水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心,湖南 長(zhǎng)沙 410004;2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

水電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)振動(dòng),當(dāng)振動(dòng)在合理范圍內(nèi)時(shí),機(jī)組可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)值時(shí),尾水管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)水力不穩(wěn)定現(xiàn)象,導(dǎo)致振動(dòng)加劇。水電機(jī)組在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻的功能,機(jī)組潛在運(yùn)行的負(fù)荷范圍較廣,在分配水電機(jī)組出力時(shí)必須考慮水輪機(jī)的振動(dòng),避免其在振動(dòng)區(qū)工作,這就需要對(duì)其振動(dòng)區(qū)間的掌握[1,2]。傳統(tǒng)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)劃分方法基于穩(wěn)定性試驗(yàn),由于年調(diào)節(jié)或多年調(diào)節(jié)水電站水頭變化較少,穩(wěn)定性試驗(yàn)不能夠經(jīng)常開(kāi)展,且試驗(yàn)開(kāi)展的時(shí)間和時(shí)長(zhǎng)需要經(jīng)過(guò)調(diào)度部門審批,因此常規(guī)振動(dòng)區(qū)劃分僅能夠考慮有限水頭和機(jī)組在部分負(fù)荷下的穩(wěn)定性表現(xiàn)數(shù)據(jù),存在數(shù)據(jù)無(wú)法覆蓋全部運(yùn)行工況以及數(shù)據(jù)量不夠精細(xì)等問(wèn)題,所劃分振動(dòng)區(qū)往往與真實(shí)情況存在較大誤差[3,4]。

常規(guī)水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)劃分方法存在以下不足:(1)常規(guī)水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)劃分方法需要開(kāi)展穩(wěn)定性試驗(yàn),試驗(yàn)需要耗費(fèi)額外的人力物力,成本較高;(2)常規(guī)水電機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)需要調(diào)度部門允許,且只能夠在有限水頭下進(jìn)行,無(wú)法完整覆蓋機(jī)組運(yùn)行的全工況范圍;(3)常規(guī)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)劃分方法在某一水頭下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)只能選取部分負(fù)荷點(diǎn)(10%、20%、30%...90%、100%)進(jìn)行測(cè)試,無(wú)法覆蓋所有機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷范圍;(4)常規(guī)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)劃分結(jié)果較為粗略,并且無(wú)法根據(jù)機(jī)組長(zhǎng)期實(shí)際表現(xiàn)進(jìn)行精細(xì)化,可能存在偏離機(jī)組實(shí)際狀態(tài)情況[5,6]。

基于以上背景,提出一種基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動(dòng)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)獲取方法[7]。首先介紹了方法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線,包括數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)清洗策略、測(cè)點(diǎn)閾值配置策略以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)區(qū)獲取方法;其次基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該方法的實(shí)際效果進(jìn)行了驗(yàn)證,并介紹了一項(xiàng)實(shí)時(shí)振動(dòng)區(qū)獲取結(jié)果指導(dǎo)優(yōu)化運(yùn)行案例;最后為本文結(jié)論。

1 基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動(dòng)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)獲取方法

首先基于水電工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)獲取的水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)海量歷史數(shù)據(jù),將根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程設(shè)定的水電機(jī)組振動(dòng)閾值表以及包含機(jī)組工況參數(shù)及穩(wěn)定性參數(shù)在內(nèi)的多維數(shù)據(jù)輸入振動(dòng)區(qū)獲取算法,通過(guò)算法判斷每個(gè)穩(wěn)定性測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)正常、一級(jí)報(bào)警、二級(jí)報(bào)警和通道失效等4種狀態(tài),并將相應(yīng)工況量參數(shù)及標(biāo)識(shí)參數(shù)字段信息輸出;其次,基于輸出結(jié)果,以負(fù)荷為橫坐標(biāo),以水頭為縱坐標(biāo),繪制振動(dòng)區(qū)分析圖,將機(jī)組報(bào)警數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的水頭及最大負(fù)荷和最小負(fù)荷繪制于圖中,利用積累的海量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型,獲得水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)結(jié)果;最后,基于水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)區(qū)分析范圍及精度的數(shù)據(jù)自驅(qū)動(dòng)優(yōu)化。

圖1 基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動(dòng)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)自動(dòng)獲取技術(shù)路線

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

涉及數(shù)據(jù)來(lái)源于水電機(jī)組穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù),主要分為穩(wěn)定性參數(shù)測(cè)點(diǎn)、工況參數(shù)測(cè)點(diǎn)及開(kāi)關(guān)量參數(shù)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)清洗

由于線路干擾和傳感器松動(dòng)等原因,數(shù)據(jù)中存在無(wú)效數(shù)據(jù),故需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗,數(shù)據(jù)清洗的流程為:

(1)依據(jù)機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行清洗:根據(jù)各穩(wěn)定性測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄中,數(shù)值的分布情況,刪除每個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄中的離群數(shù)值。數(shù)據(jù)清洗的流程為:①計(jì)算每個(gè)樣本中每個(gè)穩(wěn)定性參數(shù)數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差;②篩選出穩(wěn)定性參數(shù)數(shù)據(jù)中與平均值相差超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù);③將②中篩選出的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾除。

(2)依據(jù)機(jī)組的工況參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行清洗:根據(jù)機(jī)組的基本狀況,確定各工況參數(shù)的清洗判斷條件,即其最大、最小值,以該判斷條件進(jìn)行清洗。

根據(jù)水電機(jī)組的基本運(yùn)行參數(shù)及其實(shí)際運(yùn)行表現(xiàn)規(guī)律,將數(shù)據(jù)的清洗判斷邏輯設(shè)置為:保留存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)中機(jī)組水頭H數(shù)值位于最小水頭Hmin和機(jī)組最大水頭Hmax之間的數(shù)據(jù)記錄;刪除有功功率Ρ數(shù)值大于水電機(jī)組額定功率Ρr或小于0的數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)清洗過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)如下:

式中,H為該條被清洗數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的水頭值,Hmin為最小水頭,Hmax為最大水頭,Ρ為該條數(shù)據(jù)記錄的有功功率數(shù)值,Ρr為機(jī)組額定功率。

1.3 測(cè)點(diǎn)閾值配置

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程對(duì)每個(gè)穩(wěn)定性參數(shù)測(cè)點(diǎn)設(shè)置報(bào)警閾值。報(bào)警閾值條件包括且不限于:介于、大于、等于、小于、不等于、小于等于、大于等于、不介于,具體條件根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程設(shè)定;報(bào)警閾值類型分為一級(jí)報(bào)警閾值(alarm_level1)和二級(jí)報(bào)警閾值(alarm_level2)兩種。對(duì)應(yīng)報(bào)警閾值函數(shù)如下式所示。

1.4 振動(dòng)區(qū)提取算法

振動(dòng)幅值越限值是機(jī)組重要的故障征兆指標(biāo),算法實(shí)現(xiàn)對(duì)各穩(wěn)定性參數(shù)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和一級(jí)報(bào)警閾值以及二級(jí)報(bào)警閾值對(duì)比計(jì)算,返回振動(dòng)幅值越限值情況,包括通道正常、一級(jí)報(bào)警、二級(jí)報(bào)警和通道失效等4種。算法將存在通道異常狀態(tài)征兆的信息實(shí)時(shí)輸出,并自動(dòng)存儲(chǔ)機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)振動(dòng)幅值越限值異常狀態(tài)征兆信息。最終篩選某臺(tái)機(jī)組一定時(shí)間內(nèi)所有報(bào)警記錄(包括一級(jí)報(bào)警及二級(jí)報(bào)警2類),繪制到振動(dòng)區(qū)分析圖中,以此類推,將該測(cè)點(diǎn)所有報(bào)警記錄以上述方式繪制到振動(dòng)區(qū)間分析圖中,得到該測(cè)點(diǎn)該時(shí)間段內(nèi)振動(dòng)區(qū)間分析結(jié)果,基于此得到該機(jī)組此段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行水頭下該測(cè)點(diǎn)振動(dòng)負(fù)荷區(qū)間分析結(jié)果。算法邏輯如圖2所示。

圖2 基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)自動(dòng)獲取算法邏輯

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

國(guó)家電力投資集團(tuán)水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心基于本文的專利方法自主研發(fā)了水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)自動(dòng)獲取+報(bào)警分析系統(tǒng),包含了振動(dòng)區(qū)間分析、幅值報(bào)警統(tǒng)計(jì)、振擺高負(fù)荷幅值報(bào)警統(tǒng)計(jì)、除振擺外幅值報(bào)警統(tǒng)計(jì)、報(bào)警專項(xiàng)分析和通道失效統(tǒng)計(jì)等11項(xiàng)功能應(yīng)用。目前該系統(tǒng)已推廣應(yīng)用至五凌電力有限公司12座、53臺(tái)不同型式水電機(jī)組。系統(tǒng)主要功能界面如圖3所示。

圖3 水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)自動(dòng)獲取+報(bào)警分析系統(tǒng)

下面以某電站混流式水電機(jī)組為例進(jìn)行效果驗(yàn)證及實(shí)例介紹。

2.1 機(jī)組基本參數(shù)

電站安裝有5臺(tái)250 MW混流式機(jī)組,總裝機(jī)容量1 250 MW,設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量53.7億kW·h,采用壩后式廠房。機(jī)組安裝有PSTA2100型機(jī)組測(cè)振測(cè)擺監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)等狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集。機(jī)組基本參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組基本參數(shù)

2.2 振動(dòng)區(qū)獲取效果驗(yàn)證

以電站4號(hào)機(jī)組為對(duì)象,基于機(jī)組穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)振動(dòng)區(qū)獲取效果進(jìn)行驗(yàn)證。2021年11月~12月機(jī)組水頭變化趨勢(shì)如圖4所示,機(jī)組平均水頭從47.72 m上升到57.23 m,水頭變化接近10 m。

圖4 機(jī)組水頭及電站上下游水位變化趨勢(shì)

基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動(dòng)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)獲取方法獲取的2021年11月~12月穩(wěn)定性測(cè)點(diǎn)報(bào)警統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組每個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)報(bào)警次數(shù)、報(bào)警幅值范圍和報(bào)警發(fā)生負(fù)荷區(qū)間等情況的量化記錄,實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)穩(wěn)定性測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定性表現(xiàn)的量化掌握。

表2 4號(hào)機(jī)組2021年11月~12月測(cè)點(diǎn)報(bào)警信息自動(dòng)記錄情況

此段時(shí)間內(nèi)整體振動(dòng)區(qū)獲取效果如圖5所示。從圖5中可以看出隨著水頭增加機(jī)組振動(dòng)區(qū)負(fù)荷上限有增大表現(xiàn),振動(dòng)區(qū)獲取效果與水電機(jī)組穩(wěn)定性機(jī)理一致。

圖5 振動(dòng)區(qū)分析結(jié)果

頂蓋X向振動(dòng)在此時(shí)間段內(nèi)振動(dòng)區(qū)間表現(xiàn)如圖6所示,從圖中看出測(cè)點(diǎn)在56 m以下低水頭時(shí)在低部分負(fù)荷時(shí)存在報(bào)警,在56 m水頭附近振動(dòng)報(bào)警負(fù)荷區(qū)間上限增加到200 MW附近,在230 MW高負(fù)荷附近出現(xiàn)1次報(bào)警記錄。說(shuō)明機(jī)組運(yùn)行水頭偏離設(shè)計(jì)水頭越大,頂蓋振動(dòng)穩(wěn)定性越差,可能與水頭較高,導(dǎo)葉開(kāi)度較低,導(dǎo)致的水力穩(wěn)定性較差有關(guān)。

圖6 振動(dòng)區(qū)分析結(jié)果——頂蓋X向振動(dòng)單測(cè)點(diǎn)

2.3 指導(dǎo)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行實(shí)例

2022年6月份,電站來(lái)水較好,機(jī)組連續(xù)帶高負(fù)荷運(yùn)行。2號(hào)機(jī)組1~5月份整體振動(dòng)區(qū)表現(xiàn)如圖7(1)所示,從圖中可以看出振動(dòng)區(qū)表現(xiàn)正常,在靠近設(shè)計(jì)水頭時(shí)振動(dòng)區(qū)負(fù)荷上限較低,在靠近最大水頭的高水頭時(shí)振動(dòng)區(qū)負(fù)荷上限較高。6月份振動(dòng)區(qū)整體表現(xiàn)如圖7(2)所示,從圖中可以看出機(jī)組運(yùn)行水頭位于設(shè)計(jì)水頭以下,頂蓋Y向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)在高部分負(fù)荷存在特殊的振動(dòng)區(qū)間。

圖7 振動(dòng)區(qū)分析結(jié)果——頂蓋X向振動(dòng)單測(cè)點(diǎn)

通知電廠運(yùn)行人員將負(fù)荷調(diào)整后(升高至240 MW以上),振動(dòng)值恢復(fù)正常水平,保障了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行,具體趨勢(shì)表現(xiàn)如圖8所示。

圖8 負(fù)荷調(diào)整前后頂蓋Y向振動(dòng)幅值趨勢(shì)表現(xiàn)

3 結(jié)論

本文提出了基于數(shù)據(jù)自驅(qū)動(dòng)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)獲取方法,實(shí)現(xiàn)了基于海量歷史數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)的獲取,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)的水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)實(shí)時(shí)跟蹤更新和細(xì)化。

結(jié)合某電廠機(jī)組穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,分析結(jié)果表明該方法可以有效地獲取水電機(jī)組振動(dòng)區(qū)表現(xiàn),在量化不同水頭負(fù)荷下水電機(jī)組穩(wěn)定性表現(xiàn)方面具有良好的效果和實(shí)用性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組異常振動(dòng)的實(shí)時(shí)跟蹤記錄及情況掌握,保障了機(jī)組的安全穩(wěn)定性,并可指導(dǎo)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行。

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