蘇 立，毛 成，沈春和，謝文經(jīng)，戴利傳

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002；2.貴州黔能企業(yè)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000）

1 引言

水能作為一種可再生能源可以有效緩解世界能源短缺和環(huán)境污染問題，在所有的清潔能源中水能是最早開發(fā)的可再生能源之一[1]。隨著水資源的逐步開發(fā)及制造技術(shù)的不斷發(fā)展，大型水輪機(jī)組不斷投產(chǎn)，水力發(fā)電在電網(wǎng)中的比重也越來越大[2]。改革開放40 年來，我國的水力發(fā)電技術(shù)不斷完善，三峽、白鶴灘等大型水電站不斷投入運(yùn)行，為全世界“降低碳污染、開發(fā)綠色能源”的發(fā)展起著重要作用[3]。

水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組是水力發(fā)電的核心部件，它的故障不僅能導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能會(huì)帶來災(zāi)難性事故。2009 年8 月17 日，俄羅斯薩楊舒申斯克水電站發(fā)生了嚴(yán)重事故，造成75 人死亡，多臺(tái)機(jī)組受到不同程度的破壞，水電站附近工業(yè)區(qū)大面積無法供電，直接經(jīng)濟(jì)損失約130 億美元[4]。通過進(jìn)一步研究水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，能及時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測故障，有效降低設(shè)備損壞率，減少維護(hù)成本，能提高水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的安全可靠性[5，6]。

機(jī)組的振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)能比較全面地反映水輪發(fā)電機(jī)組的可靠性，其中機(jī)組擺度的監(jiān)測是水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測中重要內(nèi)容之一，能夠反映機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)信息[7]。水輪發(fā)電機(jī)組在開機(jī)、停機(jī)、升負(fù)荷、甩負(fù)荷等過渡過程工況中包含了大量的機(jī)組狀態(tài)信息[8，9]，基于以上分析，文中采用小波變換分析（Wavelet transformanalyzing，WTA）方法對(duì)機(jī)組開機(jī)帶負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)擺度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 小波變換

傳統(tǒng)的信號(hào)分析是建立在傅里葉變換的基礎(chǔ)之上，是一種全局的變換，對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，無法描述信號(hào)時(shí)頻域的局部性質(zhì)。若用小波變換，不僅可以彌補(bǔ)傅里葉變換的不足，而且還可以進(jìn)行信號(hào)的時(shí)間-頻率局域性分析。

小波變換作為小波分析的核心，具有多分辨率分析的特點(diǎn)[10]，可以從粗到細(xì)地逐步觀察信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[11]：

若在線性空間L2（R）中，設(shè)f（t）在VJ上的投影，則[12，13]：

式中，cj，k為尺度因子，dj，k為小波系數(shù)，Φj，k為不同的小波基。

3 水導(dǎo)擺度數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

水導(dǎo)的擺度直接影響水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文中對(duì)某座水電站某臺(tái)機(jī)組的水導(dǎo)擺度進(jìn)行計(jì)算分析，數(shù)據(jù)的采集時(shí)間分辨率為5 s。對(duì)這些數(shù)據(jù)清洗后，機(jī)組從開機(jī)到帶負(fù)荷階段選取了1 500 個(gè)樣本數(shù)據(jù)，其相關(guān)特征如表1 所示。

表1 水輪機(jī)組水導(dǎo)在開機(jī)帶負(fù)荷階段的擺度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

在機(jī)組開機(jī)帶負(fù)荷階段，水導(dǎo)分別在X、Y 方向擺度信號(hào)的時(shí)間序列如圖1 所示。圖1 中，實(shí)線1表示水導(dǎo)在X 方向的擺度，實(shí)線2 表示Y 方向的擺度。在開機(jī)帶負(fù)荷階段，水導(dǎo)開機(jī)后第90 s 的擺度最大。雖然在Y 方向的擺度比X 方向的大，兩者的變換軌跡基本上類似。

圖1 機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)階段水導(dǎo)X、Y 方向擺度信號(hào)的時(shí)間序列圖

水輪發(fā)電機(jī)組從開機(jī)到帶負(fù)荷的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖2 所示，可以看出機(jī)組開機(jī)后3 min 內(nèi)基本上能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并能帶負(fù)荷運(yùn)行。

圖2 水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組開機(jī)帶負(fù)荷階段的轉(zhuǎn)速變化曲線

3.2 水導(dǎo)擺度的小波變換

為進(jìn)一步表示水導(dǎo)擺度信號(hào)的特征，分別對(duì)擺度信號(hào)的X 方向和Y 方向進(jìn)行小波變換，擺度信號(hào)X 方向的小波變換如圖3 所示。通過小波變換可以得到X 方向擺度信號(hào)在不同幅值的幾個(gè)波形，圖3中d1 和d3 為低幅值波形，而d2 為高幅值波形。

圖3 水導(dǎo)擺度信號(hào)X 方向的小波變換

圖4 表示水導(dǎo)擺度信號(hào)在Y 方向的小波變換，同樣，采用小波變換把原來Y 方向的擺度信號(hào)分為不同幅值的波形，圖4 中d1 和d3 表示低幅值波形，d2 是高幅值波形。

圖4 水導(dǎo)擺度信號(hào)Y 方向的小波變換

通過擺度信號(hào)的小波變換可以得知，相對(duì)于X方向擺度，在Y 方向的擺度變化比較突出，Y 方向的幅值比X 方向大，也就是說，機(jī)組在開機(jī)帶負(fù)荷階段，水導(dǎo)在Y 方向的擺度比X 方向的大。

通過X、Y 方向的擺度散點(diǎn)圖，可以初步判斷本臺(tái)機(jī)組水導(dǎo)的擺度是否在允許范圍內(nèi)。水導(dǎo)在X、Y 方向的擺度散點(diǎn)圖如圖5 所示。

圖5 水導(dǎo)在X、Y 方向的擺度散點(diǎn)圖

從圖5 中可知，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組開機(jī)時(shí)刻水導(dǎo)的擺度變化比較大，但是很快就下降到允許范圍內(nèi)，并在此范圍內(nèi)不斷微變。

4 結(jié)束語

采用小波分析方法對(duì)機(jī)組開機(jī)帶負(fù)荷過程中水導(dǎo)擺度信號(hào)進(jìn)行分析，得出以下幾點(diǎn)啟示：

（1）對(duì)擺度信號(hào)進(jìn)行小波變換時(shí)，要適當(dāng)?shù)剡x擇小波基，在不同的小波基，得到的計(jì)算結(jié)果不一樣。

（2）利用Daubechies (dbN)小波系，水導(dǎo)在X、Y方向的擺度信號(hào)進(jìn)行三層分解后構(gòu)造相應(yīng)的小波形。結(jié)合多分辨率分析，在X、Y 方向的擺度信號(hào)在18 處（90 s）的奇異性很強(qiáng)。

（3）機(jī)組在開機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻水導(dǎo)的擺度不穩(wěn)定，而且變化比較大。開機(jī)150 s 后達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并帶負(fù)荷運(yùn)行，水導(dǎo)的擺度在允許范圍內(nèi)不斷微變。