羅金文，唐曉丹，李初輝，劉紹勇，黃天雄，胡慶雄

（中國長江電力股份有限公司 烏東德水電站，云南 昆明 650000）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備健康管理與故障診斷技術(shù)的進(jìn)步與深度融合，為大型水輪機(jī)組實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化、管理智能化提供了技術(shù)支撐[1-3]。目前，雖然大型水電機(jī)組均配備了相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，但狀態(tài)監(jiān)測的主要手段還是采用傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)對關(guān)鍵設(shè)備、部件的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行少量的、分散的監(jiān)測。比如，某電站某型號一臺發(fā)電機(jī)有1 782 根線棒，實(shí)際只有其中的99 根安裝了溫度傳感器。其他諸如軸承擺度、機(jī)架振動、軸承瓦溫、油溫等都存在同樣問題，致使運(yùn)行維護(hù)人員僅能通過這些分散的、單一的局部測點(diǎn)數(shù)據(jù)來了解、評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而無法對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的、全面立體的感知，無法了解掌握設(shè)備在整個(gè)空間分布內(nèi)的詳細(xì)狀態(tài)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測存在大量盲區(qū)。當(dāng)設(shè)備監(jiān)測盲區(qū)位置發(fā)生故障時(shí)，只有該故障的嚴(yán)重程度足以明顯影響到附近監(jiān)測點(diǎn)的特征數(shù)據(jù)時(shí)才能被監(jiān)測到。另外，目前的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)不具備智能診斷分析功能，基本處于數(shù)據(jù)的測量記錄和初步整理階段，提供相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)供人工分析[4-8]。

物理場技術(shù)作為一項(xiàng)聯(lián)系物理實(shí)體和數(shù)字模型的關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和物理場體之間的雙向映射和動態(tài)交互，通過物理場實(shí)時(shí)監(jiān)測可以達(dá)到動態(tài)、立體感知物理實(shí)體的實(shí)際狀態(tài)，為水電機(jī)組遠(yuǎn)程數(shù)字化運(yùn)維和智慧檢修決策提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐[9]。

2 物理場在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

水輪發(fā)電機(jī)組核心設(shè)備的物理場在線監(jiān)測與應(yīng)用，主要是通過各類傳感器監(jiān)測的振動、形變、溫度、磁通量、壓強(qiáng)、轉(zhuǎn)速、電流、功率等狀態(tài)數(shù)據(jù)，并立足于物理設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及幾何尺寸等特性，通過仿真、反演分析等手段建立各核心設(shè)備部件的高保真三維物理場仿真模型；同時(shí)采用實(shí)時(shí)在線仿真模型技術(shù)，在虛擬空間構(gòu)建相應(yīng)設(shè)備的高精度和高計(jì)算效率的降階模型；發(fā)電機(jī)組實(shí)體模型及其虛擬降階模型同步運(yùn)行，運(yùn)維人員可通過虛擬實(shí)時(shí)仿真模型，立體、動態(tài)感知水輪發(fā)電機(jī)組各核心設(shè)備部件的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)核心設(shè)備部件物理場分布的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

系統(tǒng)架構(gòu)按層級結(jié)構(gòu)自下而上包含數(shù)據(jù)層、算法層、服務(wù)層、應(yīng)用層、人機(jī)交互層等層級。如圖1所示，基礎(chǔ)模塊包含物理場仿真模型、實(shí)時(shí)仿真模型、實(shí)時(shí)仿真流程、實(shí)時(shí)仿真任務(wù)、高級應(yīng)用、數(shù)據(jù)管理、電站管理、軟件接口等模塊。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)

基于系統(tǒng)運(yùn)行過程中各功能模型的作用及模塊間關(guān)聯(lián)關(guān)系分為：

（1）硬件部分

1）傳感器的部署安裝并提供數(shù)據(jù)支撐，為物理場在線監(jiān)測系統(tǒng)提供監(jiān)測數(shù)據(jù)；

2）系統(tǒng)服務(wù)器用于安裝部署整套物理場在線監(jiān)測系統(tǒng)，為其提供運(yùn)行環(huán)境。

（2）軟件部分

1）開發(fā)數(shù)據(jù)接口將傳感器數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)；

2）通過監(jiān)測運(yùn)行工況與運(yùn)行狀態(tài)，為物理場在線監(jiān)測運(yùn)行提供驅(qū)動條件；

3）應(yīng)用高精度CAE 模型、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工具、商軟結(jié)果提取工具，反演分析工具以及實(shí)時(shí)仿真工具，共同作用形成實(shí)時(shí)仿真模型。

物理場在線監(jiān)測系統(tǒng)具備自動運(yùn)行模式與手動運(yùn)行模式。各運(yùn)行方式及功能如表1 所示。

表1 運(yùn)行方式及功能

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)通信

構(gòu)建虛擬仿真場景的前提，是需要構(gòu)建能夠獲取真實(shí)工況中設(shè)備關(guān)鍵實(shí)時(shí)信息的映射。采集到足夠反映水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行工況的監(jiān)測數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)從物理場分析的角度對設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測的基礎(chǔ)。確定已有運(yùn)行工況與運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)，明確需要新增的工況與監(jiān)測數(shù)據(jù)的范圍、特性，組織開展相關(guān)數(shù)據(jù)測點(diǎn)的部署、測試。

為實(shí)現(xiàn)基于物理場分析角度的水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測，將傳感器數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測系統(tǒng)，將監(jiān)測結(jié)果反饋給監(jiān)測系統(tǒng)，是水電站設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測的重要組成部分。如圖3 所示，結(jié)合物理場技術(shù)需求，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信方面，通過數(shù)據(jù)采集軟件獲取水輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含實(shí)時(shí)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，隨后將傳感器采集到的數(shù)據(jù)上送到物理場在線監(jiān)測軟件，應(yīng)用到物理場模型，用于模型實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，最后將此結(jié)果上送到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，展示到此平臺上，便于運(yùn)維人員查看。

圖3 數(shù)據(jù)通信流程

（2）物理場模型構(gòu)建

充分考慮水電設(shè)備復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征和實(shí)際工況，對模型進(jìn)行適當(dāng)合理簡化，根據(jù)設(shè)備幾何尺寸、材料特征等相關(guān)特性，建立數(shù)學(xué)模型（有限元模型）。如圖4 所示，根據(jù)設(shè)備實(shí)際裝配關(guān)系和安裝條件，在數(shù)學(xué)模型定義邊界條件，并通過傳感器采集的數(shù)據(jù)施加載荷，模擬設(shè)備的實(shí)際工作狀況，包含以下內(nèi)容：

1）選定開發(fā)目標(biāo)模型，基于該模型的運(yùn)行情況設(shè)計(jì)計(jì)算工況，選擇傳感器；

2）基于模型的結(jié)構(gòu)、材料、載荷、邊界條件，構(gòu)建物理場模型；

3）通過模型仿真計(jì)算結(jié)果與傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比校驗(yàn)數(shù)學(xué)模型計(jì)算精度，通過典型工況監(jiān)測結(jié)果與相應(yīng)工況數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，確保數(shù)學(xué)模型具備較高的計(jì)算精度。

（3）實(shí)時(shí)仿真功能

對于在線實(shí)時(shí)監(jiān)測功能需求，過長的仿真計(jì)算時(shí)間為實(shí)時(shí)性效果的實(shí)現(xiàn)帶來巨大的困難，同時(shí)也限制了基于仿真模型的水電設(shè)備安全評估與故障分析、預(yù)測等功能的提升。為了實(shí)現(xiàn)時(shí)刻監(jiān)測水電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，擬開發(fā)實(shí)時(shí)仿真功能，結(jié)合監(jiān)測的振動、形變、溫度、磁通量等狀態(tài)數(shù)據(jù)，在保證數(shù)學(xué)模型計(jì)算精度的前提下，需要采取一定技術(shù)方法，降低仿真時(shí)間，提高仿真的實(shí)時(shí)性，將復(fù)雜水電機(jī)組裝備問題的計(jì)算效率提高到秒級。

實(shí)時(shí)仿真功能的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于構(gòu)建輸入條件與水輪發(fā)電機(jī)組核心設(shè)備各個(gè)物理場之間的快速計(jì)算模型。為實(shí)現(xiàn)該目的，可利用投影法對原系統(tǒng)進(jìn)行降階縮減，也可利用機(jī)器學(xué)習(xí)法和深度學(xué)習(xí)法搭建輸入條件與待求物理場關(guān)系的近似模型。

（4）反演分析功能

為了實(shí)現(xiàn)水電站關(guān)鍵設(shè)備（水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)）運(yùn)行狀態(tài)的全面感知，需要應(yīng)用反演分析功能，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過反演分析，得到所需載荷條件，再施加到關(guān)鍵部件上，進(jìn)行正向計(jì)算，用以解決數(shù)據(jù)缺失、無法采集的問題。此外，為了獲取更準(zhǔn)確的有限元模型，在初始有限元模型的基礎(chǔ)上，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果或者現(xiàn)場傳感器采集的信號作為對標(biāo)條件，采用優(yōu)化方法反演計(jì)算有限元模型中的載荷條件或材料參數(shù)，從而使得有限元模型盡可能準(zhǔn)確地反映真實(shí)物理模型。

面向水電站設(shè)備的反演分析算法主要用于解決載荷不確定和材料不確定的問題。基于模態(tài)疊加法與遺傳算法的反演分析技術(shù)主要面向載荷反演問題，其反演結(jié)果對于某些載荷形式能夠高度還原真實(shí)情況。基于代理模型和優(yōu)化算法的反演分析技術(shù)是一種通用的反演手段，既可以解決載荷反演問題也可以解決材料反演問題，適用范圍較廣。

（5）故障診斷功能

水輪發(fā)電機(jī)組不同于其他常規(guī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其錯(cuò)綜復(fù)雜的耦合關(guān)系給故障診斷帶來了極大的困難。故障原因與故障征兆之間的映射關(guān)系十分復(fù)雜，通過單一類型的征兆能夠識別出一部分常見故障，卻很難全面的對各種故障進(jìn)行有效區(qū)分。針對如何捕獲能夠準(zhǔn)確反映機(jī)組故障特點(diǎn)并具有較高可區(qū)分性故障征兆的問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，各種故障征兆不斷地被提出并應(yīng)用于故障診斷，對故障特征提取及診斷進(jìn)行了有效的擴(kuò)展和補(bǔ)充。從故障征兆類型來看，現(xiàn)有特征提取方法包括：時(shí)域特征提取、頻域特征提取、時(shí)頻特征提取以及圖元信息特征提取等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用案例

圖5 為水輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵零部件物理場在線監(jiān)測系統(tǒng)主界面，其監(jiān)測的關(guān)鍵零部件分別包含水輪機(jī)的頂蓋、控制環(huán)、活動導(dǎo)葉、椎管門、蝸殼門，以及發(fā)電機(jī)的下機(jī)架、定子基座、定子鐵心、定子繞組、匯流環(huán)。以水輪機(jī)頂蓋部件模型為例，應(yīng)用物理場在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺，結(jié)合傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)及反演計(jì)算，實(shí)時(shí)仿真結(jié)果展示如圖6 所示，應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果展示如圖7 所示，頂蓋螺栓軸力雷達(dá)示意圖如圖8 所示，頂蓋螺栓剩余壽命評估結(jié)果如圖9 所示。

圖6 頂蓋實(shí)時(shí)仿真結(jié)果展示示意圖

圖7 目標(biāo)區(qū)域應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果展示示意圖

圖8 頂蓋螺栓軸力雷達(dá)示意圖

圖9 頂蓋螺栓剩余壽命展示示意圖

4 結(jié)語

（1）結(jié)合水電站運(yùn)維人員需求，構(gòu)建水輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)字孿生體，通過物理實(shí)體與數(shù)字孿生體進(jìn)行雙向映射和動態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測水電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為運(yùn)行操作人員提供智能優(yōu)化指導(dǎo)。

（2）針對傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測過程中僅能通過分散的、單一的局部測點(diǎn)數(shù)據(jù)來評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)現(xiàn)狀，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全面立體的感知水輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件運(yùn)行狀態(tài)，使獲取設(shè)備未布置傳感器區(qū)域狀態(tài)信息成為可能。

（3）將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過反演分析，得到所需載荷條件，再施加到關(guān)鍵部件上，進(jìn)行正向計(jì)算，解決數(shù)據(jù)缺失、無法采集的問題。此外，在初始有限元模型的基礎(chǔ)上，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果或者現(xiàn)場傳感器采集的信號作為對標(biāo)條件，采用優(yōu)化方法反演計(jì)算有限元模型中的載荷條件或材料參數(shù)，從而使得有限元模型盡可能準(zhǔn)確地反映真實(shí)物理模型。