淺議水電廠機組狀態監測與分析系統

水電廠機組狀態監測與分析系統實時監測水輪發電機組的運行狀態及健康狀況，根據狀態制定檢修計劃及輔助決策，確保機組安全、經濟、高效運行，滿足水電廠"無人值班（少人值守）"的運行模式。

一、前言

水電廠機組狀態監測與分析系統是利用監測技術、網絡技術、數據庫技術等實現水輪發電機組狀態監測和故障診斷、分析，為水電廠從計劃檢修過渡到狀態檢修提供輔助，根據機組健康狀態制定檢修計劃。對于疑難故障，結合專家經驗及遠程會診，實現診斷的時實性與精確性；也便于水電廠管理人員及時了解機組運行狀況，獲取診斷報告，實現狀態預警，避免事故和故障擴大，為生產管理提供決策輔助，保證機組安全運行，滿足水電廠"無人值班（少人值守）"的運行模式。

本文是筆者在負責某一水電廠的機組狀態監測與分析系統改造過程中，結合系統的設計、軟件開發、現場調試與實際應用環節的個人觀點。水電廠機組狀態監測與分析系統在線監測機組狀態參數（振動擺度、脈動、電參數、空氣間隙、磁場強度、局部放電），結合SCADA及設備檢修數據，實現狀態監測與故障診斷，掌握機組狀況，實現機組狀態檢修與生產管理輔助決策。

二、系統組成

2.1.系統軟件

2.1.1.操作系統：WINDOWS操作系統；

2.1.2數據庫軟件：SQLSERVER 2005；

2.1.3開發工具：LabWindows CVI6；

2.2系統構成

2.2.1現地機組狀態監測裝置：結合測點數量或技術要求分為單機或多機系統，盡量簡化現地功能，僅提供如振幅、波形、越限報警等基本功能，提高現地裝置的可靠性。

2.2.2后臺診斷及分析系統，實現數據的收集、處理、分析，提供狀態監測、過程監測、故障預判與診斷、相關分析、遠程診斷等功能。

2.2.3遠程終端：查詢機組狀態、設備性能報告。

2.2.4系統軟件、硬件設備采用模塊化設計，以滿足不同應用要求。

2.3系統硬件

2.3.1現地裝置：為機旁控制屏柜及附件、人機接口、采集設備、網絡設備、信號調理、供電模塊；

2.3.2后臺診斷及分析系統，為一臺高性能工業計算機或服務器；

2.3.3數據通訊：現地機組狀態監測裝置與后臺診斷及分析系統的數據交換，采用MODBUS_TCP/IP協議。

2.4系統功能

2.4.1數據收集

收集設備運行、檢修、試驗的數據，如局部放電、空氣間隙、磁場強度、壓力脈動、振動、擺度等，并結合電廠運維修人員經驗進行分析，有條件情況下利用電廠和制造廠的專家知識進行輔助，在此基礎上建立檢修管理及專家診斷知識庫，針對性地選用測量儀器，采集必要的參數，狀態檢修工作要特別注意長期積累，定期總結及驗證。

2.4.2穩態信號分析

對于機組在穩態和瞬態工況下的振動測量，需要通過信號分析獲得若干重要信息：

1）為確定振動的劇烈程度，需測量總體振動水平，即一般所謂的振幅值，如通頻值或振動總量。

2）采用頻譜分析尋找振動故障的起因和根源，獲得振動分量的頻率成分。

3）為判斷故障的性質，應對振動的時域波形、軸心軌跡、渦動方向等進行分析。

4）為識別機組故障，相位關系是關鍵參數，包括同頻和二倍頻的相位，也可用來判斷不同振動參量間的相關性。

5）為全面深入探究復雜的振源特征，需要測量轉子中心位置、動平衡、各典型頻率分量下的幅值、振動激擾力特征等。

振動信號。一般是穩態的、隨機的、可以重復獲得的，但隨著運行工況和狀態參數的變化，振動量也會隨時間變化，尤其是在機組故障快速發展和狀態突變時。環境和外界作用的變化應及時記錄，作為故障診斷的參考。

振動的誘因：包括機械振動、電磁振動、水力振動、噪聲等，情況比較復雜。

振動信號的分析一般分時域法和頻域法，輔之以作圖制表等手段。

1）時域信號。時域信號的樣本長度（采樣時間或記錄長度）決定于所要研究的信息類型，通常與機組的工作周期或激勵的周期有關。轉子平衡所需要得到的相位信息就是用基本周期來表示的。

2）趨勢分析。對于機組的振動信號或過程參數（如溫度、壓力等）信號，連續地或周期性地記錄其變化過程，分析其工作狀態和發展趨勢，例如，可以用振幅隨時間變化曲線表示軸承磨損、間隙增大而導致機組振幅上升的自然趨勢。

3）頻譜分析。是機組振動分析與診斷最基本的工具，它建立在快速傅立葉變換（FFT）的基礎上，并輔之以濾波、細化、平均等技術，也包括白譜和互譜等。

4）相位分析。相位量化了兩個信號之間的時間差，它們可以是兩個振動信號，也可以是一個振動信號與一個激勵信號，或者取自一個振動信號與基本轉速的參考信號。

5）軌跡分析?？梢蕴峁┹S承的預負荷，能提供轉子的渦動頻率以及進動方向，還能顯示軸頸在軸承中的位移。

2.4.3故障診斷推理

系統將多種診斷方法有效融合后進行故障診斷推理，包括泄水錐松動；尾水渦帶振動過大；導水機構傳動部件松動；主軸密封潤滑不良；大軸密封偏磨；機組軸線異常；主軸法蘭螺栓松動；導軸承不對中；導軸承支撐部分有松動或裂紋；導軸承間隔調整不當；軸瓦受力異常；推力軸承潤滑不良；推力軸承彈性油箱異?；蚱渌收匣蛉毕荨?/p>

2.4.4瞬態分析功能

水輪機瞬態過程也稱過渡過程，系統應實時在線記錄機組啟機、停機、甩負荷過程中的全部數據，瞬態分析模塊對這些數據進行收集、整理、分析和處理。主要實現對以下功能的分析：

a.過渡過程中機組的穩定性；

b.調速器性能；

c.勵磁系統性能；

d.啟、停機過程狀態；

e.過渡過程故障；

f.過渡過程中高速錄波和回放；

2.4.5優化運行功能

通過在線測量，實時掌握機組運行狀態和性能，系統通過對機組運行性能在線跟蹤分析，向用戶提供機組不穩定運行工況，提醒用戶避開危險點運行等措施，以延長機組壽命，也可結合機組效率測試、振動測試等結果，合理進行機組組合，實現經濟運行。

2.4.6性能評估功能

系統對機組檢修后的性能進行評估，可得到機組動態、穩態性能的測試結論。

系統以曲線或三維面等多種形式，自動顯示機組穩定性隨功率的變化曲面，利用記錄的狀態數據，可以分別生成機組檢修前和檢修后的各種性能曲線、參數等分析結果，從而科學、量化檢修效果，達到檢修驗收的目的，為電廠檢修管理提供技術支持。

2.4.7分析功能

對監測參量數據進行采集處理，實現對比分析、相關分析、趨勢分析等功能。有條件情況下實施事故模擬試驗，掌握數據間的影響程度和相互關系，從而制定監測方案。由系統判斷起動、運行、負荷變化、停機等工況狀態，對輸入數據的采樣頻率、相互關系、異常判斷、表示方法及人機對話等予以重點分析。

2.4.8事故追憶

二級報警量觸發時，在分析圖表畫面中選擇帶時標實時記錄的相關量，與觸發的報警量以圖表形式呈現在同一畫面，查找報警觸發的原因。

2.4.9用戶自主診斷

根據提取的特征參數，實現自主分析、查詢設備故障原因。該功能針對設備診斷專家缺乏、新的分析診斷方法和手段不能很快地得到推廣應用等現狀，充分利用網絡技術，融合最新診斷技術，綜合應用視頻、音頻、短信、EMAIL、BBS等多種交互方式，構建基于Internet的“用戶-專家”緊密聯系的設備遠程監測和診斷平臺，為在線診斷提供技術手段。

2.4.10相關分析

對振動、擺度、脈動、氣隙、功率、斷路器位置、機端電壓、定子電流、開度等值后，在不同轉速、勵磁電流/電壓、負荷、溫度變化等情況進行相關分析。

實現流量效率、錄波、假同期測試（采集斷路器-同期點兩側的電壓，根據頻率、電壓、相位實現同期測試）。

現場試驗：如采集勵磁電流、電壓、定子電流可做空載實驗等。

甩負荷實驗轉速、壓力、電壓變化分析。

2.4.11遠程診斷功能

系統支持電廠生產現場、電廠辦公區及廠家通過互聯網對機組狀態進行遠程故障診斷，既支持在線監測系統，也支持離線監測。

遠程診斷功能建立在電廠整個系統結構基礎上，遠程終端（授權用戶）作為系統一個節點，登錄到系統中完成對機組及相關設備的運行參數及狀態報告查詢。

三、結語

本文所述水電廠機組狀態監測與分析系統，較全面介紹了系統結構與系統功能。提出了實現水輪發電機組狀態監測的必要性，針對設備檢修的要求提供設備狀態檢修輔助。

（作者單位：四川中鼎科技有限公司 ）

作者簡介：

唐洪（1975-），男，工程師，碩士研究生，從事水電廠自動化技術開發及項目管理。