水輪發電機組振動在線監測和故障診斷研究

王哲

摘 要：近年來，受到諸多因素的影響，使得水輪發電機組常常出現振動等故障，嚴重影響了機組的正常運行狀態，對我國整個國民經濟帶來了不利影響。因此需要對水輪發電機組振動故障進行實時監測，及時發現問題、處理問題，提高維修的針對性。

關鍵詞：水輪發電機組；振動；在線監測；故障診斷

中圖分類號 ： TM31 文獻標識碼：A

一、引言

水輪發電機組振動檢測與故障診斷具有一定的復雜性與多樣性，為確保水輪發電機組正常的運行，就必須對其進行全面、深入的研究與分析。本文提出了一種神級網絡與專家系統混合的智能監測與診斷系統，實現了數據采集和信號分析功能，能對機組振動等故障進行實時監測與診斷，能將機組受到的破壞降到最低。

二、水輪發電機組振動故障分析

（一）水輪發電機組結構

水輪發電機組分為同步水輪發電機和異步水輪發電機，目前我國大多數水電站采用的是同步水輪發電機。同步水輪發電機由轉子、定子、機架、導軸承、制動器以及推力軸承組成。

（二）水輪發電機組振動故障的特點

（1）漸變性。水輪發電機組的轉速往往比其他旋轉機械的轉速較低，使得水輪發電機組振動故障屬于漸變性或者耗損性故障，突發惡性事故較少，振動故障往往是從一個量變到質變的漸變過程。

（2）復雜多樣性。據大量實踐表明，水輪發電機組振動故障出現的原因基本有三種，即機械振動、水力振動以及電磁振動。這就使得機組振動機理十分復雜，可能是機械、水力以及電磁中其中一種引起的振動，也可能是三者相互作用引起的。再加上大型水輪發電機組結構尺寸較大，機組系統是耦合的龐大體系，具有一定的非線性。

（3）不規則性。受到水電站施工地理位置、地質條件以及經濟技術的影響，那么這些因素也會對水輪發電機組運行狀態造成影響。由于每個水電站都是專門設計的，使得不同水電站的水輪發電機組振動情況不盡相同，可比性較差，可見其振動故障具有不規則性。

（三）水輪發電機組故障診斷方法

（1）傳統故障診斷方法。過去對水輪發電機組故障診斷方法實施的是定期檢修，即檢修時間一到不管機組有無故障都必須停機檢修。在這樣的模式下，檢修操作人員只能靠以往的經驗和現場機組狀態進行觀察做出結論，難以真正檢測到機組中存在的隱性故障，無法確保水輪發電機組運行的安全性與穩定性。

（2）人工智能技術故障診斷方法。目前基于人工智能故障診斷主要有兩類，一是基于知識的故障診斷，二是基于智能模型式識別的故障診斷。基于知識信息處理系統實質也稱為專家系統，采用模塊化結構和人類的邏輯思維，推廣于不同的診斷對象。智能模糊識別故障診斷是對一系列過程參量進行監測，從測量空間映射到故障空間，實現故障診斷。

三、水輪發電機組在線監測與故障診斷需求研究

（一）水輪發電機組在線監測的特點

水輪發電機組狀態監測與診斷往往會涉及到機組運行狀態信息數據的測量、采集、記錄、處理、傳遞以及存儲等。隨著計算機技術的進步，為實現水輪發電機組狀態在線監測與故障診斷創造了良好的條件。水輪發電機組在線監測與故障診斷系統往往需要滿足以下特點：

（1）響應速度快。水輪發電機組狀態監測系統具有實時性和高速性。操作人員利用計算機相關技術，采用人機聯系設備，對機組運行狀態進行實時監測，在控制指令發出后往往能在3s左右得到響應。機組運行狀態變化時，計算機系統可以以最快的速度對其進行顯示和記錄，加上該過程有大量的數據進行計算，要求該系統具有足夠快的響應速度。

（2）可靠性高。為確保機組振動故障診斷系統的穩定運行，首先就需要確保機組監測系統的可靠性。在配置該系統過程中，往往需要采取可靠性強的措施，以保證系統各部分均能分別進行維護與更換。

（3）可維修性好。如果監測系統發現某個部位故障時，要求能及時地確定故障點，并盡快進行維護或者更換。因此應該盡量簡化模塊的種類和結構，其需要具有報警和自診斷功能。

（二）水輪發電機組在線監測與故障診斷系統結構

多機分布式系統主要特點是功能分布性、地域分散性。在多機分布式系統中，各機組狀態量和各系統智能處理單元都可以獨立進行數據的采集、計算和處理，減輕了中央計算機的負擔。同時各子系統和智能單元往往可以通過網絡與上位機系統通信，使得該系統具有諸多優點，如共享性強、監測容量大、覆蓋面廣、抗故障能力強、便于集中管理等。水輪發電機組多機分布結構主要由監測系統現地單元、狀態監測歷史站、狀態監測系統局域網、狀態監測操作人員、專家系統分析站以及遠方專家系統分析站等組成，能更加準確、更加及時地完成各工況下機組的監測和故障診斷與定位，彌補了傳統單機式集中控制監測系統的不足。

（三）系統硬件配置和網絡方案設計

（1）系統硬件配置。硬件設備是機組狀態監測與故障診斷系統實現的前提，如何針對系統功能要求，選擇相應的計算機設備，是目前水電站和電力企業共同關注的問題。在機組振動在線監測和故障診斷系統硬件配置時，應該根據該系統需要實現的功能、特點以及滿足的要求進行設計。本設計中，該系統硬件配置主要由上位機、狀態監測單元、Web服務器、工業控制網絡以及遠方專家系統組成。該系統監測與故障診斷主要是利用工業控制網絡將各地狀態監測單元與中控室上位機連接，對機組運行狀態進行實時監測，判斷監測信號所處狀態，并采用服務器連接遠方專家系統，實現遠程故障診斷。

（2）通信網絡方案選擇。對于現地狀態監測單元和上位機系統之間信息的連接與通信，往往需要通信設備進行連接。由于水輪發電機組狀態監測系統的結構是分布式的，加上總體結構的性能與通信系統密切相關，因此需要根據實際情況選擇適合的通信網絡方案，以確保各單元信息和數據之間更好的傳遞。

結語

在信息技術飛速發展下，為機組運行狀態實時監測和故障診斷創造了有利條件，使定位機組故障位置，維護、檢修、更換機組設備操作向綜合化、智能化、網絡化方向發展，提高了維修性，確保了機組運行的安全性與可靠性，為實現水電站和電力企業最大化經濟效益奠定了基礎。

參考文獻

[1]孔祥彬.水輪發電機組狀態監測與故障診斷系統設計與應用[D].西安理工大學，2010.

[2]陳順永.水輪發電機組狀態監測與故障診斷方法[J].甘肅科技，2010.