基于故障參數(shù)辨識的水輪發(fā)電機組綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

莊明

（福建水口發(fā)電集團有限公司，福建福州350004）

基于故障參數(shù)辨識的水輪發(fā)電機組綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

莊明

（福建水口發(fā)電集團有限公司，福建福州350004）

隨著智能化電站建設(shè)和無人值守管理的需求，以智能化診斷為特征的綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)越來越得到國內(nèi)外的關(guān)注和應(yīng)用。福建水口發(fā)電集團開發(fā)和實施了基于故障參數(shù)辨識的水輪發(fā)電機組綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對多站多設(shè)備一體化集中狀態(tài)監(jiān)測，同時建立了對水電站主要關(guān)鍵設(shè)備主要故障的自動化智能診斷，為實現(xiàn)水輪發(fā)電機組和電力系統(tǒng)的安全運行取得了顯著效果。

狀態(tài)監(jiān)測；自動化辨識；模型特征；參數(shù)指標(biāo)；判定標(biāo)準(zhǔn)

1 項目背景

福建水口發(fā)電集團有限公司是華東地區(qū)最大常規(guī)水電發(fā)電企業(yè),下轄水口水力發(fā)電站、嵩灘埔水力發(fā)電站、水東水力發(fā)電站、雍口水力發(fā)電站、街面水力發(fā)電站5座水電站，共安裝有17臺水力發(fā)電機組，總裝機總?cè)萘? 866 WM。隨著水口發(fā)電集團裝機容量的擴大、總?cè)萘康奶岣咭约霸陔娏ο到y(tǒng)中調(diào)峰調(diào)頻的作用越來越大，其機組的安全運行重要性越來越突出。福建水口發(fā)電集團有限公司在福建電網(wǎng)乃至華東電網(wǎng)具有舉足輕重的作用，為保障海峽西岸經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了積極作用。

為滿足電站智能化管理，無人值守的需求，福建水口發(fā)電集團有限公司在福州開發(fā)建立了遠(yuǎn)程綜合分析診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多站多設(shè)備一體化集中狀態(tài)監(jiān)測和水電站主要關(guān)鍵設(shè)備（發(fā)電機組、主變、高壓開關(guān)、輔機等）主要故障的自動化診斷、水輪發(fā)電機組常規(guī)試驗的全自動化在線數(shù)據(jù)采集和全自動化在線智能分析評價。本文就該系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計和應(yīng)用作簡要介紹。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

（1）在水口、嵩灘埔、水東、街面、雍口各水電站廠站側(cè)，安裝在機組各部位的傳感器將各種物理信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳送到各信號采集裝置，采集裝置將這些信號采集和處理，得到反映機組運行狀態(tài)的各種特征參數(shù)、曲線、圖表等，統(tǒng)一存儲到電廠廠站側(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。電廠廠站側(cè)的通訊服務(wù)器負(fù)責(zé)向綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器傳送實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，發(fā)布數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)、分析結(jié)果、診斷結(jié)果，包括與本地或者遠(yuǎn)程的監(jiān)測、分析、診斷、維護(hù)工作站的交互。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（2）綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)立若干狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲管理服務(wù)器、若干應(yīng)用服務(wù)器、狀態(tài)辨識及實時分析診斷服務(wù)器，其中狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲管理服務(wù)器接收由廠站側(cè)傳送來的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并完成存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)、壓縮、分發(fā)等操作，對狀態(tài)數(shù)據(jù)實現(xiàn)管理。而應(yīng)用服務(wù)則負(fù)責(zé)發(fā)布數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)、分析結(jié)果、診斷結(jié)果，包括與本地或者遠(yuǎn)程的監(jiān)測、分析、診斷、維護(hù)工作站的交互。

（3）狀態(tài)辨識及實時分析診斷服務(wù)器是本系統(tǒng)中關(guān)鍵的計算機系統(tǒng)之一。它在后臺自動接收廠站側(cè)傳送來的實時數(shù)據(jù)，并對“基本狀態(tài)”參數(shù)進(jìn)行越限報警檢查、調(diào)用恰當(dāng)?shù)臍v史數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢狀態(tài)辨識，同時計算“深層狀態(tài)”參數(shù)，并對計算后的各“深層狀態(tài)”參數(shù)進(jìn)行趨勢狀態(tài)辨識。

（4）連入綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的每一臺計算機，既可以通過電廠狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷，也可以直接訪問綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和診斷。

2.2 系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)從軟件邏輯結(jié)構(gòu)上分為3層：

第1層為數(shù)據(jù)獲取層和壓縮及格式轉(zhuǎn)換與傳輸層，主要是從水口、嵩灘埔、水東、街面、雍口電站廠站側(cè)的在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。包括振動擺度數(shù)據(jù)、壓力脈動數(shù)據(jù)、機組溫度數(shù)據(jù)、工況參數(shù)、主變狀態(tài)數(shù)據(jù)、高壓設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、輔機設(shè)備狀態(tài)等。

第2層為數(shù)據(jù)管理層，主要完成實時數(shù)據(jù)的融合、存儲、管理與發(fā)布，以及對歷史數(shù)據(jù)的按需存儲、發(fā)布。在數(shù)據(jù)獲取層獲得實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，自動提取能反映設(shè)備運行狀態(tài)和故障狀態(tài)的關(guān)鍵特征參數(shù)，并對這些特征參數(shù)進(jìn)行判定、趨勢辨識，實現(xiàn)對運行狀態(tài)的監(jiān)視、保護(hù)和趨勢預(yù)測；并為外部后臺的分析診斷、管理等應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口。

第3層為后臺交互式監(jiān)測、分析、診斷決策應(yīng)用，本系統(tǒng)的后端監(jiān)測分析、綜合分析診斷決策等模塊具備數(shù)據(jù)挖掘功能，包括大量的監(jiān)測分析診斷模塊。分析診斷模塊包括兩個軟件模塊，一個是基于C/S模式的綜合分析診斷模塊，包括了完整的監(jiān)測、分析診斷功能，另一個是基于B/S模式的監(jiān)測和趨勢分析模塊。

系統(tǒng)的構(gòu)架示意圖如圖2所示。

3 基于故障參數(shù)辨識的智能分析診斷系統(tǒng)的研究

分析診斷的智能化長期以來一直是水輪發(fā)電機組故障診斷的瓶頸，因此本系統(tǒng)著重在這方面進(jìn)行了研究和設(shè)計。此次建設(shè)的遠(yuǎn)程分析診斷系統(tǒng)針對水輪發(fā)電機組常見的幾種主要故障建立明確的故障辨識模型，針對每一種故障提出可量化的故障指標(biāo)集，參照機組歷史數(shù)據(jù)和國家標(biāo)準(zhǔn)確立故障指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)實時采集的數(shù)據(jù)，由計算機在線自主進(jìn)行故障特征提取，并與故障指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，實現(xiàn)機組故障的在線自主分析診斷。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

圖3 系統(tǒng)診斷模式

本系統(tǒng)研究的重點在于故障診斷模型建立、故障特征指標(biāo)集確立、故障判定標(biāo)準(zhǔn)等多個方面。

3.1 系統(tǒng)支持的故障診斷模型簡述

系統(tǒng)在總結(jié)和分析水電機組常見故障機理的基礎(chǔ)上，結(jié)合水口集團機組結(jié)構(gòu)特點，確立故障辨識模型（表1）。

3.2 故障特征指標(biāo)集及判定標(biāo)準(zhǔn)

在建立了故障的數(shù)學(xué)模型,確立故障特征集之后,判定標(biāo)準(zhǔn)體系的建立成了自主分析診斷系統(tǒng)能否實用化的關(guān)鍵。在本系統(tǒng)設(shè)計實施過程中，故障判定標(biāo)準(zhǔn)體系的建立存在以下困難：

（1）沒有可以直接參照的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

正常來說，如果有相關(guān)可借鑒的國家標(biāo)準(zhǔn)、國際通用標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，那么首先應(yīng)該采用上述標(biāo)準(zhǔn)。然而在本項目中，診斷系統(tǒng)提出的故障特征指標(biāo)集很多都是本項目首次提出，并不是常規(guī)意義上的機組擺度、振動參數(shù)，因此根本無法依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。只有部分參數(shù)可參照國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1

（2）依據(jù)真機測試數(shù)據(jù)難以建立全面的故障判定標(biāo)準(zhǔn)

建立標(biāo)準(zhǔn)的另外一個技術(shù)路線是采用真機測試數(shù)據(jù)。但是對于故障診斷標(biāo)準(zhǔn)而言，這將是一個不可能實現(xiàn)的過程。

1）對于某一臺機組而言，不可能出現(xiàn)那么多實際的故障，當(dāng)然不可能獲得那么多的測試數(shù)據(jù)；

2）真機模擬故障試驗困難，很多故障對機組的可靠性和健康程度有巨大的損傷，因此通過模擬故障的方式在真機上進(jìn)行數(shù)據(jù)測試也是不可能的。

因此，在本項目中，故障指標(biāo)集的判定標(biāo)準(zhǔn)建立過程來源于多種技術(shù)途徑，詳細(xì)說明如下：

（1）直接參考采用國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):DL/T 507《水輪發(fā)電機組啟動試驗規(guī)程》、GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》等；

（2）根據(jù)真機目前測試獲得的實際特征參數(shù)值統(tǒng)計數(shù)據(jù),按照一定安全裕度確定參數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)；

（3）根據(jù)其他相近結(jié)構(gòu)機組發(fā)生故障時候測試得到的數(shù)據(jù)確定參數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)。

本系統(tǒng)在水口集團各電站機組上建立并應(yīng)用的故障特征指標(biāo)集及部分故障判定標(biāo)準(zhǔn)見表2（僅以水口及水東電站為例）。

4 應(yīng)用情況

遠(yuǎn)程綜合分析診斷系統(tǒng)的投入為水口集團快速全面掌握關(guān)鍵設(shè)備運行健康狀態(tài)提供了重要保障，大大提高了機組的安全穩(wěn)定運行，且為掌握機組運行特性，指導(dǎo)機組運行以及設(shè)備檢修積累了大量寶貴數(shù)據(jù)，同時利用系統(tǒng)提供的綜合分析診斷工具，目前系統(tǒng)中的核心技術(shù)，如一體化狀態(tài)監(jiān)測、機器自主故障診斷、機組試驗自動化分析評價技術(shù)，已在全國其他多家水電站進(jìn)行了有效推廣，在設(shè)備故障定位和缺陷分析中發(fā)揮了顯著作用，特別是對于水輪發(fā)電機組主要故障中沖擊信號故障的診斷識別方法得到首次應(yīng)用，基于Hilbert變換的數(shù)字包絡(luò)檢測技術(shù)對水輪發(fā)電機沖擊信號故障進(jìn)行診斷識別功能已在水口集團各機組上得到了實際的驗證。

表2

圖4和圖5為水口6號機組實際測得的水導(dǎo)擺度沖擊信號波形，從圖4可以看出，機組在擺度160μm時，水導(dǎo)擺度波形中并不存在沖擊信號波形，隨著擺度的增加，由于機組水導(dǎo)軸承處軸瓦間隙是固定的，不會增加，當(dāng)擺度增大到一定程度后，軸瓦間就會出現(xiàn)輕微的摩擦，此時就會產(chǎn)生沖擊信號波形，當(dāng)機組運行過程中水導(dǎo)擺度達(dá)到800μm時，水導(dǎo)擺度波形中出現(xiàn)了明顯的沖擊信號波形。此現(xiàn)象在現(xiàn)場也得到了驗證，6號機組在檢修時，對水導(dǎo)瓦進(jìn)行了全面檢查，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)瓦表面有輕微的磨損跡象，說明采用基于Hilbert變換的數(shù)字包絡(luò)檢測技術(shù)對水輪發(fā)電機沖擊信號故障進(jìn)行診斷識別的理論模型和計算原理是可行的。

圖4 水導(dǎo)擺度160μm時沖擊信號波形

圖5 水導(dǎo)擺度800μm時沖擊信號波形

5 結(jié)論

水口集團建立的綜合分析診斷系統(tǒng)，為快速全面掌握關(guān)鍵設(shè)備運行健康狀態(tài)提供了重要保障，大大提高了機組的安全穩(wěn)定運行，也為實現(xiàn)狀態(tài)檢修奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。但是，雖然系統(tǒng)實現(xiàn)了機組的若干種常見故障的自動化診斷，對于轉(zhuǎn)輪水下部分（比如汽蝕空化等）等部位的故障研究較少，因此應(yīng)進(jìn)一步研究機組其他故障的診斷模型、故障特征參數(shù)的辨識方法和判定標(biāo)準(zhǔn)。

另外，目前建立的故障模型是根據(jù)已知的故障機理和實際發(fā)生的故障不斷總結(jié)而來，應(yīng)該說其實用性在工程實際中已經(jīng)得到了一定的驗證。但理論模型總是實際系統(tǒng)的理想簡化，與工程實際還是有一定的差別，還需要根據(jù)實際的測試數(shù)據(jù)不斷的完善。因此，根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)和機組的劣化過程進(jìn)一步精確化故障診斷模型、完善評價標(biāo)準(zhǔn)是本項目進(jìn)一步的研究工作。

[1]李宏國.水洛河流域集控中心建設(shè)與運行管理模式探討[J].四川水力發(fā)電,2013（S1）.

[2]鄧鵬程,毛琦.淺談清水江流域集控中心自動化系統(tǒng)方案設(shè)計[J].水電站機電技術(shù),2008（03）.

[3]申建.水輪發(fā)電機組的振動擺度測量及在線診斷探討[J].四川水力發(fā)電,2002（2）.

[4]潘羅平.基于健康評估和劣化趨勢預(yù)測的水電機組故障診斷系統(tǒng)研究[D].北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2013.

[5]孔飛.水電機組故障診斷中的信號處理技術(shù)及應(yīng)用研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[6]范春學(xué).水輪發(fā)電機組故障機理研究及專家系統(tǒng)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2003.

[7]劉金鳳.水輪發(fā)電機組振動在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2008.

[8]毛玉靜.水輪發(fā)電機組振動擺度的在線監(jiān)測[J].水電廠自動化，2001（3）.

[9]朱敏.水輪發(fā)電機故障機理及診斷方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.

[10]錢冰，鄒磊，馬越.設(shè)備故障早期預(yù)警系統(tǒng)在水電機組檢修中的應(yīng)用[J].人民長江，2014(17)：48-53.

[11]路瑤.基于二元樹復(fù)小波變換的水輪發(fā)電機組故障診斷研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2012.

[12]郭宙，楊劍鋒.基于EMD的AR模型在滾動軸承故障模式識別中的應(yīng)用[J].科技信息，2009（35）839-841.

TV736

A

1672-5387（2017）04-0013-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.004

2017-02-17

莊明（1969-），男，高級工程師，從事水電廠生產(chǎn)設(shè)備檢修及維護(hù)管理工作。