水輪發(fā)電機組低成本監(jiān)測及優(yōu)化研究

陸桂明 龔鈺婷

摘要：以低成本為目標構(gòu)建了水輪發(fā)電機組的在線監(jiān)測系統(tǒng)，在機組振動數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫建立等系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)上進行設(shè)計，將水輪發(fā)電機組運行信息可視化，并通過專家系統(tǒng)的診斷與預(yù)警功能實施監(jiān)測。將水輪發(fā)電機組運行產(chǎn)生的振動通過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集后統(tǒng)一存儲到狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中，通過頻域分析和診斷，可自動生成運行狀態(tài)報表，由主控界面顯示，可顯示機組振動的頻點和幅值、各相關(guān)頻點幅值的變化曲線等信息。運行人員可以根據(jù)上述信息調(diào)整機組的運行工況，對于軸流轉(zhuǎn)槳機組還可以微調(diào)協(xié)聯(lián)關(guān)系，以接近最優(yōu)工況運行，從而提升機組運行效率。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機組；狀態(tài)監(jiān)測；振動；數(shù)據(jù)采集；專家系統(tǒng)；在線監(jiān)測

中圖分類號：TV742

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.034

水輪發(fā)電機組自身部件龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運行時不可避免地存在程度不同的振動和擺度，其來源既有機電方面的因素，也有水力、過水建筑等方面的因素。振動是造成發(fā)電機組運行不穩(wěn)定的重要因素，可以通過分析振動信息發(fā)現(xiàn)問題，并輔助提高機組的運行效率。

以往的監(jiān)控平臺在數(shù)據(jù)采集及分析技術(shù)上已經(jīng)相當成熟，一般都是通過振動信息的頻譜分析來確定振動來源，但在解決問題的策略上，由于每座水電站的具體情況不同，因此解決手段也不盡相同。當前關(guān)于解決機組優(yōu)化運行的研究并不太多，且目前此類產(chǎn)品進口及國產(chǎn)價格都比較高，因此筆者在大量試驗研究的基礎(chǔ)上，提出了一種低成本的機組在線監(jiān)測系統(tǒng)，可有效提高機組運行效率。

1 系統(tǒng)硬件

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

使用電渦流傳感器對機組轉(zhuǎn)軸振動進行測量，低頻磁電式振動傳感器用于殼體、支架、大軸的水平及其軸向振動的測量，轉(zhuǎn)換振動擺度信號為電流信號：電流信號經(jīng)信號調(diào)理電路進行模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換：核心控制單元獲取數(shù)據(jù)并通過設(shè)計好的數(shù)字濾波器濾波：硬件平臺通過USB和串口分別與上位機PC進行數(shù)據(jù)和控制命令交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

1.2 系統(tǒng)硬件平臺

監(jiān)測系統(tǒng)由振動監(jiān)測模塊、擺度監(jiān)測模塊、振動傳感器、電渦流傳感器及框架機箱、電源、顯示板、通信端口等組成，具體硬件設(shè)施組成情況見表1。

（1）HN808電渦流傳感器。是組合前置放大器與電渦流探頭結(jié)構(gòu)的一種非接觸式的線性傳感器，用于測量探頭與被測物體的距離，鐵氧體吸收探頭交變電流產(chǎn)生磁場，隨著時間變化，所產(chǎn)生的磁場按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，使得傳感器發(fā)生電路感應(yīng)并作出相應(yīng)處理，從而獲得位移量。探頭工作溫度范圍為-30～120℃，電纜工作溫度范圍為-30～120℃，前置放大器工作溫度范圍為-30～80℃：頻率響應(yīng)范圍為0～10kHz：電源為-24V（DC）或+24V（DC），可根據(jù)用戶需要設(shè)計工作電壓；輸出電流為4～20mA，負載<500Ω；傳感器電阻為2～10Ω（一般為5.4Ω）：最大輸出電壓約為-22V（-24V電源供電時）；耗電量<20mA；探頭電纜長lm；系統(tǒng)電纜長度為探頭電纜長度+延長電纜=5+0.5m或9+0.9m。

（2）HN100A低頻振動傳感器。是根據(jù)磁電感應(yīng)的基本原理將振動信號變?yōu)殡娦盘柕膽T性式傳感器。把傳感器裝置在機器之上，在感應(yīng)頻率范圍內(nèi)，磁鐵與線圈作相對運動，磁力線的切割使線圈內(nèi)能夠不斷生成感應(yīng)電壓，其信號與被測量物體的振動速度值成正比，然后通過積分放大處理此信號，從而獲得位移信號。其主要技術(shù)參數(shù)如下：頻率響應(yīng)范圍為0.5～300.0Hz（-3dB），靈敏度為8+0.4V/mm（或根據(jù)用戶要求調(diào)整），量程為±1mm，線性度<5%，供電電壓-24V、+24V或±15V可選，最大輸出電壓為8V，使用溫度范圍為-30～80℃，外形尺寸43mm（直徑）×122mm（長度）。接線方式如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)硬件平臺功能介紹

筆者研究應(yīng)用的在線監(jiān)測傳感器主要為電渦流傳感器和低頻磁電式振動傳感器，研究設(shè)計了HN-3機組雙通道擺度監(jiān)測裝置配接HN808型電渦流傳感器與HN-2機組雙通道振動監(jiān)測裝置配接HN100A型低頻磁電式振動傳感器的硬件裝置，應(yīng)用于實時監(jiān)測運行狀態(tài)。

HN-3雙通道擺度監(jiān)測裝置用于測量振動幅值，連接HN808型電渦流傳感器后測量與監(jiān)控水輪機的大軸或轉(zhuǎn)子的徑向相對振動或擺度。HN-2雙通道振動裝置連接HN100A低頻磁電式振動傳感器，長期監(jiān)測絕對振動垂直、水平方向的烈度和幅度，并可報警，其標準的電流輸出與DCS、PLC系統(tǒng)連接。兩者的主要功能都是監(jiān)視水輪機等旋轉(zhuǎn)類機械的振動、擺度狀態(tài)并保護其安全運行。

采集到的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)處理模塊分析處理，獲得能夠反映機組運行工況的特征參數(shù)，再形成各種曲線、圖表等顯示于人機界面，定期生成狀況檢查日志并描繪發(fā)展趨勢，將數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中作為歷史數(shù)據(jù)，為今后水輪發(fā)電機組運行狀態(tài)的預(yù)警、問題分析與診斷提供有效而可靠的依據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)庫的建立

應(yīng)用MVC模式（模型一視圖一控制）的三層體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建水輪發(fā)電機運行和監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫，這種MVC三層結(jié)構(gòu)體系不僅有利于系統(tǒng)的工作流程和規(guī)則的控制與調(diào)整，而且其可視化界面有利于操作管理，便于瀏覽器訪問，維護成本較低。該數(shù)據(jù)庫又分為以下子數(shù)據(jù)庫。

（1）時域信號數(shù)據(jù)庫。時域是真實存在的域，水輪發(fā)電機組運行中發(fā)生振動，按照時間先后順序產(chǎn)生相關(guān)參數(shù)，保存在時域數(shù)據(jù)庫中。保存的時域信號為機組運行狀況提供了可拓性的診斷數(shù)據(jù)。

（2）專家系統(tǒng)知識庫。專家系統(tǒng)知識庫囊括了工程背景及元級控制、設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備功能與行為、過程算法、故障機理等方面的知識。水輪發(fā)電機組發(fā)生故障時，可根據(jù)故障特點結(jié)合專家知識庫進行診斷。

2.2 小波變換與快速傅里葉變換結(jié)合的數(shù)據(jù)處理方法

采用小波變換與快速傅里葉變換相結(jié)合的方法研發(fā)處理軟件，進行數(shù)據(jù)分析與處理。用小波變換檢測出干擾信號的特征及其發(fā)生區(qū)域，對閃變信號進行快速傅里葉變換，以獲取閃變干擾信號的頻率和幅值，從而節(jié)省運算時間。快速傅里葉變換方法將信號由時域轉(zhuǎn)換為頻域，用來監(jiān)測水輪發(fā)電機組振動過程中信號的各個頻率點和幅值，便于使用頻域圖來監(jiān)測問題處的頻率。通過快速傅里葉變換得到調(diào)幅波的頻率和幅值，從而使處理器節(jié)約了快速傅里葉變換的計算時間，在閃變信號未出現(xiàn)時僅進行小波變換，而當閃變信號出現(xiàn)時才啟動快速傅里葉變換。系統(tǒng)以128個周期作為一個采樣窗口，在計算時只采樣每個周期的峰值和谷值這兩點，采樣頻率為100Hz。

2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)進行非線性建模，從而建立機組振動模擬模型，可以模擬機組運行過程中各工況點相關(guān)部位的振動值，以指導(dǎo)機組運行。此外，還利用自組織人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自動對機組振動進行分類識別，實現(xiàn)對機組運行的智能化指導(dǎo)，解決有關(guān)諧波監(jiān)測的實時性和精度問題。算法設(shè)計如下。

假設(shè)一個諧波信號為式中：Am、am分別為m次諧波的幅值與相位；f0為基頻；t為時間；Ai、ai為頻率諧波fi的幅值與相位。

（1）首先采用鎖定相位環(huán)路技術(shù)進行頻率跟蹤，以f0為基頻，各個周波均采樣128點，頻率廠=128f0，一般波動幅度為（50+0.2）Hz。《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備基本要求》中指出分數(shù)次諧波即諧波的分辨率需要達到1/8工頻，所以在共計1024個點的周波中采樣8個進行快速傅里葉變換，獲取1024個點的復(fù)數(shù)序列Xi（N）（i=1，2，…，1024）。基于這樣的假設(shè)，鎖定相位環(huán)路技術(shù)能減輕由非同步造成的諧波監(jiān)測誤差，而且因諧波幅值較小，頻譜泄漏對諧波測量帶來的誤差可以忽略，因此使用快速傅里葉變換的復(fù)數(shù)分析結(jié)果不僅能夠減少計算量，還能準確得到諧波分量的幅值與相角。

快速傅里葉變換的頻譜分辨率f1=f0/8，因此基波分別是頻譜的第8、16、…、8k（k=1，2，3，…）個分量，2次到k次諧波幅值A(chǔ)m=|Xm，相角為am=arctanXm（m=8，16，…，8k）。

在時域中減去諧波分量得到諧波分量的和：其采樣序列記為x（n）（n=1，2，…，1024）。

（2）用加Hanning窗插值的諧波分析方法監(jiān)測余下的諧波分量。Hanning窗適用于非周期性的連續(xù)信號，使用Hanning窗對采樣信號進行截斷，窗函數(shù)表達式為

這里N=1024。加Hanning窗后進行快速傅里葉變換分析：

頻譜分辨率f1仍為f0/8。諧波分量的頻率為f，若其并非頻譜分辨率f1的整數(shù)倍，則有i2.4 可視化系統(tǒng)開發(fā)

（1）建立虛擬場景的水電站運行信息可視化系統(tǒng)。第一步，結(jié)合水輪發(fā)電機組設(shè)備零部件特點與三維建模軟件特性，選取Pro/E、3dsMax軟件建立三維模型：第二步，將三維模型轉(zhuǎn)化為X3D虛擬場景，并利用LOD技術(shù)、代碼重用技術(shù)優(yōu)化。

（2）實現(xiàn)水輪發(fā)電機組運行信息可視化系統(tǒng)的虛擬場景交互。應(yīng)用程序通過SAI（Scene Authoring In-terface）訪問和控制X3D對象，分別實現(xiàn)虛擬場景的內(nèi)部交互和外部交互。在專門用于和腳本交互的Script節(jié)點中利用Java或JavaScript語言編寫腳本來擴展X3D功能，在Script節(jié)點中設(shè)置輸入域及輸出域，通過路由鏈接Script節(jié)點與另外節(jié)點并與腳本程序?qū)崿F(xiàn)虛擬場景交互。外部交互則是建立鏈接，通過獲取的瀏覽器對象訪問場景對象，然后依次由場景對象訪問節(jié)點對象，再訪問域?qū)ο髞韺崿F(xiàn)虛擬場景交互。

可視化系統(tǒng)依托水輪發(fā)電機組的虛擬場景與運行信息數(shù)據(jù)庫，通過靜動態(tài)顯示機組運行狀況，使監(jiān)測人員能夠及時獲取實時運行狀況。

3 結(jié)語

本文研究的水輪發(fā)電機組在線監(jiān)測及優(yōu)化輔助系統(tǒng)，將水輪發(fā)電機組運行產(chǎn)生的振動通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集后統(tǒng)一存儲到狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中，通過頻域分析和診斷，可自動生成運行狀態(tài)報表，由主控界面顯示，可顯示機組振動的頻點和幅值、各相關(guān)頻點幅值的變化曲線等信息。運行人員可以根據(jù)上述信息調(diào)整機組的運行工況，對于軸流轉(zhuǎn)槳機組還可以微調(diào)協(xié)聯(lián)關(guān)系，以接近最優(yōu)工況運行，從而提升機組運行效率。同時，還可以根據(jù)運行狀態(tài)安排機組檢修，達到增加機組發(fā)電量及延長機組運行壽命的目標，滿足機組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、可靠的運行原則，具有重要的技術(shù)示范和推廣價值。