抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修系統開發

蔣建東，魏臻珠，朱明嘉，程志平

(1.鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州450001;2.濟源供電公司，河南 濟源454650)

0 前言

抽水蓄能機組運行靈活，反應迅速，具有削峰填谷、調頻、調相、備用、負荷調整等多項功能，近些年來得到了迅速發展。由于設計參數復雜、運行工況多、啟停頻繁、振動部位廣泛等方面的原因，抽水蓄能機組出現故障的可能性比常規機組更大一些［1］。

目前，故障診斷與狀態維修系統已經廣泛應用到工業生產領域，并取得了顯著的經濟效益和社會效益［2－6］。但針對抽水蓄能機組的相關研究大多只是針對抽水蓄能機組某方面故障提出一些診斷方法和理論等［7－10］，還沒有一套成熟完整的抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修系統。

本文開發了抽水蓄能機組的故障診斷與狀態維修系統。介紹了信號監測點的布置及各種信號的檢測方法，建立了抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修的Petri網模型，給出了抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修系統的軟件結構，并對其中的各個模塊進行了介紹。

1 故障檢測方法

真實可靠、能夠反映抽水蓄能機組故障狀態的檢測信息是進行故障診斷和狀態維修決策的前提條件。本文綜合考慮了抽水蓄能機組的水利特性、旋轉機械特性、設備結構特性和電氣特性，選擇振動信號、溫度信號和電氣量信號進行各類故障的檢測。

1.1 檢測點的布置

根據回龍抽水蓄能機組各種傳感器的實際安裝配置情況，選擇轉子軸承、機架結構、推力軸承、過流部件、電動發電機的以下位置作為故障檢測點:

(1)轉子軸承:上、下水導x、y兩個90°方向的振動;上、下水導瓦溫。

(2)機架結構:上、下機架x、y兩個90°方向的振動;機頂蓋x、y、z三個方向的振動;上、下導擺 x、y兩個方向的振動。

(3)推力軸承:推力軸承溫度、推力軸承進油管溫度、推力軸承循環水出口溫度、推力軸承油槽溫度;上、下導軸x、y兩個90°方向的振動及其溫度。

(4)過流部件:尾水管壓力脈動;尾水管出口壓力;轉輪下環腔內壓力;蝸殼進口壓力;轉輪與導葉壓力。

(5)電動發電機:定子、轉子繞組溫度、定子鐵心溫度;定子機座x、y兩個90°方向的振動;電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率和機端中性點電壓。

1.2 振動檢測

對振動信號的檢測是機械故障診斷中應用最廣泛，也是最行之有效的方法。根據以上分析，采用振幅分析、頻譜分析和軸心軌跡圖3種振動檢測方法對振動信號的幅值、頻譜和軸心軌跡進行故障檢測。

1.3 溫度檢測

溫度可以直觀地反映出某些部件的故障情況，如部件間的摩擦、匝間短路等。因而溫度是檢測機組某些特定部件故障的重要物理參數，本文采用幅值法對溫度參數進行檢測。

1.4 電氣量檢測

電氣量檢測主要是針對電動發電機的基本電量進行的。電動發電機的電流、電壓、功率等物理參數直接反映了電動發電機當前的運行狀態，對這些物理參數進行實時檢測，可以準確及時地判斷電動發電機的當前狀態。其中，對電壓、電流采用幅值法和頻譜分析法進行檢測;對有功功率、無功功率、功率因數等采用幅值法進行檢測。

2 抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修的Petri網方法

由于抽水蓄能機組故障的復雜性及其多層次性，必須研究故障的表現形式及其產生原因。在故障產生機理分析的基礎上確定故障類型和性質，以便于系統故障診斷與狀態維修模型的建立。

Petri網作為一種圖示化描述方法，可以利用圖形語言對故障診斷與狀態維修系統的結構、功能及流程進行系統的分析和描述，是故障診斷與狀態維修系統建模與分析的一種重要工具。為了更清晰地描述Petri網系統，可以用矩陣來表示Petri網模型。

針對抽水蓄能機組故障部位和故障現象較多的特點，為了減少關聯矩陣的維數、提高診斷的準確性和保證診斷與狀態維修方案的實時性，將抽水蓄能機組按照組件層次劃分為轉子、定子、機架結構、推力軸承、過流部件5個模塊，分別建立相應的故障Petri網模型，最后整合成一個完整的故障Petri網模型，如圖1所示。

每類組件都包含許多具體的故障，根據國內外的運行經驗，抽水蓄能機組出現的典型故障如下:(1)泄水錐松動;(2)尾水管渦帶振動大;(3)導水機構傳動件松動;(4)調速器故障引起接力器抽動;(5)大軸密封潤滑不良;(6)大軸密封偏磨或過度磨損;(7)水輪機迷宮環碰磨;(8)大軸彎曲或法蘭不對中;(9)大軸法蘭螺絲松動;(10)上、下水導軸承間不對中;(11)導軸承支承部件有松動或裂紋;(12)上、下導軸承間隙調整不當;(13)推力軸承潤滑不良;(14)推力軸承彈性油箱狀態惡化;(15)轉子動平衡不良;(16)電磁拉力不平衡;(17)定子疊片松動。

本文根據這些典型的故障建立了抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修的Petri模型。

圖1 故障診斷與狀態維修Petri模型的建立

3 抽水蓄能機組故障診斷狀態維修系統設計

該軟件分為5個模塊:人機界面模塊、數據庫管理模塊、故障檢測模塊、故障診斷模塊和狀態維修模塊，其結構如圖2所示。

各模塊功能如下:

3.1 人機界面模塊

人機界面模塊作為運行人員和軟件系統進行交互的接口，主要用來進行故障報警信號、故障診斷結果、維修方案及遙測遙信量的顯示，以及進行故障征兆、故障原因、維修方案、設備狀態數據庫的查詢與維護等。

為了更好地了解機組的運行狀態和機組狀態量的變化趨勢，對信號給出了多種分析顯示方法，包括時域信號顯示、功率譜分析、軸心軌跡分析、相位分析、振動信號頻譜分析等。時域信號顯示將實時采集的振動信號、電氣量信號、溫度信號等進行顯示，以方便運行人員了解機組當前的狀態。功率譜分析、振動信號頻譜分析對功率或振動信號的頻譜進行分析。軸心軌跡分析和相位分析可以直觀地顯示主軸當前的運行狀態，以便準確定位故障原因和部位，為診斷分析提供判據。

圖2 軟件結構圖

3.2 數據庫管理模塊

數據庫管理模塊對系統的故障征兆、故障原因與維修方案數據庫，設備狀態數據庫與遙測遙信量數據庫進行維護和管理。

故障征兆、故障原因與維修方案數據庫根據不同部件的不同故障情況建立起Petri網關聯庫，并能夠隨著運行數據的積累而不斷擴充和完善。設備狀態數據庫包括設備名稱，投入日期，維修次數，最后一次維修時間，故障情況的簡單描述等。系統能夠根據這些信息形成設備參數，如溫度、振動等的變化趨勢庫，供狀態維修時參考。遙測遙信量數據庫用于接收遙測遙信量數據并存儲。

3.3 故障檢測模塊

故障檢測模塊對機組的遙測遙信量進行故障檢測，一旦發現故障征兆則向用戶報警并啟動故障診斷模塊。

3.4 故障診斷模塊的設計

故障診斷模塊是系統的核心模塊之一。該模塊采用事件觸發方式對機組的狀態及故障進行正向推理。該模塊根據故障檢測模塊的檢測結果及數據管理模塊的機組狀態信息和和專家知識，對機組存在的故障進行準確的診斷。

3.5 狀態維修模塊

該模塊根據故障診斷模塊的診斷結果和設備參數的變化趨勢，給出狀態維修方案。

圖3 軟件流程圖

4 抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修系統的開發

運用VB語言完成了界面的設計開發和程序代碼的編寫，利用ACCESS數據庫完成了對機組遙測遙信量的讀取、存儲和管理。開發了回龍抽水蓄能電站機組故障診斷和狀態維修軟件，該軟件具有良好的人機交互界面、操作方便簡捷。

4.1 軟件流程圖

根據前面的軟件結構圖，設計了軟件的流程圖，如圖3所示。

4.2 數據庫系統的設計

采用Microsoft ACCESS設計了數據庫。數據庫主要存放實時采集的遙測遙信量。根據遙測遙信量的特點和故障診斷對數據信息的要求，數據庫采用關系型結構。表的結構為:數據日期—數據時間—數據值。回龍抽水蓄能電站有兩臺機組，因而需要設計兩組數據表。每組包含兩個表:一個存放機組發電工況數據;另一個存放機組水泵工況數據。

4.3 故障診斷與狀態維修界面

根據機組狀態信息、故障診斷結果和人工選擇輸入的故障現象，系統自動完成故障診斷和狀態維修，并輸出故障原因和維修措施。

5 結論

本文開發了抽水蓄能機組故障診斷和狀態維修系統。根據抽水蓄能機組的特點確定了檢測信息，并給出了相關信息的檢測方法。建立了抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修的Petri網模型。設計開發了回龍抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修系統。該軟件系統已經投入實際使用，運行效果良好。

［1］陸佑楣，潘家錚.抽水蓄能電站［M］.北京:水利水電出版社，1992.

［2］劉巍，朱名日，魯駿.遠程故障診斷維護系統數據傳輸策略的研究與實現［J］.計算機工程與科學，2008，30(7):24－26，64.

［3］王忠勇，張振興，段琳琳，等.基于故障樹的某型艦炮故障診斷系統的設計與實現［J］.鄭州大學學報:工學版，2010，31(3):46 －49.

［4］張書濤，劉延斌，賈晨輝，等.復雜設備的網絡化遠程監控及故障診斷系統［J］.河南科技大學學報:自然科學版，2010，31(6):19 －24.

［5］蘇靜，劉躍軍，劉峰.一種實時故障監測系統的設計［J］.河南科技大學學報:自然科學版，2010，31(2):36－38.

［6］劉佳，馬崇啟.基于WebService和OPC的紡紗設備遠程故障診斷系統［J］.紡織學報，2011，32(5):130－134.

［7］張偉，吳玉林，陳乃祥，等.蓄能機組主軸密封故障監測與診斷［J］.農業機械學報，2001，32(1):2－55.

［8］吳中雄.廣州蓄能水電廠球閥振蕩問題的探討［J］.水電站機電技術，2007，30(1):23－24.

［9］楊斌，周喜軍.抽水蓄能電站機組主軸密封等熱電阻故障分析及防范措施［J］.華東電力，2010，38(7):1109－1101.

［10］陳啟卷，張軍仿，張超.基于故障樹的抽水蓄能電站球閥故障診斷研究［J］.水力發電，2010，36(5):50－52.