錦屏二級水電站機組狀態在線監測系統設計與應用探討

張宏亮

(錦屏水力發電廠，四川西昌 615012)

1 概述

水輪機是一種低轉速的旋轉機械，運行過程中常常因為水力、機械、電氣3個方面的原因引起振動，導致運行不穩定［1］。利用計算機對水電站機組的狀態進行在線監測，能夠實時了解機組的運行參數、當前工況，及時發現故障隱患，最大限度地延長檢修間隔，降低水電廠的運行成本，為保證安全生產提供科學依據。

水輪發電機組狀態在線監測系統主要是通過對機組的主軸擺度、結構振動、軸向位移、壓力脈動、空氣間隙、磁通密度、局部放電、定子線棒端部振動、相關工況參數及過程量參數進行實時采集分析，實現對水輪發電機組運行狀態的實時在線監測、分析和診斷，及時掌握機組的運行狀態，盡早發現故障早期征兆，避免嚴重事故的發生，保障機組安全穩定運行，并為優化運行、檢修指導和實現狀態檢修提供有力的技術支持［2，3］。

水電站機組狀態在線監測系統可將監測信息上傳至集控中心，實現遠程實時監測，同時對設備健康狀態進行評估和判斷，提出機組檢修安排建議，從而大大提高對生產現場的管控能力。筆者以錦屏二級水電站為研究對象，分析了機組狀態在線監測系統的總體結構，闡述了系統的功能。

錦屏二級水電站位于四川省涼山州鹽源、冕寧、木里三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣，工程樞紐主要由首部低閘、引水系統、尾部地下廠房三大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站、電站總裝機容量為4800 MW，單機容量600 MW，額定水頭288 m，多年平均發電量242.3億kW·h，保證出力1972 MW，年利用小時5048 h，是雅礱江上水頭最高、裝機規模最大的水電站，與錦屏一級水電站首尾相接。

為保證機組的安全、經濟運行，提高電站的經濟效益，錦屏二級水電站設有機組狀態在線監測系統，對機組進行實時在線監測。通過監測、故障分析、設備性能評估等工作，為電站的設備運行、檢修、優化改造提供生產的基礎數據和信息。

2 錦屏二級水電站實施機組狀態在線監測系統的必要性及目標

水輪發電機組具有運行工況復雜、工況變化頻繁等特點，因此，對水輪發電機組的運行狀態進行全面監測，實時掌握機組的健康狀況，對于保障機組的安全穩定運行具有十分重要的意義。同時，水電機組在線監測技術已日趨成熟，并逐漸成為水電站提升自動化管理水平和實施狀態檢修的重要技術手段，越來越受到大中型水電站的重視。錦屏二級水電站作為正在建設中的、具有當今世界最先進水平的水電站，對機組實施狀態監測是必然的選擇，也是保障錦屏二級水電站機組安全穩定運行的重要手段，是開展設備狀態檢修的重要技術基礎。通過對電廠機組實施遠程監控，能及時、準確地掌握電廠的實際生產情況和機組運行狀態。

錦屏二級水電站機組狀態在線監測系統的目標是對所有機組狀態和相關工況數據進行遠程實時監測，實現以各種專業狀態分析表格和圖譜方式對數據進行實時監測分析、機組狀態報警和預警、指導機組檢修和優化機組運行，實現同臺機組歷史趨勢的分析對比，不同機組的數據對比，提高公司對生產現場的管控能力。

錦屏二級水電站在上述目標的基礎上，結合最新的在線監測技術、計算機網絡技術，針對錦屏二級水電站狀態檢修需要和機組的運行特點，對機組狀態在線監測系統進行了規劃和設計。

3 機組狀態在線監測系統的總體結構

3.1 錦屏二級水電站狀態監測參數

監測點的選擇與布置是獲取機組運行狀態信號的重要環節，其選擇和布置是否合理將直接影響信號采集的真實性以及數據分析和故障診斷的可信度。一般來講，測點的選擇和布置取決于機組的設計運行性能、設備的結構特點和機組的運行規律。

根據錦屏二級水電站的機組特點，系統配置了以下監測參數:

(1)鍵相(1點);

(2)大軸擺度(6點):上導X/Y、下導X/Y、水導X/Y;

(3)機架振動(12點):上機架X/Y/Z、下機架X/Y/Z、頂蓋X/Y/Z、定子機架X/Y/Z;

(4)鐵芯振動(6點):3組，每組水平和垂直各1個;

(5)軸向位移(2點):+X/-X 向;

(6)壓力脈動(11點):1個蝸殼壓力脈動、2個轉輪與導葉間壓力脈動、4個錐管進口壓力脈動、2個肘管進口壓力脈動、2個肘管肘位壓力脈動;

(7)環境噪聲(2點):發電機運行噪聲、水輪機運行噪聲;

(8)空氣間隙(8點):周向均勻布置在發電機上部;

(9)工況參數:有功/無功功率、勵磁電流/電壓、導葉開度、流量、出口開關、勵磁開關、蝸殼進口壓力、尾水管出口壓力;

(10)過程量參數(通訊):水頭、瓦溫、油溫、油位等;

(11)其它(通訊):主變、GIS 和斷路器監測參數。

3.2 機組狀態在線監測系統總體網絡結構

錦屏二級水電站機組狀態在線監測系統由傳感器、數據采集單元、服務器及相關網絡設備、軟件等組成。系統采用分層分布式結構，按層次劃分為電站層(上位機系統)和現地層兩級。電站層設備包括狀態數據服務器、WEB/應用服務器、工程師工作站、網絡設備、打印機等，全廠6臺機組共用1套，電站層設備除工程師工作站顯示器外，其余設備組柜安裝在電站計算機室的上位機網絡柜內;現地層設備包括機組現地在線監測數據采集單元、各種傳感器、通訊接口、附件設備等，安裝在現地數據采集站內。電站層設備和現地層設備之間采用環型網絡結構，網絡介質為光纖。

錦屏二級水電站機組狀態在線監測系統總體網絡結構見圖1。

4 機組狀態在線監測系統功能

機組狀態在線監測系統應可實現監測功能、分析診斷功能、試驗功能、運行檢修維護指導和評價功能、預警報警功能、數據采集和管理功能、數據通信功能和網絡支持及系統安全功能。

4.1 監測功能

在線監測系統應能利用鍵相信號實現數據采集，精確的按照整周期采樣，避免頻譜分析中的混疊和泄漏現象，實施準確的分析。在線監測系統應能在上位機系統和現地數據采集柜同步監視和顯示機組當前的運行狀態，并以數值、曲線、圖表等各種形式和監測畫面，從不同的角度、分層次地顯示出機組的各種狀態信息，實現實時在線監測功能。

4.2 分析診斷功能

分析診斷功能指系統能夠使用一系列軟件工具，隨實時監測任務連續、自動地選取合適的數據，進行自動分析和診斷并給出分析診斷結果的功能。在線診斷過程不影響實時系統的運行，整個分析過程系統能夠自動完成而無需人工操作。在線分析診斷還應能周期性的或依賴命令起動。分析診斷的結果應能幫助發包人分析機組的運行狀況以及提前發現機組運行的異常狀態和故障。

4.3 試驗功能

機組狀態在線監測系統應能滿足與本系統相關的各種現場試驗的數據采集和數據整理工作，要求系統應支持至少但不限于以下試驗:甩負荷和帶負荷試驗、啟停機試驗、效率試驗、穩定性試驗、盤車試驗。

圖1 系統總體網絡結構圖

4.4 運行檢修維護指導和評價功能

機組狀態在線監測系統應能根據機組各部件運行狀態，利用系統提供的各種分析工具，可以輔助分析異常原因，并根據分析結果指導機組運行檢修。系統還應能對比機組檢修前后的歷史數據，可以直觀評價檢修效果，或通過檢修后的各種機組常規試驗數據，綜合評價檢修后機組各部件特性。

4.5 數據采集和管理功能

系統應具備完備的數據采集功能，以保證系統能夠全面準確地記錄機組暫態運行和穩態運行的數據，提供事故追憶功能，并保證機組發生事故時能夠提供全面完整的數據以供事故分析。系統應能自動準確判定機組運行工況，包括:開機過程、穩態運行過程、負荷波動運行過程、停機過程、事故停機過程/甩負荷過程。

4.6 網絡支持及系統安全功能

系統應能實現兩個安全區之間的非網絡方式的安全的數據交換，并且保證安全隔離裝置內外兩個處理系統不同時連通;表示層與應用層數據完全單向傳輸，即從安全區III 到安全區I/II 的TCP 應答禁止攜帶應用數據;防止穿透性TCP 聯接:禁止內網、外網的兩個應用網關之間直接建立TCP 聯接。

5 結語

水電機組的狀態監測作為狀態檢修的技術基礎，正在越來越多的水電廠得到推廣應用。錦屏二級水電站作為正在建設中的大型水電站，對機組實施狀態監測是必然的選擇。為此，在建設初期就把實行狀態監測納入了計劃，從系統網絡結構、監測參數選取、系統功能定位等方面進行了規劃設計。由于狀態監測系統與電站建設同步進行，有利于狀態監測系統規劃的全面、完整、統一和具有針對性，便于現場施工安裝調試，有利于在機組投產試運階段參與完成各項試驗和機組性能評估，早投入早受益，并為日后的狀態監測系統更好地發揮作用創造了條件。錦屏二級水電站實施狀態監測系統的思路，可為其它在建大中型電站規劃、設計、選型和實施狀態監測系統時提供借鑒。

［1］張正松，傅尚新，馮冠平，等.旋轉機械振動測量及故障診斷［M］.北京:機械工業出版社.1991.

［2］黃德云，漆平，何佳，等.水電廠機組狀態在線監測系統集中監控的研究［J］.云南水力發電，2011，27(6):41-43.

［3］梁玉福.樂灘水電站機組狀態在線監測系統［J］.紅水河，2008，27(3):104-106.