東風發電廠機組狀態監測系統建設

江　雨，陳則陽

（1.貴州烏江水電開發有限責任公司東風發電廠，貴州 清鎮 551408；2.北京華科同安監控技術有限公司，北京 100048）

東風發電廠機組狀態監測系統建設

江雨1，陳則陽2

（1.貴州烏江水電開發有限責任公司東風發電廠，貴州 清鎮 551408；2.北京華科同安監控技術有限公司，北京 100048）

摘要：水輪發電機組狀態監測系統對于把握機組特性、優化機組運行、預防事故和分析事故原因等方面都有著重要作用。東風發電廠高度重視機組狀態監測系統的建設，在電站全部4臺機組中安裝了狀態監測系統，并不斷對系統進行完善和提高，使系統更具針對性；同時采用多種措施提高系統的檢修和維護水平，為系統安全、穩定運行切實發揮其應有作用。本文介紹了東風發電廠機組狀態監測系統的建設、應用情況以及相關的檢修維護措施。

關鍵詞：狀態監測系統；設計原則；系統構成；參數選擇；系統建設

1概述

貴州東風發電廠是烏江流域梯級開發的第二級電站，共裝有3臺190MW及1臺125MW混流式水輪發電機組。在貴州電網中主要擔任調頻和調峰任務。

東風發電廠是國內早期開展水輪發電機組狀態監測的電廠之一，從2002年開始，陸續在各臺機組上安裝了北京華科同安監控技術有限公司的TN8000水輪發電機組狀態監測及故障診斷系統，監測內容涵蓋大軸擺度、機架振動、過流部件壓力脈動、抬機量、定轉子空氣間隙、磁場強度、發電機局部放電等。系統投運后，運行總體穩定。但限于當時的技術水平，應用效果有限。隨著電子計算機技術及軟件技術的發展，狀態監測技術日趨成熟。東風發電廠認真研究了國內外機組狀態監測系統的現狀，吸取其他電廠的成功經驗和失敗教訓，重新規劃機組狀態監測系統，在2012年對系統進行升級改造，并建立相應的管理體制，確保系統安全穩定運行，使之切實發揮應有作用。

2系統設計原則

東風發電廠機組狀態監測系統的設計遵循以下原則：

（1）可靠性：所配置的各種設備均采用國內外著名品牌，且具有大量現場應用業績，經過長期穩定運行考驗的產品；在軟件的設計上采取多種容錯策略，確保軟件長期穩定運行。

（2）實用性：系統的各項功能針對現場的實際需要開發，不需復雜的操作便可形成各種特性曲線和狀態報告，便于了解機組性能，及時發現缺陷和故障。

（3）先進性：系統的硬件采用最新的數字電子技術開發；軟件采用模塊化、分布式設計；在故障診斷知識庫的模型建設、特征提取等方面采用目前先進的故障診斷理論，強化設備故障自動分析診斷功能；數據存儲采用先進的實時歷史數據庫技術；全套系統的構架采用最新的通訊和網絡技術。

（4）開放性：系統具備良好的開放性，可與包括監控系統、勵磁系統、流量監測系統、MIS網等實現數據通訊和共享，既可向這些系統傳送狀態監測數據，也可以將這些系統的數據接入到狀態監測系統中。

（5）針對性：系統針對水電機組的特點進行設計和開發，除了在硬件的配置上適應水電機組的特點外，在軟件的設計上也針對現場實際需要，配置了包括動平衡計算、狀態報告自動生成、輔助試驗等實用功能。

（6）系統集成：系統將振動擺度監測系統、氣隙監測系統、局部放電監測系統及機組工況等進行有效集成，對數據進行統一管理和存儲，并在同一個平臺上進行顯示和分析，實現了系統間資源和信息的共享。

3系統構成

東風發電廠機組狀態監測系統由傳感器、數據采集單元、服務器及相關網絡設備、軟件等組成，如圖1所示。系統采用分層分布式結構，按層次劃分為廠站層（上位機系統）和現地層兩級。廠站層設備包括狀態數據服務器、WEB通訊服務器、工程師工作站、網絡設備等，全廠4臺機組共用1套。現地層設備包括機組現地狀態監測數據采集單元、各種傳感器、通訊接口、附件設備等。

每臺機組在現地設1個數據采集站，數據采集站設備集中組屏在1面標準機柜內，布置在發電機層機旁。數據采集站負責對機組的振動、擺度、壓力脈動、抬機量、空氣間隙、磁通密度、局部放電、機組工況參數等信號進行數據采集、處理、分析，以圖形、圖表、曲線等直觀的方式在顯示器上顯示，同時，對相關數據進行特征參數提取，得到機組狀態數據，完成機組故障的預警和報警，并將數據通過網絡傳至狀態數據服務器，供進一步的狀態監測分析和診斷。

狀態數據服務器用于存儲、分析、管理從各數據采集箱和其他監測系統傳送過來的機組實時狀態數據、歷史狀態數據及各種特征數據，進行數據分析及故障診斷。狀態數據服務器還具有與電站計算機監控系統、其他廠家的監測系統進行通訊的軟件及硬件接口，實現與電站計算機監控系統和其他系統的數據交換。狀態數據服務器還具有與GPS時鐘同步裝置進行時鐘同步的軟件和硬件接口。

WEB服務器負責發布機組狀態監測系統的各種數據及分析診斷結果，承擔與電站生產信息管理系統的數據通信。WEB服務器可通過廣域以太網將數據進行發布，實現遠程診斷。由于機組狀態在線監測系統與電站生產信息管理系統及因特網屬于兩個不同的安全區，根據電力二次系統安全防護總體規定，在機組狀態在線監測系統與電站生產信息管理系統及因特網之間安裝了網絡安全隔離設備，用于實現機組狀態在線監測系統與電站生產信息管理系統及因特網之間的物理隔離。此外，為確保WEB服務器的安全，在WEB服務器和電廠生產信息管理系統之間還安裝了硬件防火墻。

電站層設備和現地層設備之間采用星型以太網絡雙網結構，網絡介質為光纖，并滿足工業通用的國際標準IEEE802.3和TCP/IP規約。

4測點布置與傳感器選擇

狀態監測系統測點的選擇和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診斷結果的可信度。測點的選擇和布置取決于機組的結構和運行規律，在進行測點的選擇和優化時，要滿足機組狀態監測分析的要求，選擇最有代表性、最能準確捕捉設備運行狀態的監測點。測點的選擇和布置必須能夠監測機組的水力特性、機械特性、電氣特性及設備結構特點。

圖1系統網絡圖

4.1機組穩定性參數選擇

機組穩定性監測參數包括振動、擺度、壓力脈動及瓦溫等。

振動和擺度是表征機組穩定性的直接信號。強烈的振動將影響水輪機組的正常運行，并降低機組的使用壽命；當振動引起廠房、壓力管道的共振和機組出力波動時，機組則無法正常運行。因而，振動和擺度是評價機組運行狀態的重要指標。對機組振動、擺度進行在線監測，有利于了解機組的特性，指導機組避開不穩定工況區運行。因此，對機組的振動和擺度進行監測是必不可少的。根據機組的特點，東風電廠狀態監測系統配置了以下測點：

（1）擺度監測：在機組的上導、下導、推力、法蘭和水導按+X和-Y方向分別布置2個傳感器來測量大軸擺度，通過每處2個正交的傳感器可以得到大軸的軸心軌跡，將上導、下導及水導三部導軸承處的軸心軌跡相連，可得到大軸空間運行姿態，用于分析導軸承存在的問題。擺度監測使用非接觸式的電渦流傳感器。但是，由于上導部位的勵磁引線會對電渦流傳感器造成干擾，所以，上導擺度的測量使用抗電磁干擾能力強的電容式傳感器。

（2）振動監測：對于水輪發電機組來說，低頻振動是其固有特性，也是機組狀態監測系統測量的一個難點，需要高度重視。本系統采用低頻速度傳感器來測量機組的振動，其頻率下限可達0.3Hz，可有效測量機組的低頻振動。在測點布置上，系統在上機架、下機架、定子機架及頂蓋處+X、+Y處各布置1個水平振動測點，在+X處布置1個垂直振動測點。

（3）定子鐵芯振動監測：定子鐵芯振動以電磁振動為主，主要關心振動中的100Hz成分。由于定子鐵芯振動是高頻振動，如果振動過大，會對發電機造成嚴重破壞。所以，對定子鐵芯振動的監測具有重要意義。定子鐵芯振動采用加速度傳感器來測量，與其他類型傳感器相比，此類傳感器抗電磁干擾能力強，且適合測量高頻振動。本系統在定子鐵芯中部+X、+Y處布置2個水平測點，在定子鐵芯上部齒壓板上布置1個垂直測點。

（4）壓力脈動監測：壓力脈動周期性地作用在流道壁和轉輪上，引起機組的振動。壓力脈動是機組不穩定的重要因素，壓力脈動過大會對機組及廠房構成嚴重破壞。因此，測量壓力脈動具有重要意義。壓力脈動的測量需要變送器具有很高的精度及反應速度。本系統選用具有高動態特性的壓阻式壓力脈動變送器，其動態響應特性小于0.5ms，能夠準確測量機組的壓力脈動。系統設置了蝸殼進口、導葉出口及尾水管出口3個壓力脈動測點。

4.2氣隙監測參數

當定、轉子之間出現偏心，或者定、轉子形貌不圓時，會造成定、轉子之間空氣間隙不均勻，導致磁拉力不均衡，從而引起機組振動。通過監測分析定、轉子之間的氣隙變化，可以監測分析定、轉子結構的動態特性，從而準確判斷異常狀況，排除隱患，避免造成損失。系統在定子內壁的上部和下部分別布置了4個氣隙傳感器，對定、轉子上部和下部氣隙進行監測。可以監測的內容包括：定、轉子圓度、最小氣隙及定子蠕變和轉子磁極伸長等。

4.3工況參數監測

水輪發電機組為多工況運行，在不同工況下，其狀態差別較大。要想準確把握機組狀態，就必須區分機組的運行工況。2012年以前，大多功況參數均采用通訊方式從監控系統獲得，數據的實時性較差，導葉開度采用分支器與監控用導葉開度共用，導致信號不真實，為確保工況參數的真實、準確，2012年對該系統進行了完善，系統通過硬接點方式直接從監控系統現地采集裝置采集機組有功功率、無功功率、勵磁電流、勵磁電壓、導葉開度、水頭信號，從發電機出口開關現地控制柜采集發電機出口斷路器信號，從超聲波測流裝置上采集4～20mA流量信號。同時，為全面分析機組狀態，系統還通過串口通訊方式從監控系統中獲取瓦溫等信號，這些可靠信號的獲得為系統的輔助分析起到了較大的作用。

5系統功能

5.1實時監測

通過主視圖、棒圖、表格、波形圖、頻譜圖、圓度圖等圖表，實時顯示系統的監測參數，便于相關人員及時了解機組各部的運行狀態。當監測的參數達到報警條件時，系統發出報警信號。除了本系統有鮮明的提示外，還可以將報警信號通過硬節點傳送到監控系統。此外，當系統監測到某個參量在不斷變壞時，還會發出預警信號，提示有關人員注意。

5.2數據分析

通過相關趨勢圖、瀑布圖、級聯圖、軸系圖、軸心軌跡圖等圖表，對歷史數據進行分析和挖掘。可分析機組各個部件狀態的發展趨勢，以及機組在不同工況下的狀態。為檢修提供依據。

5.3優化運行

系統能綜合機組設計參數和運行規范，通過對機組實際振動、擺度特性的掌握，分析機組不同工況下振動區變化規律，指導機組避振運行；通過對水力能量參數（效率、耗水率等）在不同工況下的特性曲線的掌握，指導機組在最優工況區運行，實現機組的最佳經濟性能。

系統通過一定時間的數據積累后，能自動統計各個工況下的參數，并根據這些參數生成實際運行的運轉特性曲線圖，明確不穩定運行工況區和特殊振動區，從而指導機組盡可能避開危險工況區，實現優化運行。

5.4性能試驗

系統充分考慮水輪發電機組性能試驗的需要，并做針對性的設計。系統可根據自動采集的轉速、負荷、勵磁電流、發電機出口開關、勵磁開關等工況參數，自動判斷機組的運行工況，從而可自動采集和存儲試驗期間的所有數據。每次試驗完畢后，系統能夠自動分析和處理相關試驗數據，提取量化分析數據和曲線，利用系統提供的自動狀態分析報告軟件，可以方便地生成各種性能試驗報告。

5.5運行檢修維護指導和評價

系統可根據機組各部件運行狀態，利用系統提供的各種專業分析工具，輔助分析異常原因，并根據分析結果指導機組運行檢修。系統還能對比機組檢修前后的歷史數據，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。

5.6自動狀態分析報告

系統提供一套自動狀態分析報告生成軟件，可以自動生成各種狀態分析報告，便于用戶了解和掌握機組的運行狀態，指導機組檢修和優化運行。自動狀態分析報告生成軟件結合了相關自動診斷技術和分析工具，自動選取相關的數據進行計算和判斷，以易于理解的文字及圖表等方式，將機組狀態分析結果展示在報告中。系統可自動生成的報告包括：實時狀態分析報告、定期分析報告、性能試驗報告、檢修評價報告等。

5.7故障診斷

系統提供一套針對水輪發電機組運行狀態進行分析診斷的專家系統，能對水輪機、發電機等多設備進行故障診斷。故障診斷系統包括報警預警平臺、在線自動診斷程序、自動診斷知識庫、分析診斷工具和診斷規則等。報警預警平臺能在線自動捕獲狀態的變化，并觸發在線自動診斷程序；自動診斷程序通過提取故障診斷專家庫的診斷規則，結合當前數據及歷史數據對機組狀態進行分析診斷，得出結論并形成報告。系統的診斷知識庫具有開放性，可根據機組的實際運行狀態及特點不斷進行修正，從而提高故障診斷的準確度。

5.8系統通訊

系統提供對外接口，可與電廠計算機監控系統、生產系統或其他系統實現數據通訊和共享。系統通過單向網絡隔離裝置與電站生產信息管理系統連接，可將測量得到的機組擺度、振動、壓力脈動、氣隙等參數發布到電站生產信息管理系統中，使得有關人員在辦公室就可以瀏覽和分析數據。系統通過RS232/485接口與計算機監控系統進行串行通訊，從監控系統獲取諸如瓦溫、油溫、定子溫度等參數，以便對數據進行綜合分析。

6數據采集及管理

6.1數據采集

系統具備完備的數據采樣功能以保證系統能夠全面準確地記錄機組的狀態數據，所有數據采集均能自動完成，不需用戶干涉。系統自動根據相關工況參數判斷機組為過渡過程（啟停機、過速、甩負荷等）、暫態過程（并網/解列、勵磁調節、負荷波動等）、穩態過程和故障狀態，并根據機組狀態采用相應的數據采集策略。

對于穩態過程，為準確獲取相關參數的相位和頻譜特征，系統采用整周期采樣方式，連續采樣8周期，每周期采樣256點。采用整周期采樣技術，可提供精確的頻率分布和對應的幅值，為準確分析和故障診斷提供技術保證。

對于其他狀態，系統采用連續錄波方式，分辨率為1ms。連續錄波過程由系統根據工況參數變化自動觸發，不需人工干預，采樣時間也由系統根據工況變化自動判斷。

當有參數報警時，系統還會自動存儲報警前、后5min的數據，便于對報警進行分析和診斷。

6.2數據管理和存儲

機組狀態監測系統需要采集和處理大量數據，數據存儲和管理策略是其核心技術。傳統的機組狀態監測系統使用關系數據庫來處理和存儲數據。關系型數據庫的設計重點在于解決并發查詢性能，數據不進行任何壓縮，因此，用于存儲機組狀態在線監測系統的大容量數據時，占用大量存儲空間，存取效率低下，數據庫可靠性低。傳統的機組在線監測系統為解決這個問題，采取稀疏記錄的辦法，即數據不是全部存儲，而是選擇其中的少部分進行存儲。這直接導致丟失很多有用的狀態數據。

東風發電廠機組狀態監測系統采用先進的實時數據庫來管理和存儲機組狀態數據。實時數據庫可支持多達10萬個測點，適合工業擁有大量測點的現場；同時，數據庫采用高效的數據壓縮技術，壓縮比可達100：5，能夠存儲大量數據而占用小的存儲空間，可以長期、不經過稀釋地存儲機組狀態原始數據、特征數據等。此外，實時數據庫還具有關系型數據庫無法比擬的讀取速度，大大提高了數據的讀取效率，為后續的數據應用和挖掘提供堅實基礎。

7預警及報警策略

報警是機組狀態監測系統的常規功能，即當監測量超過設定限值后發出報警信號。由于水輪發電機組的運行工況比較復雜，不同工況下機組狀態變化很大，用一個限值來判斷是否報警顯然欠妥，容易產生誤報警和漏報警。東風發電廠機組狀態監測系統根據機組的實際運行工況，按水頭、負荷等工況將機組運行狀態分成不同工況，各工況單獨設定報警值，這樣能大大提高報警的準確性，防止誤報發生。

預警是指狀態監測系統根據監測到的有關參數的變化，在報警之前提前發現機組缺陷或故障，給出預警信號。系統采用趨勢預警和樣本預警技術來進行預警。趨勢預警指當某一參數在同一工況下變化趨勢大于設定值后發出預警提示；樣本預警技術采用海量數據比較技術，將當前數據與該工況下樣本數據進行比較，通過分析當前數據和樣本數據的幅值及頻率差別來發現異常并發出預警信號。

基于工況的報警和預警技術可充分滿足水輪發電機組運行工況變化頻繁的特點，可以有效實現機組異常現象的早期預警提示和故障報警。

2012年以前，該系統只有8路報警輸出，不能清楚準確的監視相關監測點的預警狀態，2012年，東風電廠對該系統進行完善，系統可提供40路報警繼電器空接點信號輸出，可以將報警及預警信號發送給其他系統（如監控系統等），每個繼電器輸出均可通過軟件進行邏輯組態，以確保系統的報警輸出符合現場機組的運行特點。當機組出現報警/預警時，系統以醒目的顏色變化提示相關人員注意，同時，系統根據相關報警信息提示相應的處理意見和可能的故障。系統所有報警事件均會自動存儲，用戶可以通過事件列表調取事件記錄。報警和預警平臺流程圖如圖2。

圖2報警和預警平臺流程圖

8系統維護

機組狀態監測系統的穩定、可靠運行并切實發揮其應有的作用，除了要有可靠的設備外，還必須對系統進行必要的維護和檢修。東風發電廠高度重視機組狀態監測系統的檢修維護工作，建立相應的管理體制，不斷提高檢修維護水平，確保系統長期穩定運行。

（1）指定專門人員來管理和維護系統。這樣可以提高相關人員的責任心，使得他們可以更加深入了解和熟悉系統，不斷提高自身對狀態監測系統的認識和維護水平，從而更好的維護系統。

（2）定期進行巡檢。除了運行人員定期對設備進行巡檢外，相關維護人員也定期對系統進行檢查。通過系統自診斷功能檢查系統各個環節的狀態，尤其是各個傳感器、數據采集箱、狀態數據服務器、網絡通訊狀態以及工作電源等，及時發現和排除故障，確保系統穩定運行。

（3）納入技術監督管理，按照相關規范，擬定檢定計劃，與有資質的檢定單位簽訂合同，定期對測量通道精度、傳感器靈敏度及線性度等重要技術指標進行校驗，對不滿足要求的傳感器進行修理或更換，確保采集數據真實性及可靠性，從而真實反映發電機組的健康狀態。

參考文獻：

[1]王昌長.電力設備的在線監測與故障診斷[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]北京華科同安監控技術有限公司.東風發電廠機組狀態監測及故障診斷系統技術方案[Z].

中圖分類號：TP277

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）04-0026-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.008

收稿日期：2015-01-26

作者簡介：江雨（1973-），女，工程師，從事水電企業生產管理工作。