抽水蓄能機(jī)群遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng)研究

桂中華，陳 瑞，張 浩，孫慧芳，齊遠(yuǎn)航

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抽水蓄能機(jī)群遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng)研究

桂中華1，陳 瑞1，張 浩2，孫慧芳1，齊遠(yuǎn)航1

（1. 國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161；2. 國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310008）

本文在研究抽水蓄能機(jī)組遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、監(jiān)測數(shù)據(jù)集成與傳輸優(yōu)化策略以及機(jī)組狀態(tài)評價等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了抽蓄電站機(jī)組群在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了機(jī)群運(yùn)行狀態(tài)的統(tǒng)一監(jiān)測、分析與評價，并將該系統(tǒng)成功應(yīng)用于試點(diǎn)電站，為推進(jìn)抽水蓄能電站設(shè)備狀態(tài)評價工作奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

抽水蓄能機(jī)群；在線監(jiān)測；狀態(tài)評價；海量實時/歷史數(shù)據(jù)平臺；水力發(fā)電

0 前言

建立抽水蓄能機(jī)群遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng)是蓄能電站設(shè)備運(yùn)維保障技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。隨著特高壓電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的增大、抽水蓄能機(jī)組單機(jī)容量的增加、設(shè)備自動化程度的提高，電網(wǎng)對抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行安全性與可靠性提出了更高要求。國網(wǎng)新源控股有限公司（以下簡稱新源公司）管轄的抽水蓄能機(jī)組數(shù)量眾多、地域分布廣、結(jié)構(gòu)型式多樣，其運(yùn)維管理難度大，迫切需要建設(shè)機(jī)群遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng)，為專業(yè)技術(shù)人員開展設(shè)備狀態(tài)評價業(yè)務(wù)提供有力的技術(shù)手段。同時，經(jīng)過多年的努力，在新源公司管轄的蓄能電站里，機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)以及計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等二次系統(tǒng)獲得了廣泛應(yīng)用，且大多建設(shè)了生產(chǎn)實時信息系統(tǒng)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了集成，為建設(shè)抽水蓄能機(jī)群遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)條件。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

為有效融合電站現(xiàn)有生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，提升設(shè)備實時數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)采集通道的復(fù)用能力，本文研究提出基于統(tǒng)一海量實時/歷史數(shù)據(jù)平臺的抽水蓄能機(jī)群遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由電廠現(xiàn)地監(jiān)測單元、海量（實時/歷史）數(shù)據(jù)平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用層三部分組成。

圖1 抽水蓄能機(jī)群設(shè)備在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng)

1.1 電廠現(xiàn)地監(jiān)測層

電廠現(xiàn)地監(jiān)測層主要完成設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、存儲與現(xiàn)地分析等，其采集的數(shù)據(jù)包括機(jī)組振動、擺度、壓力脈動、氣隙、局放等。現(xiàn)地監(jiān)測單元數(shù)據(jù)最終通過電廠局域網(wǎng)集中到各個電廠的狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)器。

1.2 海量實時/歷史數(shù)據(jù)平臺

海量實時/歷史數(shù)據(jù)平臺由設(shè)在北京的主站和設(shè)置在電站的子站組成。其中，海量實時/歷史數(shù)據(jù)平臺子站是對單個電廠生產(chǎn)運(yùn)行過程中各業(yè)務(wù)應(yīng)用生成的實時/歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、集中、整合、共享和分析的場所，實現(xiàn)電站設(shè)備在線監(jiān)測波形數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)在電站側(cè)全記錄。海量實時/歷史數(shù)據(jù)平臺主站是對所有下屬電廠生產(chǎn)運(yùn)行過程中各業(yè)務(wù)應(yīng)用生成的實時/歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、集中、整合、共享和分析的場所，實現(xiàn)電站設(shè)備在線監(jiān)測特征數(shù)據(jù)的全記錄，并能按需遠(yuǎn)程提取電站設(shè)備在線監(jiān)測波形數(shù)據(jù)，同時提供標(biāo)準(zhǔn)訪問服務(wù)和各種工具實現(xiàn)跨專業(yè)跨部門的分析輔助決策類的綜合應(yīng)用。

1.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層通過讀取海量數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)，進(jìn)行加工分析，提供狀態(tài)監(jiān)測和評價功能，實現(xiàn)公司級設(shè)備在線監(jiān)測信息的全面展現(xiàn)；綜合運(yùn)用特征參量狀態(tài)監(jiān)控、歷史趨勢分析等高級應(yīng)用功能模塊實現(xiàn)設(shè)備檢修過程監(jiān)督、健康狀態(tài)評估等。

2 海量數(shù)據(jù)集成與傳輸優(yōu)化

2.1 海量數(shù)據(jù)集成接口技術(shù)

要統(tǒng)一各種不同系統(tǒng)、不同廠商的數(shù)據(jù)，必須建立統(tǒng)一的通信接口，而現(xiàn)有的通信接口標(biāo)準(zhǔn)不能滿足振動波形數(shù)據(jù)的通信需求。本文研究提出了一種適用海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谝?guī)約（如圖2所示），該接口標(biāo)準(zhǔn)適用于機(jī)組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)、發(fā)電機(jī)氣隙與磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)、發(fā)電機(jī)局放數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)等，且具有統(tǒng)一的時標(biāo)、工況標(biāo)識及斷點(diǎn)續(xù)傳功能，提高了數(shù)據(jù)的可靠性和可用性。

圖2 自定義的數(shù)據(jù)接口規(guī)約

2.2 數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化策略

機(jī)組在正常運(yùn)行時會產(chǎn)生海量的狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于設(shè)備的狀態(tài)分析與故障診斷作用不大，因此傳輸和存儲機(jī)組所有狀態(tài)數(shù)據(jù)是不必要，也難以做到的。本文結(jié)合抽水蓄能機(jī)組實際情況，制定了圖3所示的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化策略。

第一步是數(shù)據(jù)從電廠Ⅱ區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器（存儲了機(jī)組所有狀態(tài)數(shù)據(jù)）向電廠Ⅲ區(qū)海量平臺子站的傳輸，傳輸過程采取如下優(yōu)化策略：（1）停機(jī)時，隔一定的時間傳輸一包數(shù)據(jù)；（2）機(jī)組運(yùn)行時，監(jiān)測數(shù)據(jù)全發(fā)。

第二步數(shù)據(jù)從電廠Ⅲ區(qū)海量平臺子站傳輸?shù)奖本┍静總?cè)的海量平臺主站，傳輸過程采取以下優(yōu)化策略：（1）停機(jī)時，間隔一定時間傳輸一包數(shù)據(jù)；（2）穩(wěn)態(tài)工況下，特征量全發(fā)，但波形數(shù)據(jù)間隔一定時間發(fā)送一包；（3）暫態(tài)工況，特征量和波形數(shù)據(jù)全發(fā)；（4）異常報警時，傳輸報警前后各一段時間的波形數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化策略

3 機(jī)組狀態(tài)評價技術(shù)

為了準(zhǔn)確判斷抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，確定機(jī)組是否存在故障以及故障的程度，需要對表征機(jī)組狀態(tài)的測量值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。因此，在開展設(shè)備狀態(tài)評價過程中，采用的評價標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，設(shè)備狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)包括絕對評價、相對評價和類比評價。由于抽水蓄能機(jī)組機(jī)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行工況較多，采用單一的評價標(biāo)準(zhǔn)難以得出準(zhǔn)確、全面的評價結(jié)論，本項目綜合采用三種評價標(biāo)準(zhǔn)，對抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)評價。

3.1 絕對評價

絕對評價是在設(shè)備的同一部位或按照一定要求測得的表征設(shè)備狀態(tài)的值與某種相應(yīng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)相比較，以評定設(shè)備的狀態(tài)。絕對評價標(biāo)準(zhǔn)也稱閾值或限值評價標(biāo)準(zhǔn)，通常由權(quán)威機(jī)構(gòu)頒布實施。比如：國家頒布的水電機(jī)組振動評價標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6075.5[5]，按四種機(jī)組類型分別規(guī)定了A、B、C、D四個區(qū)域及相應(yīng)的振動界限值，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定報警值不能超過區(qū)域B上限值1.25倍，停機(jī)值不能超出區(qū)域C上限值1.25倍。國標(biāo)GB/T 6075.5推薦對于額定轉(zhuǎn)速低于或等于300r/min的機(jī)組，測量振動位移，而對于額定轉(zhuǎn)速高于300r/min的機(jī)組，建議測量振動速度。但由于水電機(jī)組己積累的振動速度測量值較少，因此其制定的振動速度的界限值在實際應(yīng)用中有一定的局限性。由于抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)速相對較高，近年來在蓄能機(jī)組的振動測量中速度傳感器逐步得到了應(yīng)用，有必要開展抽水蓄能機(jī)組振動速度評價標(biāo)準(zhǔn)的研究，制定根據(jù)適合抽水蓄能機(jī)組的振動速度界限值。

3.2 相對評價

3.2.1 相對判斷標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)在限值范圍內(nèi)，并不能說明機(jī)組運(yùn)行一定是正常的，可能其運(yùn)行狀態(tài)己經(jīng)在變化，只是還沒有達(dá)到報警限值而已，因此，有必要引入相對評價標(biāo)準(zhǔn)。

采用相對判斷標(biāo)準(zhǔn)時，需要在設(shè)備正常工作情況下，對設(shè)備進(jìn)行全面的測試，將測試得到各種指標(biāo)量值作為標(biāo)準(zhǔn)值。在對設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測時，將實測值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，根據(jù)實測值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差情況，對設(shè)備狀態(tài)做出評價。

3.2.2 相對狀態(tài)閾值

相對狀態(tài)閾值的確定采取以下兩種方法：

（1）經(jīng)驗法

在GB/T 6075.5和GB/T 11348.5中，對振擺的變化進(jìn)行了規(guī)定。在相同的傳感器方向和位置上，并在近似相同的機(jī)器運(yùn)行工況下進(jìn)行振動測量與比較。當(dāng)振動幅值的變化超過區(qū)域B上界限值的25%時，這樣的變化應(yīng)認(rèn)為是明顯的，特別是如果這種變化是突發(fā)的，應(yīng)查明變化的原因，然后決定什么樣的措施是可行的。

評價基準(zhǔn)的確定：根據(jù)大數(shù)定律，在大樣本條件下（樣本數(shù)大于20），樣本均值可看作理論均值。因此，相對評價標(biāo)準(zhǔn)的建立可根據(jù)該機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下積累的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，求取樣本空間某特征量（該特征量可以是監(jiān)測量的平均值、幅值、頻率等）的平均值為其運(yùn)行狀態(tài)的健康值，即基準(zhǔn)值。

評價報警值的確定：抽水蓄能機(jī)組監(jiān)測數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差具有明顯的統(tǒng)計分布特征，一般服從正態(tài)分布規(guī)律。因此，可根據(jù)3準(zhǔn)則確定評價報警值，即報警界限值[2]：

3.3 類比評價

類比評價是對多臺同類型（型號）的機(jī)組，在相同運(yùn)行工況下運(yùn)行時，通過對各機(jī)組同一監(jiān)測量進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋瑏砼卸C(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

對于運(yùn)行時間不長還沒有確定監(jiān)測數(shù)據(jù)基準(zhǔn)值的機(jī)組或者無法獲得設(shè)備正常狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值情況下的狀態(tài)評價，可以采用類比評價標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行評價。等到機(jī)組積累了一定的監(jiān)測數(shù)據(jù)以后，可對基準(zhǔn)值進(jìn)行修正或重新確定基準(zhǔn)值，按相對評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的評價。同時，通過類比很容易發(fā)現(xiàn)同類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的好壞；利用類比評價可以對設(shè)備的運(yùn)行狀況好壞進(jìn)行排序，讓運(yùn)行人員將有限的精力集中在狀態(tài)惡化的重點(diǎn)設(shè)備上。

4 系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

在上述研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了新源公司抽水蓄能機(jī)群遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng)，完成了公司電站機(jī)組在線監(jiān)測數(shù)據(jù)在電站側(cè)分時段、全記錄，本部側(cè)按需遠(yuǎn)程提取，并實現(xiàn)了電站主設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測與狀態(tài)評價。

系統(tǒng)軟件功能模塊包括實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警報警、狀態(tài)報告和系統(tǒng)管理等。該系統(tǒng)目前已在新源公司試點(diǎn)電站成功應(yīng)用，圖4和圖5為該系統(tǒng)應(yīng)用界面，后續(xù)將進(jìn)一步開展推廣應(yīng)用，實現(xiàn)抽水蓄能電站設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)評價全覆蓋，為推行抽水蓄能電站設(shè)備的狀態(tài)檢修奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

圖4 綜合監(jiān)測-設(shè)備分布界面

圖5 綜合監(jiān)測-設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)橫向類比

5 結(jié)論

（1）以新源公司抽水蓄能機(jī)群為研究對象，設(shè)計了遠(yuǎn)程集中設(shè)備狀態(tài)評價系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；提出了監(jiān)測數(shù)據(jù)集成的通信接口，優(yōu)化了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸與存儲，構(gòu)建了公司統(tǒng)一海量實時/歷史數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)了狀態(tài)信息的共享和多信息的融合。

（2）研究了抽水蓄能機(jī)組絕對評價、相對評價和類比評價的標(biāo)準(zhǔn)，提高蓄能機(jī)組狀態(tài)評價的準(zhǔn)確性。

（3）開發(fā)了新源公司抽水蓄能機(jī)群在線監(jiān)測與狀態(tài)評價系統(tǒng)，并進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，實現(xiàn)各電站發(fā)電電動機(jī)、水泵水輪機(jī)等主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的大集中監(jiān)測與狀態(tài)分析評價等功能，為機(jī)組檢修提供技術(shù)參考。

[1] 桂中華, 樊玉林, 常玉紅, 胡東海. 抽水蓄能機(jī)組在線監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].水力發(fā)電, 2015(1).

[2] 豐田利夫, 顧力剛. 設(shè)備劣化傾向管理[J].中國設(shè)備管理, 2000(8).

[3] 周葉，潘羅平. 基于實時數(shù)據(jù)庫的水電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測中心設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測, 2011(10).

[4] 顧煜炯. 發(fā)電設(shè)備狀態(tài)維修理論[M]. 北京: 中國電力出版社,2009.

[5] GB/T 6075.5-2002, 在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機(jī)組的機(jī)械振動，第5部分:水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組[S].

[6] GB/T 11348.5-2008, 旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定, 第5部分:水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組[S].

Research on Remote Condition Monitoring and Evaluation System for Pumped Storage Generator Units

GUI Zhonghua1, CHEN Rui1, ZHANG Hao2, SUN Huifang1,QI Yuanhang1

(1. Technology Center State Grid Xinyuan Company LTD., Beijing 100161, China; 2. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310008, China)

According to studing on the stucture of remote on-line monitoring and condition evaluation system, the strategy of integration and transmission optimization for monitoring data, and also the key techonology of condition monitoring and evaluation system for pumped storage units, this paper developed the on-line monitoring and condition evaluation system. The system realizes the unified monitoring, analysis and condition evaluation of pumped storage units. And it has been successfully applied in pilot stations. This study will provide a technical basis for the development of the condition evaluation of pumped storage station.

pumped storage units; on-line monitoring; condition evaluation; mass real-time/ historical data platform; hydropower generation

TM612

A

1000-3983(2017)04-0048-04

國家電網(wǎng)公司科技項目(52573015000C)

2017-02-17

桂中華（1976-），2005年7月畢業(yè)于華南理工大學(xué)電力學(xué)院，博士，現(xiàn)主要從事水力機(jī)械振動穩(wěn)定性與狀態(tài)評價方面的科研工作，高級工程師。