抽水蓄能機群遠程在線監測與狀態評價系統研究

桂中華，陳 瑞，張 浩，孫慧芳，齊遠航

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抽水蓄能機群遠程在線監測與狀態評價系統研究

桂中華1，陳 瑞1，張 浩2，孫慧芳1，齊遠航1

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

本文在研究抽水蓄能機組遠程在線監測與狀態評價系統的體系結構、監測數據集成與傳輸優化策略以及機組狀態評價等關鍵技術的基礎上，開發了抽蓄電站機組群在線監測與狀態評價系統，實現了機群運行狀態的統一監測、分析與評價，并將該系統成功應用于試點電站，為推進抽水蓄能電站設備狀態評價工作奠定了堅實的技術基礎。

抽水蓄能機群；在線監測；狀態評價；海量實時/歷史數據平臺；水力發電

0 前言

建立抽水蓄能機群遠程在線監測與狀態評價系統是蓄能電站設備運維保障技術發展的必然趨勢。隨著特高壓電網建設規模的增大、抽水蓄能機組單機容量的增加、設備自動化程度的提高，電網對抽水蓄能機組運行安全性與可靠性提出了更高要求。國網新源控股有限公司（以下簡稱新源公司）管轄的抽水蓄能機組數量眾多、地域分布廣、結構型式多樣，其運維管理難度大，迫切需要建設機群遠程在線監測與狀態評價系統，為專業技術人員開展設備狀態評價業務提供有力的技術手段。同時，經過多年的努力，在新源公司管轄的蓄能電站里，機組穩定性監測系統、發電機氣隙在線監測系統以及計算機監控系統等二次系統獲得了廣泛應用，且大多建設了生產實時信息系統對生產數據進行了集成，為建設抽水蓄能機群遠程在線監測與狀態評價系統提供了基礎條件。

1 系統體系結構

為有效融合電站現有生產實時數據，提升設備實時數據共享和數據采集通道的復用能力，本文研究提出基于統一海量實時/歷史數據平臺的抽水蓄能機群遠程在線監測與狀態評價系統體系結構，如圖1所示。該系統采用分層分布式結構，由電廠現地監測單元、海量（實時/歷史）數據平臺、業務應用層三部分組成。

圖1 抽水蓄能機群設備在線監測與狀態評價系統

1.1 電廠現地監測層

電廠現地監測層主要完成設備狀態數據的采集、存儲與現地分析等，其采集的數據包括機組振動、擺度、壓力脈動、氣隙、局放等。現地監測單元數據最終通過電廠局域網集中到各個電廠的狀態監測服務器。

1.2 海量實時/歷史數據平臺

海量實時/歷史數據平臺由設在北京的主站和設置在電站的子站組成。其中，海量實時/歷史數據平臺子站是對單個電廠生產運行過程中各業務應用生成的實時/歷史數據進行存儲、集中、整合、共享和分析的場所，實現電站設備在線監測波形數據和特征數據在電站側全記錄。海量實時/歷史數據平臺主站是對所有下屬電廠生產運行過程中各業務應用生成的實時/歷史數據進行存儲、集中、整合、共享和分析的場所，實現電站設備在線監測特征數據的全記錄，并能按需遠程提取電站設備在線監測波形數據，同時提供標準訪問服務和各種工具實現跨專業跨部門的分析輔助決策類的綜合應用。

1.3 業務應用層

業務應用層通過讀取海量數據平臺的數據，進行加工分析，提供狀態監測和評價功能，實現公司級設備在線監測信息的全面展現；綜合運用特征參量狀態監控、歷史趨勢分析等高級應用功能模塊實現設備檢修過程監督、健康狀態評估等。

2 海量數據集成與傳輸優化

2.1 海量數據集成接口技術

要統一各種不同系統、不同廠商的數據，必須建立統一的通信接口，而現有的通信接口標準不能滿足振動波形數據的通信需求。本文研究提出了一種適用海量數據傳輸的接口規約（如圖2所示），該接口標準適用于機組穩定性數據、發電機氣隙與磁場強度數據、發電機局放數據、監控數據等，且具有統一的時標、工況標識及斷點續傳功能，提高了數據的可靠性和可用性。

圖2 自定義的數據接口規約

2.2 數據傳輸優化策略

機組在正常運行時會產生海量的狀態數據，這些數據對于設備的狀態分析與故障診斷作用不大，因此傳輸和存儲機組所有狀態數據是不必要，也難以做到的。本文結合抽水蓄能機組實際情況，制定了圖3所示的數據傳輸優化策略。

第一步是數據從電廠Ⅱ區狀態數據服務器（存儲了機組所有狀態數據）向電廠Ⅲ區海量平臺子站的傳輸，傳輸過程采取如下優化策略：（1）停機時，隔一定的時間傳輸一包數據；（2）機組運行時，監測數據全發。

第二步數據從電廠Ⅲ區海量平臺子站傳輸到北京本部側的海量平臺主站，傳輸過程采取以下優化策略：（1）停機時，間隔一定時間傳輸一包數據；（2）穩態工況下，特征量全發，但波形數據間隔一定時間發送一包；（3）暫態工況，特征量和波形數據全發；（4）異常報警時，傳輸報警前后各一段時間的波形數據。

圖3 數據傳輸優化策略

3 機組狀態評價技術

為了準確判斷抽水蓄能機組運行狀態，確定機組是否存在故障以及故障的程度，需要對表征機組狀態的測量值與相應的標準進行比較。因此，在開展設備狀態評價過程中，采用的評價標準至關重要，設備狀態評價標準包括絕對評價、相對評價和類比評價。由于抽水蓄能機組機構復雜、運行工況較多，采用單一的評價標準難以得出準確、全面的評價結論，本項目綜合采用三種評價標準，對抽水蓄能機組進行狀態評價。

3.1 絕對評價

絕對評價是在設備的同一部位或按照一定要求測得的表征設備狀態的值與某種相應的判斷標準相比較，以評定設備的狀態。絕對評價標準也稱閾值或限值評價標準，通常由權威機構頒布實施。比如：國家頒布的水電機組振動評價標準GB/T 6075.5[5]，按四種機組類型分別規定了A、B、C、D四個區域及相應的振動界限值，該標準規定報警值不能超過區域B上限值1.25倍，停機值不能超出區域C上限值1.25倍。國標GB/T 6075.5推薦對于額定轉速低于或等于300r/min的機組，測量振動位移，而對于額定轉速高于300r/min的機組，建議測量振動速度。但由于水電機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用中有一定的局限性。由于抽水蓄能機組轉速相對較高，近年來在蓄能機組的振動測量中速度傳感器逐步得到了應用，有必要開展抽水蓄能機組振動速度評價標準的研究，制定根據適合抽水蓄能機組的振動速度界限值。

3.2 相對評價

3.2.1 相對判斷標準

機組狀態數據在限值范圍內，并不能說明機組運行一定是正常的，可能其運行狀態己經在變化，只是還沒有達到報警限值而已，因此，有必要引入相對評價標準。

采用相對判斷標準時，需要在設備正常工作情況下，對設備進行全面的測試，將測試得到各種指標量值作為標準值。在對設備進行在線監測時，將實測值與標準值進行比較，根據實測值與標準值的偏差情況，對設備狀態做出評價。

3.2.2 相對狀態閾值

相對狀態閾值的確定采取以下兩種方法：

（1）經驗法

在GB/T 6075.5和GB/T 11348.5中，對振擺的變化進行了規定。在相同的傳感器方向和位置上，并在近似相同的機器運行工況下進行振動測量與比較。當振動幅值的變化超過區域B上界限值的25%時，這樣的變化應認為是明顯的，特別是如果這種變化是突發的，應查明變化的原因，然后決定什么樣的措施是可行的。

評價基準的確定：根據大數定律，在大樣本條件下（樣本數大于20），樣本均值可看作理論均值。因此，相對評價標準的建立可根據該機組在正常運行狀態下積累的長期監測數據，求取樣本空間某特征量（該特征量可以是監測量的平均值、幅值、頻率等）的平均值為其運行狀態的健康值，即基準值。

評價報警值的確定：抽水蓄能機組監測數據的隨機誤差具有明顯的統計分布特征，一般服從正態分布規律。因此，可根據3準則確定評價報警值，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）的機組，在相同運行工況下運行時，通過對各機組同一監測量進行橫向對比，來判定機組運行狀態。

對于運行時間不長還沒有確定監測數據基準值的機組或者無法獲得設備正常狀態標準值情況下的狀態評價，可以采用類比評價標準來進行評價。等到機組積累了一定的監測數據以后，可對基準值進行修正或重新確定基準值，按相對評價標準進行機組運行狀態的評價。同時，通過類比很容易發現同類設備運行狀態的好壞；利用類比評價可以對設備的運行狀況好壞進行排序，讓運行人員將有限的精力集中在狀態惡化的重點設備上。

4 系統開發與應用

在上述研究基礎上，開發了新源公司抽水蓄能機群遠程在線監測與狀態評價系統，完成了公司電站機組在線監測數據在電站側分時段、全記錄，本部側按需遠程提取，并實現了電站主設備的遠程集中監測與狀態評價。

系統軟件功能模塊包括實時監測、數據分析、預警報警、狀態報告和系統管理等。該系統目前已在新源公司試點電站成功應用，圖4和圖5為該系統應用界面，后續將進一步開展推廣應用，實現抽水蓄能電站設備遠程狀態評價全覆蓋，為推行抽水蓄能電站設備的狀態檢修奠定技術基礎。

圖4 綜合監測-設備分布界面

圖5 綜合監測-設備運行狀態橫向類比

5 結論

（1）以新源公司抽水蓄能機群為研究對象，設計了遠程集中設備狀態評價系統的體系結構；提出了監測數據集成的通信接口，優化了數據遠程傳輸與存儲，構建了公司統一海量實時/歷史數據平臺，實現了狀態信息的共享和多信息的融合。

（2）研究了抽水蓄能機組絕對評價、相對評價和類比評價的標準，提高蓄能機組狀態評價的準確性。

（3）開發了新源公司抽水蓄能機群在線監測與狀態評價系統，并進行了試點應用，實現各電站發電電動機、水泵水輪機等主設備運行狀態的大集中監測與狀態分析評價等功能，為機組檢修提供技術參考。

[1] 桂中華, 樊玉林, 常玉紅, 胡東海. 抽水蓄能機組在線監測技術研究與應用現狀[J].水力發電, 2015(1).

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

[3] 周葉，潘羅平. 基于實時數據庫的水電機組遠程監測中心設計與實現[J]. 水電自動化與大壩監測, 2011(10).

[4] 顧煜炯. 發電設備狀態維修理論[M]. 北京: 中國電力出版社,2009.

[5] GB/T 6075.5-2002, 在非旋轉部件上測量和評價機組的機械振動，第5部分:水力發電廠和泵站機組[S].

[6] GB/T 11348.5-2008, 旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定, 第5部分:水力發電廠和泵站機組[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

國家電網公司科技項目(52573015000C)

2017-02-17

桂中華（1976-），2005年7月畢業于華南理工大學電力學院，博士，現主要從事水力機械振動穩定性與狀態評價方面的科研工作，高級工程師。