大數(shù)據(jù)時(shí)代基于全工況的機(jī)組穩(wěn)定性分析

嚴(yán)耀亮，孫 偉

（湖北能源集團(tuán)股份有限公司，湖北省武漢市 430062）

大數(shù)據(jù)時(shí)代基于全工況的機(jī)組穩(wěn)定性分析

嚴(yán)耀亮，孫 偉

（湖北能源集團(tuán)股份有限公司，湖北省武漢市 430062）

本文對(duì)比了幾種對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)解析的方法，針對(duì)各方法的優(yōu)劣，創(chuàng)造性地提出用Matlab對(duì)水布埡積累的大數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、整理、分析，完善了對(duì)數(shù)據(jù)的可視化，以尋找運(yùn)行規(guī)律。同時(shí)，討論了機(jī)組穩(wěn)定性問(wèn)題的根源，就機(jī)組的調(diào)度控制提出建設(shè)性的意見(jiàn)，從而有力提升運(yùn)行管理水平。

水電廠；大數(shù)據(jù)；全工況；穩(wěn)定性分析

0 引言

湖北清江水布埡水電站是清江流域的龍頭電站，具備多年調(diào)節(jié)能力，在華中電網(wǎng)中作為骨干進(jìn)行調(diào)峰、調(diào)壓、調(diào)頻，故機(jī)組開(kāi)停非常頻繁，負(fù)荷變動(dòng)范圍大，而且由于地理位置獨(dú)特，其還是電網(wǎng)重要的事故備用機(jī)組和國(guó)調(diào)的緊急調(diào)度設(shè)備，這就對(duì)安穩(wěn)運(yùn)行提出了非常苛刻的要求。作為生產(chǎn)維護(hù)人員，現(xiàn)階段除了沿用傳統(tǒng)的計(jì)劃維護(hù)檢修體制外，更應(yīng)當(dāng)重視對(duì)機(jī)組狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)發(fā)揮人對(duì)設(shè)備的主動(dòng)性來(lái)調(diào)整調(diào)度控制，保證機(jī)組處于良好的運(yùn)行工況。

1 大數(shù)據(jù)時(shí)代全工況分析的必要性

水布埡電廠作為一個(gè)有著多年調(diào)節(jié)能力的高壩大庫(kù)投運(yùn)10年，足以讓人對(duì)其出力調(diào)度和趨勢(shì)變化方面做一些分析工作。該電廠的NC2000監(jiān)控、PSTA狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工業(yè)電視、勵(lì)磁、調(diào)速、AMS生產(chǎn)管理、V6物資管理等系統(tǒng)都無(wú)時(shí)無(wú)刻不在產(chǎn)生著巨大的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如果全部存儲(chǔ)將是PB級(jí)別的。所以，現(xiàn)在存儲(chǔ)能力的增長(zhǎng)遠(yuǎn)不及數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)，為此要盡力選擇合理的存儲(chǔ)架構(gòu)保存，以利于對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。通過(guò)對(duì)水布埡機(jī)組十年內(nèi)各系統(tǒng)累積的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、挖掘等人工智能處理，從而提出關(guān)于發(fā)電生產(chǎn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)性等方面的建設(shè)性意見(jiàn)，將改變電力生產(chǎn)側(cè)對(duì)機(jī)組數(shù)據(jù)缺乏深度分析的現(xiàn)狀，同時(shí)可有力提高發(fā)電生產(chǎn)運(yùn)行管理水平。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，水電機(jī)組約有80%的故障都在振動(dòng)信號(hào)中有反映，而異常振動(dòng)也是設(shè)備損壞的重要原因。[1]機(jī)組振動(dòng)大，輕者噪聲嚴(yán)重，縮短壽命，重者造成毀滅性災(zāi)難（如2009年俄羅斯薩揚(yáng)事故）。故對(duì)在各水頭負(fù)荷的運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析十分必要，以指導(dǎo)機(jī)組的運(yùn)行調(diào)度、維護(hù)檢修，保障機(jī)組在全生命周期內(nèi)處于良好狀態(tài)。

1.1 數(shù)據(jù)日趨齊全

機(jī)組雖在接機(jī)時(shí)做過(guò)穩(wěn)定性試驗(yàn)，以確定穩(wěn)定區(qū)和振動(dòng)區(qū)，但做性能試驗(yàn)時(shí)所得數(shù)據(jù)僅限于當(dāng)時(shí)一個(gè)水頭幾個(gè)小時(shí)內(nèi)的振擺數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不夠全面，分析不夠完整。而2007～2016年機(jī)組數(shù)據(jù)覆蓋了所有水頭、功率工況，已經(jīng)足夠齊全。

1.2 自身狀況變化

水布埡水頭變幅比1.38，屬高水頭、大變幅，另有功功率變動(dòng)大導(dǎo)致經(jīng)常偏離最優(yōu)工況，穩(wěn)定性問(wèn)題比較突出。如1號(hào)機(jī)組上導(dǎo)擺度越限、2號(hào)機(jī)組水導(dǎo)擺度偏大、3號(hào)機(jī)組下導(dǎo)擺度越限、4號(hào)機(jī)組下導(dǎo)及水導(dǎo)擺度越限、抬機(jī)量近3mm等。這其中，有的問(wèn)題得到解決，有些則遲遲無(wú)法根除。另外，1號(hào)機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在2012年冬修時(shí)發(fā)現(xiàn)貫穿性裂紋，雖經(jīng)過(guò)廠家補(bǔ)焊修復(fù)，但廠家強(qiáng)烈要求機(jī)組運(yùn)行在200MW以上的有功區(qū)間[2]。

2007～2016年作為華中電網(wǎng)的骨干調(diào)峰調(diào)頻廠，機(jī)組每年運(yùn)行高達(dá)3855h的同時(shí)等效利用小時(shí)數(shù)僅為1638h，可見(jiàn)運(yùn)行工況之惡劣。機(jī)組作為有著復(fù)雜機(jī)械機(jī)構(gòu)的超大型旋轉(zhuǎn)的水機(jī)電綜合體，歷經(jīng)十幾次的檢修、若干次臨檢和上百次的消缺處理，機(jī)組的特質(zhì)會(huì)不會(huì)發(fā)生改變，穩(wěn)定性狀態(tài)有無(wú)變化，都要對(duì)累積的海量穩(wěn)定性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和歸納總結(jié)。

1.3 穩(wěn)定性問(wèn)題的危害

縱覽近幾十年修建的大型水電廠，因穩(wěn)定性問(wèn)題導(dǎo)致的故障及危害比比皆是。如：白山電廠因振動(dòng)超標(biāo)引發(fā)廠房和壩體共振，造成轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、主廠房墻體裂縫等[3]。白蓮河電廠2號(hào)機(jī)組因推力頭與鏡板之間振動(dòng)導(dǎo)致油盆回油管道斷裂[4]。巖灘電廠因振動(dòng)導(dǎo)致的振擺嚴(yán)重[5]、排沙孔運(yùn)行對(duì)機(jī)組軸的振動(dòng)產(chǎn)生影響[6]，水力因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋（個(gè)別機(jī)組在一次檢修中裂紋長(zhǎng)度之和達(dá)到11m）[7]，給機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)檢修工作造成的危害影響甚深。三峽的多臺(tái)機(jī)組也出現(xiàn)過(guò)穩(wěn)定性問(wèn)題，如負(fù)流量[8]、特殊負(fù)荷特殊頻率的振動(dòng)等[9]。如此多的案例提醒水電人員，絕對(duì)不能忽視對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)的監(jiān)視分析，以免造成永久性損傷，應(yīng)將隱患消除在萌芽狀態(tài)。

2 用傳統(tǒng)常規(guī)解析方式做穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定性試驗(yàn)的分析

2011年在水布埡做186m水頭性能試驗(yàn)，其發(fā)布的機(jī)組擺度如圖1所示[10]。

該報(bào)告體現(xiàn)了傳統(tǒng)方式對(duì)振擺的分析，即隔一定負(fù)荷對(duì)穩(wěn)定性參量測(cè)一組數(shù)，共約20個(gè)點(diǎn)，在二維平面上將這些點(diǎn)連成線。

圖1 擺度與有功功率Fig. 1 Unit swing and active power

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，大古力水電站的700MW機(jī)組，以水導(dǎo)擺度評(píng)價(jià)水輪機(jī)穩(wěn)定性，以水導(dǎo)擺度超過(guò)254μm作為不可運(yùn)行工況來(lái)確定安全運(yùn)行區(qū)。[11]清江隔河巖電廠也以水導(dǎo)擺度250μm劃分振動(dòng)區(qū)。[12]用以上經(jīng)驗(yàn)值做參考，結(jié)合國(guó)家關(guān)于振擺標(biāo)準(zhǔn)和水布埡關(guān)于振擺的技術(shù)通知單，其參數(shù)整定如表1所示，其二級(jí)振動(dòng)報(bào)警值（即國(guó)標(biāo)規(guī)定的不可運(yùn)行D區(qū)）所列括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為國(guó)標(biāo)上限，沒(méi)括號(hào)的數(shù)據(jù)則表示國(guó)標(biāo)、廠標(biāo)一致可見(jiàn)廠標(biāo)的規(guī)定要更嚴(yán)格。

表1 振擺報(bào)警值Tab. 1 Vibration alarm value

由圖1可見(jiàn)，在150～300MW時(shí)水導(dǎo)擺動(dòng)值大，且150～300MW時(shí)所有主軸擺度均上升。300～460MW時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定，各部位振擺小，故確定水布埡振動(dòng)區(qū)為150～300MW。但是，這種論斷是有缺陷的。

首先，測(cè)量數(shù)據(jù)取自一臺(tái)機(jī)組試驗(yàn)時(shí)的一個(gè)水頭下，不能反映所有機(jī)組、所有水頭時(shí)的情況；其次，有功功率每改變2萬(wàn)采集一次數(shù)據(jù)，采用插值或平滑擬合的方法作曲線，數(shù)據(jù)采集量不夠多，且多條曲線堆在一個(gè)二維平面內(nèi)，不便于觀察分析；再者，試驗(yàn)機(jī)組的狀態(tài)決定了報(bào)告數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度看，對(duì)單一個(gè)體一次采樣其采樣率太低，不科學(xué)。應(yīng)對(duì)各機(jī)組、各時(shí)間段、各水頭、各負(fù)荷的數(shù)據(jù)大量采集，盡最大可能從統(tǒng)計(jì)學(xué)上消除因明顯的機(jī)組故障和測(cè)量方式方法引起的數(shù)據(jù)偏差導(dǎo)致的對(duì)振擺數(shù)據(jù)誤判的影響。

2.2 PSTA狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的分析

電廠為機(jī)組配置了狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其軟件PSTA2003狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)1個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如圖2所示。

圖2 振動(dòng)、擺度與負(fù)荷Fig. 2 Vibration，swing and load

由圖2可知，機(jī)組從150～300MW振動(dòng)較大。但振動(dòng)區(qū)的數(shù)據(jù)少，變化趨勢(shì)不明顯（因調(diào)速器規(guī)避了振動(dòng)區(qū)）；PSTA2003狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集頻率為30min一次，采集存儲(chǔ)間隔偏長(zhǎng)、頻率較低，導(dǎo)致結(jié)論圖形有毛刺感，不易發(fā)現(xiàn)運(yùn)行規(guī)律和數(shù)據(jù)的關(guān)系；且該系統(tǒng)硬件配置過(guò)時(shí)，已運(yùn)行10年，老化嚴(yán)重，常出現(xiàn)故障，對(duì)長(zhǎng)時(shí)期（如一年、幾年）的數(shù)據(jù)分析不擅長(zhǎng)，亟需升級(jí)改造。

3 應(yīng)用Matlab分析穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

3.1 創(chuàng)新思路處理穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

為了改進(jìn)，提出應(yīng)用Math Works Matlab軟件處理機(jī)組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)的思路。

使用Matlab分析電廠在狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)PSTA2003中采集的海量數(shù)據(jù)，不僅節(jié)約了重裝穩(wěn)定性數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)軟硬件的投資，而且充分利用了現(xiàn)有設(shè)備，且在這個(gè)數(shù)據(jù)為王的大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，充分利用了積累下來(lái)的寶貴機(jī)組數(shù)據(jù)。

3.2 機(jī)組數(shù)據(jù)分析

將每臺(tái)機(jī)組3年（2012、2013、2014年）的振擺數(shù)據(jù)作為一個(gè)行×列的大型矩陣（涵蓋所有水頭功率等工況）輸入Matlab工作空間，其列代表機(jī)組的一個(gè)參量，如時(shí)間、功率、水頭、水導(dǎo)擺度等，行代表一個(gè)時(shí)間點(diǎn)所有參量的一組數(shù)據(jù)。然后編程取出各個(gè)振擺參數(shù)與對(duì)應(yīng)水頭、有功功率，或取任意3個(gè)參量尋找相互聯(lián)系。同時(shí)，對(duì)所有數(shù)據(jù)篩選，剔除明顯異常的數(shù)據(jù)（如因新更換蓋板導(dǎo)致下導(dǎo)擺度3～5倍的增大）；保留機(jī)組正常運(yùn)行、部件和配套設(shè)備正常時(shí)的數(shù)據(jù)，再在三維空間做出一個(gè)個(gè)的點(diǎn)，進(jìn)而作機(jī)組振動(dòng)、擺度等穩(wěn)定性數(shù)據(jù)隨水頭、功率（或者振擺數(shù)據(jù)隨其他量之間的任3組數(shù)據(jù)）的三維圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行解析，挖掘其相關(guān)的關(guān)聯(lián)趨勢(shì)、影響等。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)篩選，4臺(tái)機(jī)組數(shù)據(jù)如下：

（1）1號(hào)機(jī)組：13426行×29列；

（2）2號(hào)機(jī)組：12046行×29列；

（3）3號(hào)機(jī)組：4018行×29列；

（4）4號(hào)機(jī)組：14402行×29列。

電廠共監(jiān)測(cè)了上導(dǎo)擺度等29個(gè)穩(wěn)定性參量。而擁有數(shù)據(jù)不是目的，關(guān)鍵是使其轉(zhuǎn)化為洞察為我所用，分析這些大數(shù)據(jù)背后的“寶藏”，挖掘其經(jīng)濟(jì)效益，服務(wù)于電力生產(chǎn)，這才是一個(gè)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力與人才創(chuàng)造力的體現(xiàn)，也正是大數(shù)據(jù)時(shí)代的特點(diǎn)。

3.3 基于Matlab作穩(wěn)定性數(shù)據(jù)三維曲線

3.3.1 三維視圖注意點(diǎn)

如圖3所示，單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)X坐標(biāo)代表水頭，Y坐標(biāo)代表有功功率，Z坐標(biāo)代表參量的振擺值。

右側(cè)的ColorBar意義：振擺值越小在圖中的顏色越cool；振擺值越大顏色越hot，ColorBar在右側(cè)標(biāo)明了顏色對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)值大小。有時(shí)為了更加直觀、醒目、有沖擊力，可在圖中將超過(guò)國(guó)標(biāo)的數(shù)據(jù)值顯示成紅色。

3.3.2 各組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)的三維曲線

（1）4號(hào)機(jī)組水導(dǎo)X向擺度三維曲線。

圖3 水導(dǎo)X向擺度Fig. 3 X direction swing of water guide bearing

圖3展示了水導(dǎo)X向擺度與水頭、有功功率三者之間的變化趨勢(shì)，在Matlab中可從任意角度觀看三者的三維視圖，這為分析不同監(jiān)測(cè)量的關(guān)系、尋找其變化趨勢(shì)提供了巨大便利。還可單獨(dú)查看3個(gè)量中的任兩個(gè)之間的關(guān)系圖，如圖4和圖5所示。

圖4中水導(dǎo)X向擺度與水頭沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)，擺度數(shù)據(jù)在各水頭上超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的很少，且在各個(gè)水頭上散布較均勻，水導(dǎo)X向擺度與其無(wú)顯著相關(guān)性。

圖5中水導(dǎo)X向擺度與有功功率的關(guān)系非常典型[因水布埡機(jī)組在負(fù)荷分配中避開(kāi)了150～300MW的振動(dòng)區(qū)，開(kāi)機(jī)后最小設(shè)值40MW，故基本沒(méi)有在這兩個(gè)有功功率區(qū)間內(nèi)（0～40MW、150～300MW）的數(shù)據(jù)]，電廠4臺(tái)機(jī)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出相同的分布規(guī)律，分析如下：

1）40～150MW內(nèi)，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布呈U字形，60MW負(fù)荷以下穩(wěn)定性數(shù)據(jù)大多超過(guò)了國(guó)標(biāo)和廠標(biāo)；

2）300MW負(fù)荷以上，曲線呈另一個(gè)U字，且隨負(fù)荷增大有輕微上揚(yáng)趨勢(shì)，但全程穩(wěn)定性數(shù)據(jù)的分布沒(méi)有超過(guò)國(guó)標(biāo)或廠標(biāo)；

3）已定的振動(dòng)區(qū)（0～40MW、150～300MW）中沒(méi)有數(shù)據(jù)分布，說(shuō)明機(jī)組監(jiān)控、調(diào)速器性能頗佳，完全滿足了調(diào)整負(fù)荷的需要。

（2）典型的三維視圖。

因每臺(tái)機(jī)監(jiān)測(cè)29個(gè)參量，4臺(tái)機(jī)組就有116個(gè)三維曲線，全部畫(huà)出不允許，故分析所有三維圖的數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)后，對(duì)其歸納分類(lèi)后列出如圖6～圖9所示。

圖4 水導(dǎo)X向擺度與水頭Fig. 4 X direction swing and head of unit

圖5 水導(dǎo)X向擺度與有功Fig. 5 X direction swing and active power

圖6 水導(dǎo)Y向擺度Fig. 6 Y direction swing of water guide bearing

圖7 頂蓋垂直振動(dòng)Fig. 7 Vertical vibration of top cover

圖8 頂蓋Y向振動(dòng)Fig. 8 Y direction vibration of the top cover

圖9 上機(jī)架垂直振動(dòng)Fig. 9 Vertical vibration of the machine frame

圖3～圖9展示了水布埡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)的典型曲線，這些監(jiān)測(cè)量在40～60MW區(qū)振擺接近上限或超過(guò)國(guó)標(biāo)和廠標(biāo)得多（僅4號(hào)機(jī)組就有水導(dǎo)X/Y向擺度、上機(jī)架垂直振動(dòng)、頂蓋垂直/水平振動(dòng)等）。

（3）軸向位移。

圖10中4號(hào)機(jī)組的軸向位移大多達(dá)到3mm，其他3臺(tái)機(jī)組的軸向位移也在2～3mm。因該傳感器裝在推力瓦與鏡板之間，可理解為抬機(jī)量，國(guó)標(biāo)中并未對(duì)它做出規(guī)定，其他水電廠同樣沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該量的監(jiān)視重視，吸取薩揚(yáng)事故的教訓(xùn)，防止抬機(jī)量過(guò)大造成嚴(yán)重不可逆的事故。

3.3.3 該方法特點(diǎn)

應(yīng)用Matlab對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以說(shuō)是大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下對(duì)水布埡機(jī)組穩(wěn)定性參量組成的這一大數(shù)據(jù)的挖掘嘗試，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)時(shí)代4.0的互聯(lián)、高效、節(jié)能、協(xié)同的目標(biāo)。

圖10 軸向位移Fig. 10 Axial displacement

該方法涵蓋了所需時(shí)間段內(nèi)采集的所有數(shù)據(jù)（時(shí)間、水頭、功率、穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)量等），對(duì)海量數(shù)據(jù)（一年甚至幾年的十幾萬(wàn)條數(shù)據(jù)）進(jìn)行可視化處理，從任意角度查看三維圖，方便了用戶尋找變量的相關(guān)性和顯著性統(tǒng)計(jì)規(guī)律，易于查看超標(biāo)時(shí)的工況。

通過(guò)對(duì)一系列穩(wěn)定性數(shù)據(jù)的相關(guān)性查找，放棄（或者說(shuō)弱化）對(duì)因果關(guān)系的渴求（即對(duì)引起穩(wěn)定性問(wèn)題原因的刨根問(wèn)底），取而代之關(guān)注它們的相關(guān)關(guān)系。即只要知道“是什么”而不需深入挖掘“為什么”，這就顛覆了長(zhǎng)久以來(lái)人們的思維慣例，對(duì)認(rèn)知和與外界交流的方式提出了全新挑戰(zhàn)，這也是大數(shù)據(jù)時(shí)代最大的轉(zhuǎn)變，以期達(dá)到對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)創(chuàng)新。[13]

4 振動(dòng)原因及新運(yùn)行區(qū)間規(guī)劃

4.1 機(jī)組振動(dòng)原因分析

水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)的原因是多方面的，結(jié)合國(guó)內(nèi)其他大型水電站的測(cè)試結(jié)論，水布埡機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的根本因素應(yīng)是水力因素。因混流式水輪機(jī)為單調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)輪葉片固定，如按照最優(yōu)工況選擇流道和參數(shù)，則在機(jī)組水頭大幅度變化時(shí)水流偏離最優(yōu)工況較遠(yuǎn)，會(huì)在葉片頭部產(chǎn)生脫流空蝕和不穩(wěn)定的渦流，從而引發(fā)振動(dòng)，轉(zhuǎn)輪出口產(chǎn)生渦帶引起尾水管內(nèi)的水壓脈動(dòng)。[14]

為了更好地展現(xiàn)水布埡機(jī)組運(yùn)行的復(fù)雜惡劣工況，將2008～2015年4月機(jī)組所有出力數(shù)據(jù)整理后形成圖9，縱坐標(biāo)為小時(shí)，橫坐標(biāo)為有功功率。可見(jiàn)，機(jī)組按規(guī)定的限制和推薦運(yùn)行區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，一方面說(shuō)明AGC、一次調(diào)頻、監(jiān)控、調(diào)速器等能夠滿足振動(dòng)區(qū)的設(shè)置；同時(shí)也說(shuō)明了運(yùn)行工況之復(fù)雜，在滿足要求的各個(gè)負(fù)荷下都有較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，任何一個(gè)非振動(dòng)區(qū)的負(fù)荷下其時(shí)間都不超過(guò)運(yùn)行總時(shí)間的5%。

當(dāng)然，電氣和機(jī)械因素亦會(huì)在機(jī)組振擺上有所反應(yīng)，但不是主要因素。這種論斷在我們用Matlab繪制三維視圖的過(guò)程中得到了印證，一旦機(jī)組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)嚴(yán)重超標(biāo)，必定是機(jī)組的部件出現(xiàn)問(wèn)題（如水導(dǎo)油盆蓋間隙不均勻引起的水機(jī)振動(dòng)[15]），而一旦解決部件問(wèn)題，消除掉機(jī)械或電氣因素的影響，則穩(wěn)定性數(shù)據(jù)就恢復(fù)至正常運(yùn)行水平。

4.2 機(jī)組運(yùn)行區(qū)間規(guī)劃建議

電廠振動(dòng)區(qū)的規(guī)定（將0～40MW、150～300MW設(shè)為不可運(yùn)行的D區(qū)）是科學(xué)、合理的，但這樣設(shè)置振動(dòng)區(qū)的最大弊端是導(dǎo)致機(jī)組日常調(diào)節(jié)中頻繁穿越振動(dòng)區(qū)，且低負(fù)荷區(qū)間（40～150MW）運(yùn)行時(shí)耗水率高，經(jīng)濟(jì)上非常浪費(fèi)。從三維圖上看，低負(fù)荷區(qū)間（40～150MW）運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)普遍高于高負(fù)荷區(qū)間（300～460MW），最理想的就是在0～150MW區(qū)間內(nèi)不運(yùn)行，但考慮到華中電網(wǎng)對(duì)水電調(diào)峰調(diào)頻的需求，實(shí)現(xiàn)的難度很大。

比較可行的是，建議將有功功率40～60MW區(qū)間的運(yùn)行范圍增加設(shè)置為禁止運(yùn)行區(qū)，因該區(qū)域內(nèi)的振擺接近上限或超標(biāo)的非常多（全廠有22個(gè)穩(wěn)定性參量超標(biāo)），同時(shí)沒(méi)有降低水布埡的調(diào)峰調(diào)頻能力。

4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行區(qū)間新規(guī)劃建議如表2所示。

表2 機(jī)組新運(yùn)行區(qū)間規(guī)劃Tab. 2 The new unit operation interval programming

同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮也是合理的，簡(jiǎn)算如下。

4.3 采用新運(yùn)行區(qū)間后的經(jīng)濟(jì)影響

以1號(hào)機(jī)組為例，從2007年7月發(fā)電到2012年12月14日，電量采集系統(tǒng)對(duì)有功功率每秒采樣一次。并網(wǎng)后有功功率自動(dòng)設(shè)置為40MW，故對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中有功功率小于10MW的工況均認(rèn)為是停機(jī)狀態(tài)，這是科學(xué)、合理的。對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘后，如表3所示。

表3 1號(hào)機(jī)組各狀態(tài)時(shí)間Tab. 3 Running time of #1 unit under different working conditions

圖11 4臺(tái)機(jī)組多年的負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間曲線Fig. 11 Load running time curve of four machines for many years

可得，10～40MW占總時(shí)間的5%，假如該時(shí)間范圍內(nèi)機(jī)組有功功率設(shè)定從40MW（＜40MW的一律認(rèn)為是40MW）增大至60MW，則一臺(tái)發(fā)電機(jī)組每年就能多發(fā)電量876萬(wàn)kWh（保守估計(jì)值），經(jīng)濟(jì)效益巨大。

5 結(jié)論

由此可見(jiàn)，緊跟時(shí)代發(fā)展和技術(shù)前進(jìn)的腳步，運(yùn)用突飛猛進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和各種現(xiàn)代化的分析軟硬件系統(tǒng)，對(duì)水電廠積累的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度、多維度的深度挖掘分析，相比較傳統(tǒng)的分析方式前進(jìn)了一大步。應(yīng)用三位作圖軟件可以方便地得出多個(gè)參量之間的相互關(guān)系，對(duì)分析水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性、重新規(guī)劃振動(dòng)區(qū)有著重要意義。

同時(shí)，在進(jìn)行該分析的過(guò)程中，也明顯感到缺少水輪機(jī)流量這一重要參數(shù)的遺憾，無(wú)法完成各工況下機(jī)組各參數(shù)與流量之間的關(guān)系，這是電廠在后續(xù)的數(shù)據(jù)采集中亟待解決的問(wèn)題，也是打造數(shù)字化水電廠不可缺少的。

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2016-05-30

2016-06-20

嚴(yán)耀亮（1982—），男，工程師，主要研究方向：運(yùn)營(yíng)管理。E-mail：376616134@qq.com

孫 偉（1982—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：設(shè)備管理和運(yùn)行。E-mail：12185198@qq.com

Stability Analysis of Hydraulic Generator Set based on All Working Conditions in the Era of Big Data

YAN Yaoliang，SUN Wei
（Hubei Eenrgy Group Co.，Ltd. Wuhan 430062，China）

This paper compares several methods for analyzing the stability of generating units. Aiming at the strengths and weaknesses of various analytical methods，it creatively puts forward the use of Matlab classification mining，sorting，statistical analysis of the big data which accumulated of shuibuya hydropower station in nearly ten years. Then it improves the visual operation of the data to find the running law. At the same time，this paper discusses the root causes of the stability of the unit，puts forward the constructive suggestion of the unit dispatch control，effectively improves the operation management level of power plant.

hydropower plant；big data；all working conditions；stability analysis

TK73

A學(xué)科代碼：570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.011