大型泵站設備遠程狀態監測系統的研究與開發

(1.南水北調江蘇水源公司，江蘇省泵站工程技術研究中心，江蘇 南京 210098；2.河海大學能源及電氣學院，江蘇 南京 210098)

大型泵站所具有的潛在安全問題既是一個復雜的技術問題，也是一個日益突出的公共安全問題，受到國家、社會的廣泛關注。截至2014年底，我國已擁有大、中、小型固定灌排泵站50余萬座，其中大型泵站共383座(江蘇250余座)，裝機總功率達449萬kW；承擔防洪排澇的泵站有269座，裝機總功率222萬kW。但與如此巨大的數量相比，目前我國大型泵站的安全管理技術水平還十分落后，自動化程度不高,監測分析滯后,評價手段單一，難以實時掌握泵站安全狀態。為此，我國泵站機組正逐步實現“無人值班、少人值守”的管理模式，為了減少停機時間、降低維修費用，泵站機組檢修模式正在逐步從“計劃檢修”向“狀態檢修”過渡。

狀態監測是“狀態檢修”的重要組成部分，指的是通過自動化的儀表裝置自動采集、顯示設備的各種運行狀態信息，并進行狀態參數的越限報警。目前，設備狀態監測的研究已經在國內逐步開展[1]，其中火電機組[2-3]、風力發電機組[4-5]、水電機組[6-7]等大型旋轉機械的狀態監測研究已取得一定的成果，與泵站機組具有諸多相似性的水電機組，已經廣泛采用機組振動、擺度、絕緣等狀態參數的在線監測[8-10]。從已開發和應用的水電機組狀態監測系統來看，普遍具有較好的監測和分析功能。但是，由于大型泵站機組其自身所具有的特點，這些系統并不能完全適用于泵站機組，目前對大型泵站機組設備遠程狀態監測的研究仍然處于探索階段[11-12]。

針對大型泵站機組自身的特點，為了滿足泵站監測的需要，研發了一套泵站設備遠程狀態檢測系統，以數據采集卡、信號調理電路和各類高精度傳感器為硬件設備，準確測量水力機組的振動、擺度、壓力脈動、定轉子氣隙、發電機(電機)磁場強度等物理量，同時獲取計算機監控系統的相關監測數據信息，為機組建立功能全面、實用性強的故障診斷分析系統提供數據基礎。

1 監測系統結構及組成

監測系統結構圖(見圖1)是按照全監測內容繪制的廠站側監測系統網絡拓撲圖和系統結構組成圖,整個系統是基于B/S模式。

a.監測系統由上下位機兩部分組成，上位機系統包括數據服務器、WEB/應用服務器、網絡設備，下位機系統由現地盤柜和傳感器組成。

b.安裝在機組各部位的傳感器將各種物理信號轉化為電信號，傳送到各狀態監測子系統，各子系統將這些信號采集和處理，得到反映機組運行狀態的各種特征參數、曲線、圖表等，統一存儲到狀態數據服務器。

c.數據服務器還會自動運行分析和診斷軟件，定期提供狀態檢查日志、狀態發展趨勢，自動存儲用于跟蹤分析的監測數據等。

d. WEB應用服務器主要用來發布數據服務器中的數據、分析結果、診斷結果，以滿足電站側用戶對監測的需要，包括與本地或者遠程的監測、分析、診斷、維護工作站的交互。同時，還要定期向遠程監測中心監測數據、趨勢以及有故障的實時數據等。

圖1 監測系統結構

e.工程師站完成在線監測系統的維護、數據管理等功能。

廠站側Web/應用服務器，通過專用網絡通道向集控中心遠程監測中心網絡中的監測中心通信服務器傳送數據。

f.網間通信采用光纖及超5類雙絞線實現連接。

為保證各個網段之間的連通性以及支持Internet或者Intranet，通信協議使用TCP/IP。

g.在廠站側，任何接入泵站局域網的用戶終端都可以通過WEB/應用服務器訪問在線監測系統的全部實時數據和歷史數據，實現監測、分析診斷。

h.監控系統或現場儀表與數據服務器通過RS485/RS232接口或者以以太網方式連接，由監控系統采集的流量、溫度、壓力、水位等信號送給本監測系統，完成統一的分析診斷。

2 基本監測內容

2.1 機組運行穩定性監測

2.1.1 機組運行穩定性監測

監測內容包括以下幾個方面：

a.各導軸承擺度：上導擺度、下導擺度(或推力軸承擺度、法蘭擺度)、水導擺度。

b.機架和結構振動：含上機架水平振動及垂直振動、定子基座水平振動和垂直振動、下機架水平振動及垂直振動、頂蓋水平振動及垂直振動。

c.壓力及壓力脈動：含蝸殼進口壓力及壓力脈動、導葉出口壓力及壓力脈動、頂蓋下壓力及壓力脈動、尾水管進口壓力及壓力脈動。

2.1.2 定轉子空氣間隙監測

監測內容包括各磁極氣隙、定子圓度、轉子圓度、定轉子相對偏心、最小氣隙、最大氣隙等。

應用于磁極松動檢查、定轉子變形檢查、定轉子移位檢查、磁軛浮動判定、氣隙不均勻量化評價。

2.1.3 定轉子間磁場強度監測

監測內容包括磁極的磁場強度、磁場不均勻度。

應用于磁回路故障判定、匝間短路判定、磁極松動判定、磁軛浮動判定。

2.1.4 機組運行工況參數

監測內容包括機組有功功率、無功功率、機組勵磁電流、電壓、導葉接力器行程、槳葉開度、機組出口斷路器位置信號。

2.2 系統測點選擇

以洪澤湖泵站設備運行狀態監測為例，系統測點及其位置介紹如下。

2.2.1 傳感器/變送器測點

機組振動擺度/壓力監測測點見表1，機組定轉子空氣間隙監測測點見表2，定轉子間磁場強度監測測點見表3。

表1 機組振動擺度/壓力監測測點

表2 機組定轉子空氣間隙監測測點

表3 定轉子間磁場強度監測測點

2.2.2 測點布置圖

測點布置如圖2所示。

圖2 測點布置圖

2.2.3 需要從監控系統或現場儀表輸出的參數

包括油溫、瓦溫、上游水位、下游水位、定子溫度等；這些信號對某些狀態的監測也是至關重要的，這些參數一般情況下由監控系統負責采集，在線監測系統可通過與監控系統的通信獲得這些信息。

3 實驗及結果分析

根據上述研發思路，布置好監測點和傳感器，完成遠程泵站狀態監測系統的設計，并通過一系列的實驗測試了系統的功能性和穩定性。將轉速信號和振動信號分別送入計算機，經過計算機的處理與分析，得到了信號波形圖、頻譜圖、瀑布圖、趨勢圖和軸心軌跡圖，如圖3～圖7所示。

通過圖3～圖7分析研判，可以看到機組在穩定運行。該在線監測系統提供豐富直觀的、可組態的多個監測畫面，從不同的角度，分層次展現機組的狀態信息，滿足了大型泵站狀態監測系統的基本要求。

4 結 論

該泵站機組狀態監測系統對象包括機組的振動、擺度、壓力脈動、能量與效率、發電機氣隙、局部放電、磁通量、線棒振動以及機組各導軸承瓦溫、油溫、定子溫度等參數。泵站機組安全運行監測技術利用監測設備和評估手段，對泵站機組的運行狀態進行監測，實時了解機組的運行參數、當前工作狀況，對機組運行狀態進行評估，并及時發現故障隱患，對異常狀態報警，為機組的故障分析、性能評估、安全工作提供信息和準備基礎數據。

圖3 監控系統的波形圖

圖4 監控系統的頻譜圖

圖5 監控系統的瀑布圖

圖6 監控系統的趨勢圖

圖7 監控系統的軸心軌跡圖