基于生產(chǎn)實(shí)時大數(shù)據(jù)的抽水蓄能機(jī)組穩(wěn)定性研究與應(yīng)用

李國和，孫 勇，王 磊，魏 敏

（國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100023）

0 引言

根據(jù)前期對10家抽水蓄能電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行專題分析，對各電站運(yùn)行情況有了較深入的了解。各運(yùn)行電站機(jī)組振擺不僅存在共性特征，如多數(shù)機(jī)組在國家標(biāo)準(zhǔn)下長期穩(wěn)定運(yùn)行、具有相同影響因素等，而且個性化特征也較為突出。其中，瑯琊山機(jī)組振擺和波動區(qū)間均較小，無超出國家標(biāo)準(zhǔn)情況，隨時間變化運(yùn)行平穩(wěn)無突變狀況發(fā)生，整體運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)秀；桐柏、天荒坪、白蓮河、泰山電站機(jī)組振擺和波動區(qū)間相對較小，但偶有超出國家標(biāo)準(zhǔn)情況，隨時間變化運(yùn)行偶有突變情況發(fā)生，整體運(yùn)行狀態(tài)良好；回龍、張河灣、西龍池、蒲石河、宜興電站機(jī)組振擺和波動區(qū)間較大且超出國家標(biāo)準(zhǔn)情況時有發(fā)生，隨時間變化突變情況也相對較多，整體運(yùn)行狀態(tài)需要關(guān)注。

而且，基于10家抽蓄電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組振擺主要表現(xiàn)在空間和時間兩個維度上，空間維度主要聚焦于振擺的大小，時間維度主要聚焦于振擺的規(guī)律。為此，本文利用箱線圖和趨勢擬合法，分別從空間和時間維度對國網(wǎng)新源控股有限公司10家抽蓄電站40臺機(jī)組的振擺數(shù)據(jù)特征規(guī)律進(jìn)行深度探索。

1 機(jī)組振擺數(shù)據(jù)特征分析

1.1 空間維度振擺數(shù)據(jù)特征

1.1.1 機(jī)組振動數(shù)據(jù)特征

從機(jī)架振動的空間分布上看，主要特征為各運(yùn)行電站機(jī)組機(jī)架振動差異較大，同一電站各運(yùn)行機(jī)組機(jī)架振動差異也相對較大，而且各電站間機(jī)組機(jī)架振動范圍各不相同。機(jī)組機(jī)架振動個性特征明顯[1]。

抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電（額定負(fù)荷）和抽水兩種工況下，振動數(shù)據(jù)特征空間分布如圖1所示，由于宜興、桐柏、瑯琊山、泰山、白蓮河電站機(jī)組振動數(shù)據(jù)為速度型測點(diǎn)，單位為mm/s。回龍、蒲石河、天荒坪、西龍池、張河灣電站機(jī)組振動數(shù)據(jù)為位移型測點(diǎn)，單位為μm。所以針對不同振動單位，分別比較。

從圖1可以看出，發(fā)電（額定負(fù)荷）和抽水工況下，機(jī)架振動特征表現(xiàn)基本保持一致。綜合振動數(shù)據(jù)特征情況和超出國家標(biāo)準(zhǔn)情況：回龍、張河灣電站機(jī)組機(jī)架振動值很大，且大幅超出國家標(biāo)準(zhǔn)；蒲石河和西龍池電站機(jī)組機(jī)架振動值也相對較大，且存在超出國家標(biāo)準(zhǔn)的情況；天荒坪、宜興、桐柏、瑯琊山電站機(jī)架振動值均很小，沒有超出國家標(biāo)準(zhǔn)的情況發(fā)生。在機(jī)組層面，回龍1、2號機(jī)組、張河灣2、3號機(jī)組機(jī)架振動值偏大，而瑯琊山電站4臺機(jī)組機(jī)架振動值很小。

1.1.2 機(jī)組擺度數(shù)據(jù)特征

從導(dǎo)軸承擺度數(shù)據(jù)特征空間分布上看，其主要特征與機(jī)架振動相同[2]（見表1），也表現(xiàn)為各運(yùn)行電站機(jī)組擺度差異較大，同一電站各運(yùn)行機(jī)組擺度差異也相對較大的同時，各電站間機(jī)組擺度范圍各不相同。機(jī)組導(dǎo)軸承擺度個性特征同樣明顯（見表2）。

圖1 各工況下40臺機(jī)組振動數(shù)據(jù)區(qū)間分布Figure 1 Vibration data interval distribution of 40 units under various working conditions

表1 機(jī)組機(jī)架振動區(qū)間中位數(shù)超出國家標(biāo)準(zhǔn)情況統(tǒng)計Table 1 Statistics of the median vibration range of unit frame exceeding the national standard

從圖2可以看出，發(fā)電（額定負(fù)荷）和抽水工況下，導(dǎo)軸承擺度特征表現(xiàn)基本保持一致。綜合擺度數(shù)據(jù)特征情況和超出國家標(biāo)準(zhǔn)情況：回龍、蒲石河電站機(jī)組導(dǎo)軸承擺度值均很大，且大幅超出國家標(biāo)準(zhǔn)（見表3）；宜興和西龍池電站導(dǎo)軸承擺度值也相對較大，且存在超出國家標(biāo)準(zhǔn)的情況[3]；瑯琊山、泰山、白蓮河電站導(dǎo)軸承擺度值均很小，沒有超出國家標(biāo)準(zhǔn)的情況發(fā)生。在機(jī)組層面，回龍1、2號機(jī)組、宜興2號機(jī)組、西龍池2號機(jī)組導(dǎo)軸承擺度均偏大，而瑯琊山電站4臺機(jī)組導(dǎo)軸承擺度均很小。

表2 機(jī)組導(dǎo)軸承擺度區(qū)間中位數(shù)超出國家標(biāo)準(zhǔn)情況統(tǒng)計Table 2 Statistics of unit guide bearing swing interval median exceeding national standard

圖2 各工況下40臺機(jī)組擺度數(shù)據(jù)區(qū)間分布Figure 2 Swing data interval distribution of 40 units under various working conditions

表3 蒲石河發(fā)電（額定負(fù)荷）工況導(dǎo)軸承擺度預(yù)警值示意Table 3 Early warning value of guide bearing swing under power generation （rated load） condition of pushihe

1.1.3 機(jī)組振擺故障特征

篩選由振擺異常引起、并且具備數(shù)據(jù)支撐分析的9次嚴(yán)重、危急缺陷，根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘分析得出，此類缺陷發(fā)生前是缺陷發(fā)生前機(jī)組多數(shù)部位振擺陸續(xù)突增[4]，以瑯琊山電站3號機(jī)組2016年4月18日發(fā)電過程中缺陷振擺特征為例，如圖3所示。

1.1.4 基于振擺大小的預(yù)警值分析

根據(jù)振擺空間大小的分析結(jié)果，不同機(jī)組振擺歷史運(yùn)行范圍存在明顯差異，有著不同的個性化的運(yùn)行特性[5]。而機(jī)組運(yùn)行超出自身運(yùn)行特性，即可能進(jìn)入異常運(yùn)行狀態(tài)。為了機(jī)組長期可靠安全的運(yùn)行，充分考慮機(jī)組運(yùn)行的個性化特性，及時掌握機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)機(jī)組長時間運(yùn)行在非振擺歷史區(qū)間或國家標(biāo)準(zhǔn)非安全區(qū)域引起的異常狀態(tài)征兆，避免嚴(yán)重事故發(fā)生，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此開展預(yù)警值探索性分析研究。

依據(jù)規(guī)程，評定各種機(jī)器振動烈度有兩個評定準(zhǔn)則的一般描述。一是考慮振動幅值（大小），不能超出國家標(biāo)準(zhǔn)（A-B區(qū)上限值）的1.25倍；二是考慮振動幅值（大小）的變化，不管是增加還是減少，明顯變化時可能指示事故已發(fā)生或預(yù)示即將發(fā)生的事故或其他不規(guī)則事故，而且當(dāng)幅值（大小）的變化超過國家標(biāo)準(zhǔn)（A-B區(qū)上限值）的25%時，這樣的變化被認(rèn)為是明顯的[6]。

圖3 振擺類缺陷發(fā)生時振擺變化情況Figure 3 Shimmy changes when shimmy defects occur

預(yù)警值對不同的機(jī)器可以有很大的變化，通常是相對于基線值來設(shè)定預(yù)警值[7]。以各機(jī)組各部位2011—2016年振擺數(shù)據(jù)的分布區(qū)間上限作為基線值，超出國家標(biāo)準(zhǔn)（A-B區(qū)上限值），預(yù)警基線值修正為A-B區(qū)上限值。

考慮振動幅值（大小）見式（1）：

考慮振動幅值（大小）變化見式（2）：

1.2 時間維度振擺數(shù)據(jù)特征

1.2.1 機(jī)組振擺數(shù)據(jù)特征

從機(jī)組振擺隨時間維度的變化特征上來看，主要存在年內(nèi)呈季節(jié)性變化；年間呈一定范圍內(nèi)規(guī)律波動；懸式機(jī)組較半傘式機(jī)組季節(jié)性變化更為明顯的特征[8]（見表4）。

一是機(jī)組振擺年內(nèi)呈季節(jié)性變化。季節(jié)性變化機(jī)組總占比達(dá)70%，懸式機(jī)組較半傘式機(jī)組季節(jié)性變化更為明顯。在發(fā)電（額定負(fù)荷）工況下，天荒坪、宜興、回龍電站12臺懸式機(jī)組中有10臺機(jī)組振擺年內(nèi)呈季節(jié)性變化特征，占比83%。桐柏、瑯琊山、西龍池、張河灣、泰山、蒲石河、白蓮河電站28臺半傘式機(jī)組中有18臺機(jī)組振擺年內(nèi)呈季節(jié)性變化特征，占比64%。導(dǎo)軸承擺度年內(nèi)季節(jié)變化規(guī)律是1、2、3月擺度較小，7、8、9月擺度較大。抽水工況下振擺季節(jié)性變化特征與發(fā)電（額定負(fù)荷）基本一致[8]（見圖4）。

二是機(jī)組振擺年間呈現(xiàn)在一定范圍內(nèi)規(guī)律波動。分析的40臺機(jī)組中，發(fā)電（額定負(fù)荷）工況下，約69%的機(jī)組測點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動，在抽水工況下，約66%的機(jī)組測點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動。此外，半傘式機(jī)組測點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動的特征占比更大。在發(fā)電（額定負(fù)荷）工況下，天荒坪、宜興、回龍電站等懸式機(jī)組中，約55%的機(jī)組測點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動；桐柏、瑯琊山、西龍池、張河灣、泰山、蒲石河、白蓮河電站等半傘式機(jī)組中，約76%的機(jī)組測點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動[9]（見圖5）。抽水工況下機(jī)組測點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動的特征與發(fā)電（額定負(fù)荷）基本一致，如圖6所示。

1.2.2 機(jī)組振擺突變情況分析

從機(jī)組振擺在時間維度上的突變情況上來看，天荒坪4～6號機(jī)組、宜興1～2、4號機(jī)組、西龍池2號機(jī)組、張河灣1～4號機(jī)組、泰山2～3號機(jī)組、蒲石河2～3號機(jī)組、回龍1～2號機(jī)組機(jī)架振動或?qū)лS承擺度存在某個時間突然變化的特征，而且機(jī)架振動較導(dǎo)軸承擺度的突變特征更為突出。瑯琊山和桐柏電站是最平穩(wěn)的，波動最小更沒有突變情況發(fā)生，運(yùn)行最優(yōu)（見圖7～圖9）。

2 機(jī)組振擺綜合評分

機(jī)組振擺突出表現(xiàn)為兩個方向的特征，一個是空間維度，主要體現(xiàn)為振擺的大小；另一個是時間維度，主要體現(xiàn)為振擺的變幅。為了綜合比較公司各電站在空間、時間維度上的變幅，就需要一把統(tǒng)一的尺子加以衡量，以確立評價比較的準(zhǔn)確性和權(quán)威性。為此，本文借助大數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)算法，引入了機(jī)組振擺綜合評分法的概念[10]。

2.1 機(jī)組振擺綜合評分法

首先，為了去除振動和擺度數(shù)據(jù)單位或量級限制，選取離差標(biāo)準(zhǔn)化算法對振擺原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將其轉(zhuǎn)化為無量綱量的純數(shù)值，使結(jié)果落到[0，1]區(qū)間上，便于不同單位或量級的指標(biāo)進(jìn)行比較和加權(quán)；而且為了消除各電站機(jī)組之間量級的差異性以及最大程度上保證分析結(jié)論的準(zhǔn)確性和權(quán)威性，離差標(biāo)準(zhǔn)化的分母使用的是各電站國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定振擺的最大值。具體計算公式如式（3）所示。

然后，選取等距映射（ISOMAP）算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行空間維度上的映射，使含有空間大小和隨時間變化特性的二維振擺數(shù)據(jù)降維為一維數(shù)據(jù)，此算法能夠很好地保留數(shù)據(jù)的全局幾何信息。在MDS理論框架上保持點(diǎn)與點(diǎn)之間的最短距離見式（4）。

式中dG——點(diǎn)與點(diǎn)之間的測地距離；

xbi——高維的點(diǎn)；

ybi——低維的點(diǎn)。

轉(zhuǎn)化為最小誤差函數(shù)見式（5）：

最后，綜合考慮振擺數(shù)據(jù)在空間中的大小和振幅情況，選取中位數(shù)、50%集中分布區(qū)間和95%集中分布區(qū)間三個角度進(jìn)行評價，由點(diǎn)到面，全面展示數(shù)據(jù)的整體信息，進(jìn)行準(zhǔn)確評價。

上述百分位公式中，b表示百分位，Lb、i、fb分別為該百分位所在組段的下限，組距和頻數(shù)，F(xiàn)b為小于該百分位的各組段累計頻數(shù)。則中位數(shù)等三個特征值的計算公式見式（7）～式（9）：

表4 機(jī)組振擺在時間維度上的突變情況統(tǒng)計Table 4 Statistics of the sudden change of unit swing in time dimension

圖4 懸式機(jī)組導(dǎo)軸承擺度隨時間年內(nèi)季節(jié)性變化規(guī)律示意圖Figure 4 Schematic diagram of seasonal variation of swing of guide bearing of suspension unit with time

圖5 半傘式機(jī)組導(dǎo)軸承擺度隨時間年內(nèi)季節(jié)性變化規(guī)律示意圖Figure 5 Schematic diagram of the seasonal variation of the swing of the guide bearing of the semi umbrella unit with the time

圖6 懸式機(jī)組導(dǎo)軸承擺度隨時間年間變化規(guī)律示意圖Figure 6 Schematic diagram of swing of guide bearing of suspension unit changing with time

圖7 半傘式機(jī)組導(dǎo)軸承擺度隨時間年間變化規(guī)律示意圖Figure 7 Schematic diagram of the variation of the swing of the guide bearing of the semi umbrella unit with time

圖8 蒲石河電站機(jī)組機(jī)架振動突變情況示意圖Figure 8 Schematic diagram of sudden change of unit frame vibration of pushihe hydropower station

圖9 天荒坪電站機(jī)組導(dǎo)軸承擺度突變情況示意圖Figure 9 Schematic diagram of sudden change in swing of guide bearing of tianhuangping power station unit

且由于大小和幅值的重要性是相等的，將三個層面得到的評分求平均值，最終得到綜合評分。分值越高表示振擺的波動程度越劇烈，運(yùn)行效果越差。

2.2 振擺綜合評分法得出的主要結(jié)論

機(jī)組振擺綜合評分，從電站層面看，宜興電站評分最大、回龍次之，瑯琊山電站最小，桐柏電站也較小；從機(jī)組層面面看，宜興1、2、4號機(jī)組、回龍1號機(jī)組、西龍池2、4號機(jī)組、張河灣3號機(jī)組評分偏大；從機(jī)組型式看，立軸半傘式機(jī)組評分小于懸式機(jī)組（見圖10）。

圖10 40臺機(jī)組振擺綜合評分Figure 10 Comprehensive score of shimmy of 40 units analyzed

2.2.1 機(jī)組層面綜合評分

從分析的40臺機(jī)組看，機(jī)組綜合評分從小到大前五位的機(jī)組分別為：瑯琊山2號機(jī)組0.31、瑯琊山4號機(jī)組0.31、瑯琊山3號機(jī)組0.36、瑯琊山1號機(jī)組0.37、桐柏1號機(jī)組0.52。機(jī)組綜合評分從大到小后五位的機(jī)組分別為：宜興2號機(jī)組1.36、宜興4號機(jī)組1.33、宜興1號機(jī)組1.32、回龍1號機(jī)組1.28、西龍池2號機(jī)組1.25。

發(fā)電（額定負(fù)荷）工況下，機(jī)組評分從小到大前五位的機(jī)組分別為：瑯琊山2號機(jī)組0.32、瑯琊山4號機(jī)組0.34、瑯琊山3號機(jī)組0.35、瑯琊山1號機(jī)組0.35、天荒坪5號機(jī)組0.45。機(jī)組評分從大到小后五位的機(jī)組分別為：宜興2號機(jī)組1.38、西龍池2號機(jī)組1.36、宜興4號機(jī)組1.31、宜興1號機(jī)組1.30、西龍池4號機(jī)組1.27。

抽水工況下，機(jī)組評分從小到大前五位的機(jī)組分別為：瑯琊山4號機(jī)組0.28、瑯琊山2號機(jī)組0.30、瑯琊山3號機(jī)組0.37、瑯琊山1號機(jī)組0.38、桐柏1號機(jī)組0.48。機(jī)組評分從大到小后五位的機(jī)組分別為：回龍1號機(jī)組1.44、宜興4號機(jī)組1.34、宜興1號機(jī)組1.34、宜興2號機(jī)組1.33、張河灣3號機(jī)組1.29。

2.2.2 機(jī)組型式層面綜合評分

從機(jī)組的型式看，立軸半傘式機(jī)組綜合評分為0.76，懸式機(jī)組綜合評分為1.01，立軸半傘式機(jī)組評分小于懸式機(jī)組。

發(fā)電（額定負(fù)荷）工況下，立軸半傘式機(jī)組綜合評分為0.83，懸式機(jī)組綜合評分為0.99；抽水工況下，立軸半傘式機(jī)組綜合評分為0.70，懸式機(jī)組綜合評分為1.04，如圖11所示。

圖11 不同機(jī)組型式機(jī)組振擺綜合評分Figure 11 Comprehensive score of shimmy for different unit types

宏觀來看，抽水蓄能立軸半傘式機(jī)組的振擺評價要明顯優(yōu)于立軸懸式機(jī)組。

3 結(jié)束語

目前，根據(jù)2011—2016年關(guān)于機(jī)組振動的實(shí)時數(shù)據(jù)分析情況看，國網(wǎng)新源控股有限公司所屬抽水蓄能電站主要呈現(xiàn)以下幾個明顯的特征。

一是在空間維度上從振擺大小看，主要特征為各運(yùn)行電站機(jī)組機(jī)架振擺大小差異較大，同一電站各運(yùn)行機(jī)組機(jī)架振動差異也相對較大。電站層面，回龍、蒲石河、西龍池機(jī)架振動和導(dǎo)軸承擺度均很大，且大多數(shù)超出國家標(biāo)準(zhǔn)；張河灣電站機(jī)架振動很大，但導(dǎo)軸承擺度并不突出；宜興電站機(jī)架振動并不突出，導(dǎo)軸承擺度則很大；瑯琊山電站機(jī)架振動和導(dǎo)軸承擺度均很小。在機(jī)組層面，回龍1、2號機(jī)組、張河灣2、3號機(jī)組機(jī)架振動和導(dǎo)軸承擺度均偏大，而瑯琊山電站4臺機(jī)組機(jī)架振動和導(dǎo)軸承擺度則均很小。電站個性特征來看，個別電站或振擺存在突變情況，如泰山2號機(jī)組機(jī)架在2015年中的突然增大，或長期高位運(yùn)行，如回龍。而由振擺異常引起的缺陷，有缺陷發(fā)生前機(jī)組多數(shù)部位振擺陸續(xù)突增，在前三天左右，機(jī)組個別部位振擺出現(xiàn)持續(xù)增大趨勢，機(jī)組振擺運(yùn)行在較長一段時間內(nèi)超標(biāo)逐漸增多的特征。

二是在時間維度上從振擺規(guī)律上看，主要特征是機(jī)組振擺大小年內(nèi)呈季節(jié)性變化浮動，年間呈一定范圍內(nèi)規(guī)律波動。一般來講，機(jī)組振擺在1、2、3月擺度較小，7、8、9月擺度較大。

三是為了綜合比較振擺大小，我們設(shè)定了機(jī)組振擺綜合評分公式，從綜合評分的結(jié)果上看，各家差異較大，瑯琊山、桐柏表現(xiàn)較好，張河灣、西龍池、回龍、宜興表現(xiàn)不佳。立軸半傘式機(jī)組的振擺評價要明顯優(yōu)于立軸懸式機(jī)組。