水電站自動化元件與狀態監測及故障診斷技術

劉曉明

摘要：在水電站基礎自動化工程中，自動化元件（裝置）與輔機設備自動控制單元的選擇，各元件與控制單元的運動狀態監測，以及元件故障的診斷情況等皆可對其自動化程度產生影響。文中就水電站自動化元件狀態的監測以及相關的故障診斷技術進行分析，以供參考。

關鍵詞：自動化元件;狀態監測;故障診斷

中圖分類號：TV547

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）01-0121-02

0引言

在水電站建設與生產經營活動中，水電站基礎自動化是一項較為系統的、綜合的工程，是水電站能否實現無，人值班的關鍵。自動化元件是機組開機、運行、停機、事故停機、備用、事故報警所使用的一系列自動化元件或裝置。從水輪發電機組的自動化元件組成來看，大致可以分為壓力測量、溫度測量、液位測量、流量測量、轉速測量及過速保護裝置等。

1水電站自動化元件概述

在水電站自動化工程中，壓力是重要的參數之一，而液位、密度等指標的測量也常需要通過壓力的測量實現，因此，與壓力測量相關的自動化元件有著較為重要的意義“。就壓力計的安裝而言，在合理選擇壓力計的型號、量程（根據水輪發電機組的實際需求選擇）的基礎之，上，還應當明確取壓口的位置。一般而言，取壓口的位置應當選擇被監測介質流動的直管道上，并確保開孔位置能夠使壓力信號的走向合理化。此外，為了保證壓力計在自動化作業過程中的正常運行，其所選擇的取壓口應當不存在機械振動等情況，或者相關因素不至于影響壓力計的工作狀態。在現階段的壓力測量中，智能壓力顯示儀是一種較為重要的自動化元件，該元件基于先進的微處理器，完成了壓力、溫度、濕度等多種物理量的監測，在一定程度上實現了智能化控制。

液位測量是測量液體介質在容器中的液面高度的過程，其主要儀表為液位計。實際操作中，考慮到水電站自動化系統的不同需求，液位計的選擇也應當盡可能合理化。按照液位計的工作原理，現階段市售液位計大致可以分為直讀式、電容式、射線式、浮力式、雷達式、超聲波式等。以電容式液位變送器為例，該元件依照電容、電極面積與兩極之間的介電常數相關原理為設計基礎，在測量非導電液體時，通過容器壁形成電容兩極，借此測量出容器中液位的高度;測量導電液體時，探極線與導電液體構成電容兩極，根據電容的改變情況測定液位的改變。

流量測量是水輪發電機組自動化元件中的重要成員，其主要目的是測量明渠或者管道中的流體流量。流量測量的類型相對較多，按照測量原理進行分類，大致可以分為力學儀表、電學儀表、熱學儀表、聲學儀表、原子物理儀表等;按照流量儀表的結構原理分類，大致可以分為容積式流量計、差壓式流量計、沖量式流量計、葉輪式流量計、質量流量計以及電磁流量計等。從流量表的工作狀態來看，儀表自身的可靠性與準確性直接關系到流量測量的精度，因此，在選擇流量儀表時，應當從儀表的性能、流體的特性、儀表的工作環境、安裝的具體條件以及經濟成本等角度入手，盡可能選擇最合理的儀表。

除上述元件外，與溫度測量、位移測量、轉速測量以及過速保護相關的自動化元件，以及其他與自動化相關的元件（軸電流監控裝置、發電機碳刷除塵器、電磁閥、油混水控制器等），也是水電站自動化元件的重要組成部分，但由于篇幅有限，在此不做贅述。

2水輪發電機組狀態在線監測分析技術

在機組運行過程中，采取相應的在線監測技術，能夠及時發現水輪發電機組的狀態異常，進而查找相應的元件故障，避免帶來更為嚴重的后果。尤其是在破壞性事故的預防方面，有效的狀態監測與分析，能夠及時發現缺陷與隱患，進而指導機組的運行控制與維護檢修工作?；诖?，加強水輪發電機組狀態的在線監測，即是新時期水電站自動化的重要要求，又是保障機組安全、經濟運行的必要條件。

回顧在線監測技術的發展歷程，雖然我國在水輪發電機組狀態監測領域的研究起步較晚，但得益于相關產品的快速開發以及政府部門給予的大力支持，水電機組狀態在線監測與分析技術于水力發電事業中快速推廣。加之相關產品的實踐應用經驗為監測技術的改進與產品的后續開發提供的重要參考，國內的在線監測技術發展勢頭良好。從水電機組狀態在線監測系統的構成來看，大致可以分為數據采集站、傳感器、狀態數據服務器、工程師工作站、WEB服務器以及相關的網絡設備、系統軟件等組成部分（見圖1）。其中，傳感器是整個系統的基礎，數據服務器完成各類狀態數據的存儲與管理，數據采集站負責狀態信息的采集、處理與分析，WEB服務器則用于實現系統之間的在線通信。

水輪發電機組狀態監測的目標，是及時發現機組運行存在的缺陷或者隱患，基于此，狀態監測的參數選取應當從狀態監測參量、工況參數、過程量參數等角度考慮。其中，狀態監測產量的獲取較為簡單，只需通過應的自動化元件與現場傳感器/信號器即可獲取;過程量參數的獲取，可借助電站計算機的監控系統獲得，并通過WEB服務器、數據服務器提供的通信支持完成數據的傳輸;而工況參數采集方面，可采用開關量硬接線的方式獲取。在明確監測目標后，就需要著手進行測點的選擇與布置。實際操作中，需要結合相關的標準，配置合理的狀態監測參數。

3水輪發電機組的故障診斷

在完善水輪發電機組的狀態監測技術體系的基礎之上，要保證機組的正常運行，還需要切實可行的故障診斷技術。就現階段的設備故障診斷與檢修管理來看，狀態檢修是一種較為重要的模式，能夠較好的解決傳統檢修模式下，定期檢修帶來的一系列問題（如設備過修等問題）。從狀態檢修的角度考慮，機組的故障診斷應當從構建相應的設備參數平臺、施行系統的狀態監測、完善設備故障診斷技術等角度入手進行深入探討與分析，并結合既往故障診斷、故障檢修獲得的寶貴經驗，參考在線監測系統獲得的狀態數據，對機組的狀態進行正確評估，進而給出符合機組實際工況的故障診斷結果與檢修建議。設備故障的隱蔽性、并發性、復雜性以及不確定性一直是故障診斷的難點，同時也是阻礙故障早期診斷的重要因素。鑒于單一診斷方法的能力有限，近年來，相關研究者從綜合故障診斷技術的應用角度展開了分析，而電氣設備相關的“專家系統”的出現，則為機組的故障診斷提供了重要的工具。一般而言，基于綜合故障診斷模型的“專家系統”，能夠實現在線狀態采集、狀態分析、故障診斷、故障統計以及故障處理等功能于一身的自動化、智能化。因此，下一階段的故障診斷技術研發中，“專家系統”的開發或將扮演重要角色。

4結束語

隨著我國的水力發電事業的快速發展以及電力體制改革的不斷深入，水輪發電機組的實時狀態監測與故障診斷得到了廣泛重視。結合機組的實際情況，選取可行的在線狀態監測系統，并加強各類“專家系統”的研發，能夠為水電站自動化元件的狀態監測與故障排查提供重要的路徑。

參考文獻

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