水電設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)*

謝軍 周誠(chéng) 段美前 俞榮厚

1. 重慶市科源能源技術(shù)發(fā)展有限公司 重慶 401147；

2. 大唐國(guó)際彭水水電開發(fā)有限公司 重慶 409600

引言

水電機(jī)組在電力系統(tǒng)中占有重要的比例，其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。水輪發(fā)電機(jī)是水力發(fā)電最核心的設(shè)備，水輪發(fā)電機(jī)的性能直接影響整個(gè)的發(fā)電效率。在水電機(jī)組中的設(shè)備老化、突發(fā)故障等因素的影響下，若缺少快速、準(zhǔn)確的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警手段，僅靠傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)和判斷不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，監(jiān)測(cè)效果和實(shí)時(shí)性也不足，同時(shí)也難以保證判斷的正確性。因此，為了確保水電機(jī)組設(shè)備的安全運(yùn)行，對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)視，以及對(duì)設(shè)備的故障分析和預(yù)警顯得尤為重要[1]。水電廠已經(jīng)建立了計(jì)算機(jī)監(jiān)控和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，收集了大量設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，具備系統(tǒng)建設(shè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。另一方面，專業(yè)人員在生產(chǎn)過(guò)程中積累了大量的設(shè)備故障判斷分析的理論經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，積累了大量作為設(shè)備故障判斷的模型和案例，為設(shè)備的自動(dòng)告警提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

電力設(shè)備故障檢測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容是故障的推理與診斷，目前設(shè)備故障診斷分析算法主要包括優(yōu)化技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法[2-3]。每種類型算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，采用一種方法解決問題往往兼顧了某一方面卻忽略了其他方面帶來(lái)的新的問題，對(duì)于復(fù)雜的診斷對(duì)象則實(shí)現(xiàn)難度大且效果不好[4-5]。本文以水輪發(fā)電機(jī)組軸承、頂蓋為例，利用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，分析設(shè)備運(yùn)行特征，開發(fā)出軸承漏水、頂蓋漏水、機(jī)組進(jìn)入振動(dòng)區(qū)運(yùn)行等故障算法，完成水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備的故障分析和告警。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)依靠企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，采用瀏覽器服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，將傳感器監(jiān)測(cè)所得的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)地上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能故障診斷，使各職能部門的中、高層技術(shù)和管理人員及時(shí)了解設(shè)備狀況。系統(tǒng)用分層分布式集散型體系結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可分為場(chǎng)站端和數(shù)據(jù)中心服務(wù)端兩部分。場(chǎng)站端作為數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)中心服務(wù)端作為數(shù)據(jù)匯集和應(yīng)用的中心節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集、智能計(jì)算和智能應(yīng)用。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)模塊及功能

系統(tǒng)基于組件化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用快速開發(fā)、“插拔式”部署和統(tǒng)一運(yùn)行管理的應(yīng)用平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)智能故障診斷，數(shù)據(jù)管理等功能。系統(tǒng)各部分的功能模塊如圖2：

圖2 功能模塊圖

數(shù)據(jù)源：數(shù)據(jù)源包括機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)和設(shè)備模型數(shù)據(jù)，機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)各個(gè)數(shù)據(jù)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)具備完備的數(shù)據(jù)采集功能以保證系統(tǒng)能夠全面準(zhǔn)確地記錄機(jī)組運(yùn)行的數(shù)據(jù)，提供事故追憶功能，并保證機(jī)組發(fā)生事故時(shí)能夠提供全面完整的數(shù)據(jù)以供事故分析。

基礎(chǔ)設(shè)施：應(yīng)用硬件資源，主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)分析服務(wù)器、數(shù)據(jù)展示服務(wù)器等，構(gòu)建系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境；數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置用于實(shí)時(shí)采集水電機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的多個(gè)源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；據(jù)采集服務(wù)器，與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置相連，用于存儲(chǔ)多個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置傳輸?shù)脑幢O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，對(duì)來(lái)自不同數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中的源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、清理和維護(hù)，得到目標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；計(jì)算服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)管理服務(wù)器中的目標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)分析和運(yùn)算，得到預(yù)警信息；展示服務(wù)器通過(guò)表格和圖形的方式展示所述目標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和所述預(yù)警信息。

應(yīng)用平臺(tái)：以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工具套件及微服務(wù)管理框架，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析計(jì)算、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問，構(gòu)建出開放的數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)；通過(guò)數(shù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)器和數(shù)據(jù)展示服務(wù)器自動(dòng)管理數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、清理和維護(hù)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用：基于應(yīng)用平臺(tái)開發(fā)的設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警應(yīng)用。通過(guò)交互可視化的數(shù)據(jù)分析與展示平臺(tái)，快速地搭建數(shù)據(jù)指標(biāo)分析儀表板，以表格、趨勢(shì)圖等方式展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)任意信號(hào)設(shè)定閾值，展示包括數(shù)值，報(bào)警狀態(tài)，數(shù)據(jù)屬性等。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

彭水水電站位于烏江干流下游，電站安裝5臺(tái)單機(jī)容量為35萬(wàn)千瓦的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)175萬(wàn)千瓦，多年平均發(fā)電量達(dá)63.51億kW·h，動(dòng)態(tài)總投資121.51億元。采用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，結(jié)合彭水電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，采集了振動(dòng)、溫度、壓力、擺度、氣隙、磁場(chǎng)強(qiáng)度等傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及建模。

圖3 機(jī)組振動(dòng)運(yùn)行趨勢(shì)分析

以機(jī)組進(jìn)入振動(dòng)區(qū)報(bào)警為例：通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)組振動(dòng)與機(jī)組運(yùn)行功率、機(jī)組水頭、上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度值有關(guān)，如圖3機(jī)組振動(dòng)運(yùn)行趨勢(shì)分析。進(jìn)一步綜合機(jī)組歷史數(shù)據(jù)和故障發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)，故障的判斷與運(yùn)行工況值有較大關(guān)系，當(dāng)機(jī)組水頭大于一定值，機(jī)組功率小于一定范圍、機(jī)組擺度值到某些范圍，擺度值個(gè)數(shù)到達(dá)一定個(gè)數(shù)，可確定機(jī)組進(jìn)入振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，以此建立預(yù)警模型，可分析告警。

用同樣的方法，分析設(shè)備的運(yùn)行特征，相繼建立軸承漏水、頂蓋漏水變大等設(shè)備故障模型，可及時(shí)分析和發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。當(dāng)系統(tǒng)分析到設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)界面展示告警狀態(tài)信息，如圖4。

圖4 故障預(yù)警界面

告警發(fā)生后，系統(tǒng)可通過(guò)分析工具進(jìn)一步對(duì)故障進(jìn)行確認(rèn)。同時(shí)，系統(tǒng)以電子郵件、短信、手機(jī)APP等多種方式推送信息，及時(shí)通知相關(guān)責(zé)任人，及時(shí)消除故障隱患，避免因故障擴(kuò)大及機(jī)組非停帶來(lái)的重大經(jīng)濟(jì)損失。

3 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際工作過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)加工，提煉，轉(zhuǎn)化成自動(dòng)化的工具，通過(guò)實(shí)時(shí)采集水電機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的多個(gè)源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)來(lái)自不同數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中的源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、清理和維護(hù)，得到目標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；利用數(shù)據(jù)挖掘等方法進(jìn)行業(yè)務(wù)分析和運(yùn)算，將預(yù)警結(jié)果及時(shí)通知設(shè)備管理及維護(hù)人員，設(shè)備在發(fā)生故障時(shí)能得到及時(shí)的提示，有效解決了水電機(jī)組設(shè)備實(shí)時(shí)故障判斷和預(yù)警問題。設(shè)備故障的發(fā)生是多方面因素綜合反應(yīng)，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)作了初步的嘗試，后續(xù)將對(duì)設(shè)備故障預(yù)警進(jìn)行進(jìn)一步研究，解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際問題。