機組狀態在線監測系統現場檢驗技術研究及應用

蔣致樂

（國家能源集團科學技術研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 概述

水輪發電機組狀態在線監測系統是實時在線監視機組各部位運行狀態的監測裝置，廣泛應用于水電企業，其主要的監測數據為機組的轉速、振動、擺度、壓力脈動、噪音、工況參數等，為運維人員及時了解設備的運行狀態，有針對性地維護設備，減少設備的突發性故障和提高設備運行利用率[1]，提供了幫助。除部分工況參數由其他監控設備提供外，其他數據主要由各種不同的傳感器提供，如監測振動的低頻速度傳感器，監測壓力脈動的壓力變送器，監測擺度的電渦流傳感器等。這些傳感器以電流/電壓的模擬量輸入至數據采集單元，通過AD轉換、傅里葉變換等軟硬件處理，最終顯示為機組的穩定性狀態參數。為了保證水電機組安全穩定可靠運行，經常要判斷其運行狀況是否正常，機組哪一部分可能有故障，是否可以繼續運行或者能繼續運行多久，狀態在線監測系統除提供必要的監測數據外，當監測數據超過機組設計值時，通過內置的報警邏輯，還能提供預警信息[2]。

狀態在線監測系統屬于水電站自動化設備，定期對自動化設備實施維護和保養，這樣可以有效預防在實際生產中突然發生意外事故[3]。按照狀態在線監測系統規程的相關要求，需定期對其進行維護和檢修[4]。如前所述，該系統主要由終端的傳感器部分、數據采集單元和軟件組成，其中數據采集單元一般通過屏柜安裝在發電機層，拆卸困難。目前對該系統的檢驗主要集中在傳感器部分，數據采集單元檢驗僅僅是靜態檢驗，檢驗內容見表1，檢驗項目不全，不能真實有效檢驗系統數據的采集和處理功能。某電站新機啟動調試過程中，就出現過3個不同廠家的狀態監測系統數據不一致，且無法自證各自數據是否可靠的情況，給業主判斷機組運行狀態帶來困擾，因此有必要針對該系統的運行特點，開發一種現場檢驗的方法和裝置，以確保其數據的正確性和可靠性。

表1 在線監測系統性試驗

2 現場檢驗方法介紹

狀態在線監測系統的現場檢驗就是采用模擬機組穩定性參數的標準信號，主要對系統的數據采集精度和頻譜分析功能進行檢驗。

狀態在線監測系統主要監測水輪發電機組的運行參數，可供運行單位參考的主要是幅值和頻率（包含振動、脈動、噪音等）、平均值（主要是工況參數）。現場檢驗方法采用動態信號校驗幅值和頻率的分析功能，采用靜態信號校驗平均值的采集精度。

2.1 靜態檢驗

電壓通道檢驗：標準信號器輸出-2～-18 VDC的標準電壓值，與系統采集的電壓值進行對比，計算靜態精度，檢驗電壓值不少于8個。

電流通道檢驗：標準信號器輸出4～20 mA的標準電流值，與系統采集的電流值進行對比，計算靜態精度，檢驗電流值不少于8個。

2.2 動態檢驗

水輪發電機組的狀態參數，除了幅值外，頻率也是重要的參考量，尤其對于故障的分析，頻率分析至關重要。傳感器的信號輸出往往包括幾種不同頻率的特征信號，狀態在線監測系統利用傅里葉變換，將這些信號“分解”為不同頻率、不同幅值的狀態量，提供給用戶進行分析。對于不同廠家的狀態在線監測系統，對這些特征信號的采集、分析和處理也是不同的，動態校驗就是采用標準的信號發生器，產生電流/電壓的正弦波模擬量信號，模擬狀態在線監測系統所用的傳感器的信號輸出，為了解系統對復雜信號的處理方式，用來檢驗的標準信號還包括不同頻率、不同幅值的合成信號。

2.2.1 電壓通道檢驗

（1）采用標準信號器輸出偏值電壓U0為-10 V的正弦波信號，振幅電壓Up-p分別設為0.1 V、0.2 V...1.0 V（間隔步長可根據選用的傳感器類型而定），檢驗該通道的幅值分析功能。

（2）采用經調制的不同頻率和不同振幅電壓Up-p的合成信號，檢驗系統的頻譜分析功能。合成信號的頻率成分至少應包含轉頻、低頻、倍頻的組合，合成信號各分量的Up-p范圍應包含該設備主要的應用區間。

2.2.2 電流通道檢驗

（1）采用標準信號器輸出偏值電流I0在4～20 mA區間的正弦波電流信號，振幅電流Ip-p分別設為1 mA、2 mA...5 mA（間隔步長可根據選用的傳感器類型而定），檢驗該通道的幅值分析功能。

（2）采用經調制的不同頻率和不同振幅電流Ip-p的合成信號，檢驗系統的頻譜分析功能。合成信號的頻率成分至少應包含轉頻、低頻、倍頻的組合，合成信號各分量的Ip-p范圍應包含該設備主要的應用區間。

3 檢驗裝置介紹

結合現場檢驗方法開發的檢驗裝置，主要由信號發生單元、信號調制單元和信號轉換單元3部分組成。信號發生單元采用成熟的函數信號發生器，適應水輪發電機組的頻率特點，并注重信號的低頻特性。信號調制單元主要由運放器、激勵電源組成，可接收3路信號調制單元發送的Up-p、U0信號，經運算放大單元，同相或反相輸出，信號可放大，輸出電壓Uout為輸入電壓的矢量和。因函數信號發生器僅能輸出電壓信號，而狀態在線監測系統電流通道需要Ip-p、I0信號，信號轉換單元是將Up-p、U0轉換為Ip-p、I0的裝置，主要由可調電位器、電源組成。該裝置原理圖如圖1所示。

圖1 水輪發電機組狀態在線監測系統現場檢驗裝置原理圖

4 檢驗實例

某電站位于四川省石棉縣境內，機組額定轉速125 r/min，安裝的狀態在線監測系統主要測點見表2。其中，電壓測點14個，分別采用電渦流傳感器和低頻速度傳感器；電流通道3個，分別采用壓力變送器和監控開出的4～20 mA模擬量；開關量通道1個。

表2 某電站機組狀態在線監測系統測點表

4.1 靜態檢驗

靜態檢驗前，通過通道的參數率定，將通道參數的一次函數斜率設置為1，截距設置為0。電渦流傳感器的輸出電壓為-2～-18 VDC，中值為-10 VDC，以2 V作為電壓間隔進行檢驗；低頻速度傳感器的輸出電壓為-4～-20 VDC，零位值為-12 VDC，也以2 V作為電壓間隔進行檢驗；不管是壓力傳感器，還是監控的開出模擬量，其輸入信號均為4～20 mA的模擬量，以2 mA作為間隔進行檢驗。以上3種測點分別以上導擺度、上機架振動和有功功率為例，檢驗數據見表3。

表3 某電站狀態在線監測系統靜態檢驗數據表

考慮到水輪發電機組狀態工況參數主要用作監視，不參與機組控制，該電站的狀態在線監測系統通道的靜態精度滿足監測需要。

4.2 動態檢驗

根據2.2所述檢驗的方法，先進行電壓通道的動態檢驗，以上導X擺度為例，擺度測量采用電渦流位移傳感器，中值電壓為-10 V，量程為0～2 mm，機組實際運行時上導擺度約為150 μm，主頻為2.08 Hz的轉頻，次頻為2倍頻，由此擬定該通道的動態檢驗方案為：偏值電壓為-10 V，脈動電壓Up-p分別選取-0.5 V、-1.0 V...-3.0 V，頻譜分析功能檢驗的頻率值分別為2 Hz、5 Hz，對應幅值分別為-1.5 V、-1.0 V，檢驗數據見表4和圖2。

圖2 水輪發電機組狀態在線監測系統電壓通道錄波圖（上導擺度）

表4 某電站狀態在線監測系統動態檢驗表（上導擺度）

需要進行電流通道檢驗的主要是壓力脈動測點，以尾水管壓力脈動為例，選取的壓力傳感器量程為0～0.6 MPa，實際運行時，壓力平均值約為0.2 MPa，最大脈動幅值約為0.08 MPa，隨著機組運行工況的變化，主要的頻率分量有轉頻和低頻分量（尾水管低頻渦帶引起），擬定的檢驗方案為：偏值電流為10 mA，Ip-p分別選取0.5 mA、1.0 mA...3.0 mA，頻譜特性檢驗的頻率值分別為2 Hz、0.5 Hz，對應幅值分別為1.0 mA、2.0 mA，檢驗數據見表5。

表5 某狀態在線監測系統動態檢驗表（尾水管壓力脈動）

實際運行過程中，穩態工況下，水輪發電機組穩定性參數有一定的波動，經運行人員反映，振擺幅值波動量在20 μm左右，折算波動電壓值為±0.08 VDC，壓力脈動波動量在10 kPa左右，折算波動電流值為±0.13 mA，從表4和表5可以看出，狀態在線監測系統幅值分析的誤差均較波動量小一個量級，精度滿足監測要求。系統對多幅值、多頻率合成的信號“分解”精度略低于單頻率、單幅值的信號，可能與裝置信號合成的精度有關。

總體而言，通過現場檢驗，該機組狀態在線監測系統數據采集精度和頻譜分析功能滿足監測和分析的要求，軟件的數據處理直觀、清晰，無特殊的數據處理盲區。

5 結語

文章介紹了一種現場檢驗水輪發電機組狀態在線監測系統的方法，彌補了以前僅對傳感器檢驗而未針對系統的不足。該方法創新性提出了采用合成信號，動態檢驗系統的幅頻分析功能，有利于水電站運維人員掌握狀態在線監測系統的特性，提高其數據的可靠性和可分析性。與檢驗方法配套開發的現場檢驗裝置，通過信號的調制和轉換，完全模擬機組穩定性參數的信號特點，為現場檢驗的方法奠定了物質基礎。