機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)在永泰抽水蓄能電站的應(yīng)用

福建永泰閩投抽水蓄能有限公司 楊文平

隨著科學(xué)技術(shù)與水電事業(yè)的快速發(fā)展，抽水蓄能發(fā)電技術(shù)得到迅猛發(fā)展。抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中具有削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、啟動(dòng)迅速、運(yùn)行靈活、可靠等特點(diǎn)，所承擔(dān)的機(jī)組任務(wù)較多，在電力系統(tǒng)中所做出的貢獻(xiàn)也越來(lái)越大[1]。為增加機(jī)組正常運(yùn)行和減少設(shè)備檢修的時(shí)間，當(dāng)前國(guó)內(nèi)大中型水電站正朝向“無(wú)人值守”或“少人值守”，設(shè)備實(shí)現(xiàn)從“定期檢修”到“預(yù)防性檢修”的方向發(fā)展。因此，在抽水蓄能電站建立一套能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組的振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)以及發(fā)電電動(dòng)機(jī)空氣間隙、局部放電等參數(shù)的監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，對(duì)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行和預(yù)防性檢修是具有重要指導(dǎo)作用的。

1 系統(tǒng)組成

永泰抽水蓄能電站機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要組成設(shè)備有傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、系統(tǒng)軟件等。系統(tǒng)構(gòu)成主要分為三層：現(xiàn)地層。數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)采集保護(hù)單元等；電站層。數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等；集控層。前端設(shè)備、監(jiān)控平臺(tái)、監(jiān)控客戶端、網(wǎng)絡(luò)傳輸、監(jiān)控中心等部分組成。

系統(tǒng)中4臺(tái)機(jī)組各自配備了數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集站主要有振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)采集箱VRS8000V、發(fā)電電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通局放數(shù)據(jù)采集箱VRS8000G、機(jī)組振擺保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置PMS-300以及傳感器電源等輔助設(shè)備。傳感器將物理信號(hào)（如振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)、工況參數(shù)等）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，上傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征量提取，將能夠反映機(jī)組運(yùn)行的特征參數(shù)、曲線和圖表，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（TCP/IP協(xié)議）存放至狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器中。

關(guān)于數(shù)據(jù)的分析、管理和存儲(chǔ)，狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器承擔(dān)主要作用。不僅能夠?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和存儲(chǔ)，而且還能對(duì)不同特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和診斷，同時(shí)承擔(dān)了電站W(wǎng)eb服務(wù)器與歷史/準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)Ⅱ區(qū)接口機(jī)（數(shù)據(jù)最終發(fā)送至設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)中心）的數(shù)據(jù)通信。

Web服務(wù)器的主要作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與電站生產(chǎn)管理系統(tǒng)的通信，便于運(yùn)行人員的數(shù)據(jù)瀏覽與查詢。為保證數(shù)據(jù)的安全傳輸，在Web服務(wù)器與電站生產(chǎn)管理系統(tǒng)間增設(shè)了網(wǎng)絡(luò)單向隔離裝置。同時(shí)Web服務(wù)器還能與500kV主變壓器在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、GIS（Gas Insulated Substation）氣體絕緣變電站的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備以及500kV電纜在線監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，滿足500kV主變壓器在線監(jiān)測(cè)設(shè)備以DL/T860通信協(xié)議與機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

工程師工作站負(fù)責(zé)發(fā)布狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器中的各種數(shù)據(jù)及分析診斷結(jié)果，并供現(xiàn)場(chǎng)工程師監(jiān)測(cè)和分析機(jī)組的有關(guān)信息；機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能通過(guò)Web服務(wù)器和電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)建立與機(jī)組遠(yuǎn)程診斷中心的通信連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析診斷功能。

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇

水力機(jī)組結(jié)構(gòu)主要由機(jī)械、水力和電氣三大部分組成，機(jī)械監(jiān)測(cè)部分主要是對(duì)機(jī)組機(jī)械設(shè)備的水平、垂直振動(dòng)與擺度監(jiān)測(cè)，水力監(jiān)測(cè)部分主要是對(duì)機(jī)組設(shè)備所受水力影響的脈動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)，而電氣監(jiān)測(cè)部分主要對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的電氣信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。其監(jiān)測(cè)點(diǎn)展示如圖1。對(duì)于每部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇各不相同，從以下三個(gè)方面對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行選擇：振動(dòng)、擺度監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)有發(fā)電機(jī)上機(jī)架與下機(jī)架的X、Y、Z向振動(dòng)、水輪機(jī)頂蓋與定子機(jī)座的X、Y、Z向振動(dòng)、發(fā)電機(jī)上、下、水導(dǎo)軸承的X、Y向擺度、發(fā)電機(jī)定子鐵芯振動(dòng)等；水力監(jiān)測(cè)。主要參量為壓力脈動(dòng)，其測(cè)點(diǎn)位置主要有尾水管進(jìn)口、蝸殼進(jìn)口、尾水管肘管、導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口間等；電氣監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要有發(fā)電電動(dòng)機(jī)的局部放電、GIS、電纜、主變壓器等。

圖1 機(jī)組測(cè)點(diǎn)分布圖

2.2 傳感器的選擇

表1 各臺(tái)機(jī)組測(cè)點(diǎn)傳感器配置表

2.3 信號(hào)監(jiān)測(cè)

傳感器將采集信號(hào)上傳至各個(gè)子系統(tǒng)中，在子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以此提取出各測(cè)量點(diǎn)的特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，由VRS8000監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)展示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工況遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。分別從機(jī)械、水力、電氣三個(gè)方面展示其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

機(jī)械監(jiān)測(cè)。主要包含了機(jī)組的擺度、振動(dòng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，由圖2中可看出上、下與水導(dǎo)的X、Y軸擺度以及機(jī)架、頂蓋X、Y、Z向的振動(dòng)情況，在監(jiān)測(cè)界面設(shè)置了各參量的報(bào)警指示燈，當(dāng)實(shí)時(shí)值超出設(shè)定預(yù)警值時(shí)，將發(fā)出報(bào)警信號(hào)提示運(yùn)行人員；水力監(jiān)測(cè)。其脈動(dòng)壓力信號(hào)測(cè)點(diǎn)主要有轉(zhuǎn)輪與頂蓋間、尾水管進(jìn)口、導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口、尾水管肘管、蝸殼進(jìn)口、轉(zhuǎn)輪與底環(huán)/泄流環(huán)間等（圖3）；電氣監(jiān)測(cè)。主要有發(fā)電電動(dòng)機(jī)的局部放電、GIS、電纜與主變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖2 機(jī)械參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

圖3 水力參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)所采用的是VRS8000系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析軟件VRS8000V/G-M，該軟件包含了整個(gè)系統(tǒng)的所有監(jiān)測(cè)、分析與診斷功能。機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的功能主要是保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行以及指導(dǎo)預(yù)防性檢修機(jī)組設(shè)備。除系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能的應(yīng)用，其余功能主要從五方面進(jìn)行描述。

數(shù)據(jù)分析。該功能主要是將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)相關(guān)分析算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以曲線與圖表的方式進(jìn)行展示，將機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)的展現(xiàn)出來(lái)[3]，以幫助運(yùn)行人員分析機(jī)組的運(yùn)行狀況以及發(fā)現(xiàn)故障。在永泰抽水蓄能機(jī)組的數(shù)據(jù)分析方法主要有：時(shí)域信號(hào)、功率譜、軸心軌跡圖、極坐標(biāo)圖分析、多軸心軌跡圖、空間軸線、瀑布圖分析、級(jí)聯(lián)圖分析、時(shí)間趨勢(shì)圖分析等，諸類分析方法用于機(jī)組運(yùn)行在暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)與過(guò)渡過(guò)程的狀態(tài)分析（圖4）。

圖4 數(shù)據(jù)分析展示圖

故障報(bào)警。在檢測(cè)信號(hào)超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警提示，預(yù)設(shè)值的選取與機(jī)組工況相關(guān)。報(bào)警功能根據(jù)發(fā)電耗能、抽水蓄能等實(shí)時(shí)工況將機(jī)組不同運(yùn)行狀態(tài)的負(fù)荷、水頭以及導(dǎo)葉開(kāi)度等分為不同工況，分別設(shè)定獨(dú)立的報(bào)警值，將機(jī)組的報(bào)警信號(hào)準(zhǔn)確反應(yīng)出來(lái)[4]。并且對(duì)外輸出無(wú)源硬接點(diǎn)報(bào)警信號(hào)以方便提示運(yùn)行人員。

智能診斷。針對(duì)于水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)的故障工況，該系統(tǒng)提供了可進(jìn)行自動(dòng)分析診斷的專家系統(tǒng)，專門用于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的在線智能診斷。故障診斷系統(tǒng)的組成有故障參數(shù)量化分析功能、報(bào)警預(yù)警平臺(tái)、自動(dòng)診斷知識(shí)庫(kù)、在線自動(dòng)診斷程序、分析診斷工具和診斷規(guī)程等。首先在報(bào)警平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)變化的在線自動(dòng)捕獲，并將在線自動(dòng)診斷程序進(jìn)行觸發(fā)；然后通過(guò)自診斷程序能夠自動(dòng)提取故障診斷專家?guī)欤詈蟾鶕?jù)自動(dòng)診斷知識(shí)庫(kù)的診斷規(guī)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷，并自動(dòng)生成診斷報(bào)告[5]。

數(shù)據(jù)管理。機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)于機(jī)組運(yùn)行、狀態(tài)分析和故障診斷是極為重要的，因此建立良好的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)有益于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。永泰抽水蓄能監(jiān)測(cè)分析與故障診斷的數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷存儲(chǔ)，同時(shí)最大限度的存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)4年。對(duì)超過(guò)4年的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可提供數(shù)據(jù)備份軟件進(jìn)行自動(dòng)和人工備份，系統(tǒng)存儲(chǔ)量可根據(jù)硬盤容量進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)提供了黑匣子記錄功能與機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保留[6]。

狀態(tài)報(bào)告與事故追憶。運(yùn)行人員可通過(guò)該系統(tǒng)的狀態(tài)報(bào)告及時(shí)、準(zhǔn)確的了解機(jī)組的運(yùn)行工況，并能作出快速、正確的操作指令。永泰抽水蓄能電站所采用的VRS8000機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持狀態(tài)報(bào)告的自動(dòng)制作與生成。狀態(tài)報(bào)告主要反映了機(jī)組的動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性與機(jī)組設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，增加運(yùn)行人員的快速?zèng)Q策的效能，減少繁雜的狀態(tài)檢查和指令操作。系統(tǒng)的事故追憶功能主要是利用故障錄波儀的故障錄波文件，將文件解析后得到故障數(shù)據(jù)。通過(guò)VRS8000狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所錄制的事故數(shù)據(jù)，可將其數(shù)據(jù)用于事后分析其發(fā)生原因，避免事故的再次發(fā)生，該功能對(duì)于事故可靠預(yù)防有重要作用。其中所有的自動(dòng)錄波和手動(dòng)錄波都滿足高密度數(shù)據(jù)采集要求。

其他功能。除上述功能外，永泰機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析故障診斷系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)通信功能、北斗對(duì)時(shí)功能等。在系統(tǒng)中的功能實(shí)現(xiàn)是基于各部分子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和軟件實(shí)現(xiàn)，區(qū)別在于硬件結(jié)構(gòu)與軟件算法的不同。數(shù)據(jù)通信功能具備數(shù)據(jù)服務(wù)器與電站管理信息系統(tǒng)單向通信與將機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)量到的機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至電站生產(chǎn)管理系統(tǒng)，不僅提高了電站的數(shù)據(jù)信息管理能力，而且還滿足了電站生產(chǎn)管理系統(tǒng)對(duì)通信接口的軟件和硬件要求；系統(tǒng)的北斗對(duì)時(shí)功能是針對(duì)電站內(nèi)所有設(shè)備均采用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘。可與監(jiān)控系統(tǒng)合用北斗衛(wèi)星接收系統(tǒng)，具備串口、NTP等對(duì)時(shí)方式，狀態(tài)監(jiān)測(cè)子站間地對(duì)時(shí)誤差≤1ms。

綜上，當(dāng)前我國(guó)水電機(jī)組傾向于大容量、高水頭的發(fā)展，使得電力系統(tǒng)綜合控制也愈加復(fù)雜。同時(shí)抽水蓄能電站機(jī)組正由傳統(tǒng)的計(jì)劃?rùn)z修、定期維護(hù)的運(yùn)維方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)防性維修，為抽水蓄能電站建立一套狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析故障診斷系統(tǒng)已成為水利行業(yè)的發(fā)展所需，其極大地降低了機(jī)組的運(yùn)維成本，提高了電站的自動(dòng)化管理水平。