基于GPS 的水電站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障檢修方法

彭永強(qiáng)

（金安橋水電站有限公司，云南麗江 674100）

0 引言

隨著水電站規(guī)模的不斷增大，水電站機(jī)電設(shè)備組件的構(gòu)成復(fù)雜性增加，設(shè)備故障類型也越來越多，對(duì)故障區(qū)域識(shí)別的難度也越來越大，這就需要建立更好的故障識(shí)別技術(shù)。為了達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別的目的，需要構(gòu)建出優(yōu)化的機(jī)電設(shè)備故障高精度定位模型，并結(jié)合智能故障診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的高效檢修。機(jī)電系統(tǒng)作為電氣工程項(xiàng)目的重要內(nèi)容，在系統(tǒng)調(diào)度和運(yùn)行中有著關(guān)鍵作用，無論是當(dāng)前的“綠色、智能”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)理念，還是傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)運(yùn)行管理，都面臨著處理機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障檢修的關(guān)鍵性問題。為了防止電氣運(yùn)行故障給項(xiàng)目帶來的不利影響，在實(shí)際操作過程中，除了按照機(jī)電設(shè)備綜合調(diào)度的要求進(jìn)行故障排除和維護(hù)以外，采取預(yù)防性的故障排除方法意義重大。依據(jù)水電站機(jī)電設(shè)備故障樣本信息，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)定位和準(zhǔn)確識(shí)別，采用GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）技術(shù)進(jìn)行水電站機(jī)電設(shè)備故障特征聚類，進(jìn)而根據(jù)特征類結(jié)果來實(shí)現(xiàn)故障的定位檢測(cè)。

1 水電站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障分析

首先對(duì)機(jī)電設(shè)備的溫度異常進(jìn)行分析。運(yùn)行過程中電機(jī)前端溫度突然升高，導(dǎo)致電機(jī)前端溫度高聯(lián)跳開。解體電機(jī)后發(fā)現(xiàn)，前端軸承潤(rùn)滑脂顏色變黑，滾珠軸承保持架松動(dòng)，在滾珠軸承內(nèi)、外圈滾道凹凸不平，內(nèi)外圈滾道表面金屬過熱脫落的現(xiàn)象。另外還有一些軸承潤(rùn)滑油脂，因溫度過高而發(fā)生融化、溢出表面。

在檢查潤(rùn)滑油脂的過程中發(fā)現(xiàn)，油脂顏色發(fā)生了變化，分析后認(rèn)為這是由于軸承內(nèi)外滾道溫度過高，導(dǎo)致表面金屬不牢固掉落。這時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施，首先檢查加油槍是否完好，再檢查是否潤(rùn)滑油脂使用錯(cuò)誤、將3#通用銼基脂當(dāng)做正確油脂型號(hào)，操作失誤也會(huì)導(dǎo)致油脂硬化或結(jié)塊的現(xiàn)象。與原潤(rùn)滑脂相比，3#通用銼基脂的稠度會(huì)突然發(fā)生變化，引起溫度發(fā)生突降。電機(jī)軸承缺油運(yùn)行，會(huì)加劇摩擦損耗、軸承過熱，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障。

2 基于GPS 采集故障參數(shù)

通過對(duì)水電站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障的分析，了解到故障原因和發(fā)生區(qū)域，然后采集故障點(diǎn)的參數(shù)，目的是實(shí)現(xiàn)在GPS 系統(tǒng)中進(jìn)行點(diǎn)位識(shí)別。采用物聯(lián)網(wǎng)多維空間參數(shù)識(shí)別和節(jié)點(diǎn)定位方法，進(jìn)行水電站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障特征提取和定位檢測(cè)，采用模式識(shí)別和特征壓縮方法[1]，提高機(jī)電設(shè)備故障檢測(cè)的自適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性[2]。根據(jù)上述分析，得到機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障檢修流程（圖1）。

圖1 水電站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障檢修主要流程

首先，根據(jù)圖1 建立結(jié)構(gòu)模型，采用零序過流保護(hù)和特征參數(shù)辨識(shí)方法，以提取的水電站故障零序分量作為約束對(duì)象參數(shù)[3]，得到水電站故障參數(shù)分布的頻率H（X）：

其中，a 為水電站故障維修參數(shù)分布的載波頻率，為自變量；t 為水電站故障檢測(cè)輸人的振幅，e 為機(jī)電設(shè)備空載合閘建模輸出的故障特征倍數(shù)。

然后，計(jì)算水電站故障參數(shù)分布的頻率值，并根據(jù)水電站故障維修檢測(cè)樣本信息子空間分量，得到水電站故障維修檢測(cè)參數(shù)的頻率分布式樣式。

最后，采用零序涌流特征分解方法得到水電站故障維修檢測(cè)的頻率構(gòu)成因素：

計(jì)算過程中，首先要確定式（2）中各個(gè)變量之間關(guān)系：將k 設(shè)為為機(jī)電設(shè)備信號(hào)脈沖數(shù)，這是導(dǎo)致頻率發(fā)生變化的重要因素；其次將n 設(shè)為機(jī)電設(shè)備空載合閘建模輸出的故障特征數(shù)值，這是改變頻率的因素之一，n 越大頻率越高；最后將水電站故障維修檢測(cè)的頻率成分設(shè)為f。

為了實(shí)現(xiàn)水電站機(jī)電設(shè)備故障檢測(cè)樣本采集，通過上述計(jì)算對(duì)機(jī)電設(shè)備空載合閘建模輸出的n 個(gè)故障特征采用聯(lián)合自相關(guān)匹配的方法，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)備故障的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)維修。

3 實(shí)現(xiàn)水電站機(jī)電設(shè)備故障維修

在對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行地理位置采集后，用戶端檢修人員根據(jù)GPS 系統(tǒng)拍攝的照片和數(shù)據(jù)分析故障原因，精確故障位置、減少位置的誤差。然后利用機(jī)電設(shè)備在GPS 系統(tǒng)中的振動(dòng)特征，通過規(guī)律進(jìn)行推斷，進(jìn)而對(duì)故障進(jìn)行維修。

3.1 對(duì)零件實(shí)施補(bǔ)充

利用GPS 技術(shù)，通過定位系統(tǒng)分析機(jī)電設(shè)備由于溫度高導(dǎo)致零件損壞現(xiàn)象，后期維修人員主要是對(duì)零件進(jìn)行加工：一是要明確機(jī)組磨損較大的零件；二是以每日更換頻率檢查易損件；三是進(jìn)一步找出故障原因和發(fā)生地點(diǎn)。

在找到修復(fù)部件之前，將其中一個(gè)部件進(jìn)行擴(kuò)展或縮放，并使用過盈壓力將其覆蓋在原部件的頂部，然后在該部件上添加質(zhì)量較好的襯套進(jìn)行外部修復(fù)。

3.2 對(duì)部分構(gòu)件進(jìn)行粘接與粘補(bǔ)

機(jī)電設(shè)備的粘接維修法，首先是通過GPS 技術(shù)定位，通過數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行分析。正常情況下機(jī)電設(shè)備沒有發(fā)生故障，數(shù)據(jù)會(huì)顯示遞增，當(dāng)發(fā)生有設(shè)備發(fā)生故障時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)無標(biāo)識(shí)狀態(tài)。這時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查、校正和修復(fù)[4]。有些設(shè)備電機(jī)會(huì)出現(xiàn)軸承發(fā)熱溫度過高的現(xiàn)象，這時(shí)應(yīng)隨機(jī)應(yīng)變，多次置換機(jī)油添加量，避免因機(jī)體發(fā)生對(duì)新油脂抵觸的情況。最終通過多次置換填油量，使機(jī)電設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

3.3 對(duì)故障區(qū)進(jìn)行技術(shù)改造

（1）通過GPS 定位，對(duì)故障區(qū)進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)：經(jīng)過精準(zhǔn)技術(shù)的改造后，將高端技術(shù)和科研成果融入水電站的機(jī)電設(shè)備維修體系，加強(qiáng)設(shè)備管理和維修的先進(jìn)性，采用技術(shù)創(chuàng)新手段，完善生產(chǎn)工藝和設(shè)備運(yùn)行環(huán)節(jié)的建設(shè)過程。

（2）大膽采用新技術(shù)、新方法、新材料進(jìn)行設(shè)備建設(shè)。通過機(jī)電故障測(cè)試調(diào)整耐壓強(qiáng)度，當(dāng)出現(xiàn)異常情況，如電流指標(biāo)下降時(shí)，應(yīng)及時(shí)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作流程，確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否合格、是否達(dá)到要求，是否符合機(jī)電設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)的要求標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行重新選型

當(dāng)一些設(shè)備采用次數(shù)較少但通過GPS 技術(shù)發(fā)現(xiàn)故障的點(diǎn)位較多時(shí)，需要對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行重新選型（包括品牌設(shè)備），應(yīng)從設(shè)備采購(gòu)階段開始就關(guān)注質(zhì)量和隱患，找出不同故障的原因，并采取措施確保設(shè)備的性能。

在選型過程中，應(yīng)努力落實(shí)入庫(kù)、檢驗(yàn)等制度到位，避免因電氣系統(tǒng)擴(kuò)大造成機(jī)電設(shè)備故障的危害。同時(shí)制定機(jī)電設(shè)備的全面維護(hù)計(jì)劃，并輔以信息技術(shù)故障排除策略，確保機(jī)電設(shè)備的合理應(yīng)用和調(diào)度。

3.5 進(jìn)行安全改造

安全變更是操作平臺(tái)機(jī)電故障診斷和故障處理的常用方法，有助于在復(fù)雜的設(shè)備設(shè)計(jì)中快速查找原因，與此同時(shí)促進(jìn)安全測(cè)試的快速進(jìn)行，確保機(jī)電設(shè)備的安全進(jìn)行操作。

4 仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為論證基于GPS 的故障定位方法在水電站機(jī)電設(shè)備故障維修中的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將其與深度學(xué)習(xí)方法、快速定位方法的故障定位方法進(jìn)行比較。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)前，需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行選取。首先需要在一個(gè)受外界影響較少的環(huán)境，減少外界因素帶來的影響。對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，包括靈敏度等方面。要熟悉設(shè)備的操作流程、控制流程，按照?qǐng)D示對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體檢查，最后還要熟練設(shè)備上的各種指示操作。在對(duì)GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試過程中，類似陶瓷的貼片小天線性能一般，如果不是空間要求太高，應(yīng)盡量避免使用。

確保安裝設(shè)備行為規(guī)范，按照要求連接。根據(jù)安裝規(guī)格或設(shè)備要求插入電纜和電線（電線前應(yīng)有一個(gè)校準(zhǔn)步驟）。假設(shè)設(shè)備形態(tài)完好，導(dǎo)線正確，外部信號(hào)正常，通知用戶設(shè)備開始帶電調(diào)試（所有斷路器在傳輸流量前必須在障礙物處打孔。

當(dāng)環(huán)境條件設(shè)定好、設(shè)備調(diào)試正確之后，就可以開展實(shí)驗(yàn)工作。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過基于GPS 技術(shù)定位方法和深度學(xué)習(xí)方法、快速定位方法的對(duì)比，得出該技術(shù)在水電站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障檢修方面更具優(yōu)勢(shì)。在外界條件相同的情況下，3 種方法在4 次檢修過程中所耗時(shí)間數(shù)據(jù)見表1。

表1 3 種設(shè)備故障檢修方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1 可知，在4 次檢測(cè)過程中，基于GPS 技術(shù)的設(shè)備故障檢修時(shí)間在1.0 h 左右，基于深度學(xué)習(xí)和快速定位方法的檢修時(shí)間分別在2.5～3.0 h、1.95～2.20 h，相比之下基于GPS 技術(shù)的定位檢修時(shí)間耗時(shí)最短。

5 結(jié)束語

通過GPS 定位技術(shù)，采用優(yōu)化的水電站機(jī)電設(shè)備故障特征分析技術(shù)和檢修點(diǎn)檢測(cè)，完成水電站機(jī)電設(shè)備故障檢修部分高精度定位識(shí)別和診斷，進(jìn)而提高水電站機(jī)電設(shè)備的輸出效率。本文提出的基于GPS 技術(shù)的水電站機(jī)電設(shè)備故障高精度定位方法，采用模式識(shí)別和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)維修方法，能夠提高水電站機(jī)電設(shè)備故障檢修的自適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性[5]。對(duì)比實(shí)驗(yàn)的綜合性比較，也支持本文方法對(duì)水電站機(jī)電設(shè)備的故障檢修更具有優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。