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水口水电厂机组状态监测与诊断系统 3

  

水电自动化与大坝监测 第 27 卷 第 2 期 V ol. 27 N o. 2               2003 年 4 月 20 日 A pr. 20, 2003 Hydro pow er A uto mation and Dam M onitoring

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水口水电厂机组状态监测与诊断系统
林礼清1 , 陈 伟2
( 1. 福建水口水电厂, 福建省闽清 县 350800; 2. 北京奥技异电气技术研究所, 北 京市 100084)

摘要: 水口水电厂建立了一套针对轴流转桨式机组、 以实用为目的的状态监测与诊断系统。 文中结 合工程实践, 全面描述了该系统的总体目标、 设计原则、 系统功能、 系统总体结构、 监测范围及测点 布置、 信号采集与预处理、 软件系统组成及功能。 关键词: 水轮发电机组; 状态监测; 故障诊断 中图分类号: TV734. 2; TP277

0 引言
水口水电厂装有 7 台单机容量 200 MW 的水 轮发电机组, 多年平均发电量为 49. 5 亿 kW?h, 承 担电网的调峰、 调频及事故备用任务, 是福建电网的 主力电厂。 投产伊始, 水口水电厂就有计划、 有针对性地开 展设备状态监测和诊断, 不断积累运行经验, 逐步由 预防性试验向在线监测过渡。在线监测技术的广泛 应用有力地促进了水电厂设备由计划检修向状态检 修发展的进程。

1 总体目标及设计原则
1. 1 总体目标 总体目标是基于目前国内先进水平, 建立全国 第 1 套针对轴流转桨式机组并以实用性为目的的状 态监测、 分析与诊断系统。 机组状态监测与诊断系统的建立将通过预警、 报警等技术手段, 真正解决机组的运行安全问题, 降 低现场的故障发生率。通过先进的分析、 诊断方法, 找到引发故障的本质原因; 通过一系列在线性能评 测分析工具, 掌握机组的性能规律; 通过寿命估计、 效率跟踪等方法为设备检修的合理安排提供技术依 据。此外, 进一步提高监测系统的集成度, 使系统的 一致性更强, 风格和技术手段更加统一。 建立机组状态监测与诊断系统, 强调以下基本 功能: a. 故障预警: 自动辨识机组振动状态的变化, 及时预警; b. 优化运行: 定期形成机组状态报告, 全面了 解和掌握机组运行状态; c. 数据录波: 计算机化的机组状态信息和故障
收稿日期: 2002- 07。 12-

数据在线纪录; d. 故障判断: 准确分析故障原因, 实现有针对 性的检修; e. 远程交流: 做到移动的是数据而不是人; f . 综合诊断: 实现多数据源, 在线监测和离线 检测数据统一管理; g. 预测维修: 为进一步建立计算机检修管理系 统( CMM S ) 打下基础; h. 其他实用功能。 1. 2 设计原则 计算机软、 硬件技术的实施遵循以下原则: a . 开放式: 极具灵活性以及与其他系统的兼容 性; b. 智能化: 提高分析、 诊断的自主性; c. 网络型: 基于 Internet 技术, 实现资源共享; d. 高可靠性: 满足长期在线监测的要求。 在状态监测的机理研究和实现上, 要求: a. 针对性强, 系统实用化; b. 完善信号分析手段, 强化自动分析和诊断功 能; c . 通过多台机组的状态比较, 发现机组隐患, 进而确定机组检修序列; d. 能够最终解决现场检修和运行所遇到的迫 切问题。

2 系统总体结构
水口水电厂机组状态监测与诊断系统建立在由 水电厂局域网、 广域网和运行分析中心局域网组成 的网络平台上。水电厂状态监测网络系统的结构如 图 1 所示。 安装在每台机组各部位的传感器和变送器将各 种物理信号转换为电信号, 传送到相应机组的信号 采集及预处理单元, 得到反映机组运行状态的各种

             水 电 自 动 化 与 大 坝 监 测        2003, 27( 2) 20
表 1 单机测点参量一览表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 内容 空气间隙 振动摆度 线棒振动 电气绝缘 磁场强度 水压脉动 空化气蚀 测点数 8 17 12 3 1 5 4 布置地点( 或信号源) 沿定子壁圆周互成 45° 上导、 推力、 水导摆度, 大轴位移, 上机 架、 顶盖振动和定子机座振动, 以及 键相等 定子线棒端部, 每支路 1 只 发电机出口, A , B, C 三 相各装 1 只耦 合器 上游侧定子上端槽楔处 蜗壳出口、 导叶进口、 顶盖下空腔和尾 水管入口 装在导叶拐臂上 电气量取自变送器, 温度、 油位、 行程、 水位、 流量等由监控系统通信输出

常规参量 13+ 30

图 1  水电厂状态监测网络系统结构示意图

特征参数、 曲线、 图表等, 统一存储到状态数据服务 器。 该服务器自动运行分析和诊断软件, 定期提供状 态检查日志、 状态发展趋势、 自动状态报告, 自动存 储有故障时的监测数据等。Web 服务器负责发布数 据服务器中的数据和分析、 诊断结果, 包括与本地或 远程的监测、 分析、 诊断、 维护工作站的交互, 定期远 程发送日志、 趋势以及有故障的实时数据等。 水电厂 管理信息系统( MIS ) 局域网的用户终端和通过广域 网接入的其他用户终端, 都可以通过浏览器查询状 态数据服务器和 Web 服务器上的状态数据及报告, 下载监测数据, 完成自定义分析, 或指定服务器完成 特定的分析和操作。 建立独立的状态监测与诊断系统 T CP / IP 局域 网, 与水电厂 M IS 局域网分开, 以保证状态监测的 实时性, 避免 2 个系统之间的通信干扰。同时, 通过 Web 服务器将 2 个网络连接起来, 使 MIS 用户可以 用浏览器方式有效地对机组状态进行监测分析和诊 断。状态监测系统与监控系统的数据传递通过一台 独立的数据转换器实现。工程师工作站用于完成状 态监测与诊断系统的配置和维护等工作, 也可以用 于对离线监测数据的管理和维护。

3 监测范围及测点布置
本系统监测范围包括机组稳定性、 发电机状态、 水轮机状态和调速器状态等多项内容。机组测点参 量见表 1。 用最低的成本完成 尽可能多的故障信息的监 测, 同时也考虑现场安装的可行性和日后维护的方 便。 一般地, 设备状态监测的测点布置遵循以下基本 原则:

a . 满足设备状态评价所需的基本监测参数的 要求; b. 考虑设备的故障诊断模型的信息要求; c . 满足安装条件及限制的要求; d. 适合机组的运行特点; 互补性和相对独立性; e . 测点间具有相关性、 f . 经济性原则。 3. 1 机组稳定性 a . 导轴承状态: 每个轴承部位通过正交的 2 个 电涡流传感器测出大轴运动的轴心轨迹。经过对摆 度测量信号的适当分析可以找到轴承的某些缺陷。 b. 推力轴承状态: 通过大轴轴向窜动和推力轴 承支架轴向振动的频率分析, 可以诊断与推力轴承 有关的故障( 隐患) 。 c. 主轴状态: 由大轴上 3 个截面的轴心轨迹可 以描绘出空间轴线图, 直观地掌握大轴的空间运动, 了解转轴的动力学特性。 d. 结构振动: 采用低频振动速度传感器测量机 组支架结构的绝对振动。 除了直接给出振动评价, 经 信号分析和应力估算, 可以判断振动的传递路线以 及支撑部件的寿命损伤情况。 3. 2 发电机状态 a. 定、 转子气隙: 通过测量传感器与磁极之间 电容的调制电流, 可以得到定子圆度、 转子圆度、 最 小磁极间隙和相位、 磁极周向形貌等多种参数和曲 线, 同时还可以监测定子圆度蠕变、 磁极伸长等。 b. 磁场强度: 非接触式的磁场强度传感器动态 地感受来自每个磁极发射的磁场强度。它可以测到 最小磁场强度和相位, 继而判断产生振动的原因是 否为电磁力, 判断是否存在匝间短路等故障, 以及检 测机组定、 转子结构和组件由于振动及过热等导致 的不平衡。 c. 线棒振动: 定子线棒的径向振动( 即线棒与

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定子铁心的相对振动) 使传感器与目标之间的距离 发生变化。 d. 绝缘监测: 发生在发电机定子绝缘系统内的 局部放电脉冲, 由局部放电分析系统的耦合器检测。 通过对各相放电量、 放电次数以及放电相位的分析、 计算和进一步判断, 可以明确绝缘的损伤程度和产 生局部放电的大致位置。 e. 发电机运行参数: 包括定子电压和电流、 转 子电压和电流、 有功功率、 无功功率、 负序电流、 零序 电流、 功角、 并网相角、 频率、 功率因数、 -Q 曲线、 发 P 电机定子铁心和绕组温度、 发电机冷却介质温度和 发电机转子平均温度。 3. 3 水轮机状态 a. 水力流动状态: 包括蜗壳进口和尾水管锥段 压力、 导叶出口和顶盖下空腔压力脉动等信号。 监视 水力激振因素和反映过流部件的损伤, 通过压力脉 动的频率分析找到引发水力脉动的物理原因。 蜗壳进口 b. 能量参数: 包括水轮机发电流量、 压力、 电站下游水位、 水轮机有效工作水头、 水轮机 有效出力( 功率) 和效率, 以及水轮机扭矩、 单位转速 和单位流量等。 c. 空化监测: 安装加速度传感器, 测量气蚀产 生的噪声强度, 同时考虑效率的下降和工况的影响, 经分析、 计算累计得出等效气蚀作用时间。 3. 4 调速器状态 a. 导叶、 桨叶控制状态: 主要监测导叶、 桨叶接 力器行程和转速, 以及有功功率、 无功功率、 蜗壳进 口压力、 流量、 下游水位等环境参数。通过分析过渡 过程中接力器行程和转速曲线、 流量 —接力器行程 关系曲线, 发现调速器控制系统和执行机构的故障; 通过调速过程相应时间、 调速器波动次数等参数的 在线辨识, 评价调速系统的性能状态。 桨叶接力器行程 b. 协联关系: 主要监测导叶、 和导叶出口处的压力脉动及环境参数, 给出不同工 况下的协联关系曲线和不同协联关系下的压力脉动 曲线, 优化协联关系或躲避不稳定负荷区运行。 3. 5 其他信号和参数 a. 键相信号: 采用电涡流传感器测量。利用键 相信号, 数据可以精确地按照整周期采样, 避免频谱 分析中的混叠和泄漏现象。 b. 环境参数: 大量的监测分析和诊断功能都需 要在一定的工况下进行。水轮机的振动与环境参数 如功率、 水头、 转速、 接力器行程、 发电机开关状态等 关系颇大。 c. 辅助状态信号: 油温、 冷却水温信号也是状 态监测中反映轴承工作状态的重要参数。由于温度

信号为缓变参数, 同时考虑到信号的采样速率比较 低, 因此全部以数据通信的方式取自监控系统。

4 信号采集及预处理
4. 1 信号采集与预处理系统的组成 根据监测内容, 机组的状态信号采集及预处理 系统由振动摆度、 压力脉动和空化气蚀、 电磁参数、 局部放电和电力参数等 5 个子系统及相 应附件构 成。从总体上看, 各预处理机的软件流程如图 2 所 示。

图 2 预处理机软件流程

传感器将轴系各部分的位移、 压力、 温度以及发 电机运行状态信号、 水轮机能量和空化状态信号等, 变换为电压或电流信号, 传送给预处理机。 预处理机 将传送来的反映机组各部分运行状态的数据以某种 方式采集上来, 经计算、 整理得到所需要 的状态数 据, 并记录在硬盘上, 以便事故追忆与指导维修。同 时, 通过网络将数据及时传送到状态数据服务器。 4. 2 组态式信号采集与预处理单元 组态式信号采集与预处理单元可以针对各种传 感器输出信号进行数字化采集和分析处理, 其通道 数目、 信号类型、 采集策略、 预处理算法等都可以灵 活组态, 形成多种信号采集与预处理单元, 满足状态 监测与诊断系统开放、 灵活的内在需求。 典型的组态式信号采集与预处理单元的功能特 点如下: a. 以双工控机作为系统的软、 硬件平台, 充分 利用 PC 平台的优点; b. 利用 PC 机已有的网络软、 硬件资源, 实现多 种网络通信模式; c. 系统设有配置方便的多种信号调理模块, 以 适应不同种类的传感器信号; d. 具有模拟量输入、 开关量输入/ 输出、 键相处 理、 定时计数等多项功能; 采样时间可通过上位机或人机对 e . 采样频率、 话方式修改; f . 可连接键盘和显示器, 以便系统调试运行时

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使用; g. 与外部设备相连的通道具有光电隔离措施; h. 工业级设计, 高可靠性, 平均无故障工作时 3 间达到 30×10 h 以上。 口采用 ODBC; Web 服务器采用 M icrosof t Ⅱ, 网页 制作工具为 M icrosof t Front Page; 用户终端安装 M icrosof t IE 网络浏览器。 网络采用 T CP / IP 协议, 数据采集、 预处理软件 以及分析、 诊断和维护工具软件采用 Microsoft Visual C + + 语言开发。 5. 3 系统用户功能 机组状态监测与诊断系统是一个分层分布式计 算机网络系统。 各计算机之间分工协作, 完成不同的 数据处理功能, 并最终在用户终端上展现其所有的 用户功能。机组状态监测与诊断系统的功能模块划 分如图 6 所示。

5 软件系统组成及功能
5. 1 系统数据结构和数据流 结合系统总体结构, 水电厂局域网内部的数据 流如图 3 所示。

图 3 水电厂局域网数据流图

图 6 系统功能模块组成

预处理机数据构成可用图 4 表示。

图 4 预处理机数据构成

状态数据服务器的数据构成除了预处理机中的 所有数据外, 还有关于分析结果、 诊断结果的日志。 图 5 给出了诊断日志的示例及其初步数据结构。

图 5 诊断日志的形成过程

5. 2 软件平台 预处理 机采用 Windows 2000 操作系统; 状态 数据服务器的数据库软件采用 Oracle 9, 数据库接

系统以水电机组为对象, 由传感器部件、 信号采 集与预处理单元、 状态数据服务器、 Web 服务器、 网 络系统、 监测分析和诊断软件等部分组成, 可对机组 各部位的振动、 位移、 温度、 压力、 气隙、 磁场强度等 参数进行实时监测。它是基于转子 —轴承系统动力 学、 水力振动机理、 人工智能原理, 以及运行、 修试、 管理经验、 机组设计结构和制造工艺诸学科领域的 知识, 尤其是专家的实践经验, 针对水电机组的状态 监测与评价、 特征提取与信号分析以及故障原因确 认而开发的一套以设备经常性维修管理为目的而提 供决策依据的应用系统。 以状态评价为目的, 其监测 的参量多、 内涵丰富, 增加了大量系统分析功能, 其 诊断功能为设备维修提供了强大和便利的帮助。 5. 4 自动分析与诊断 机组故障诊断的主要目的是根据各种监测数据 和其他试验、 检查等诊断信息来识别机组状态, 早期 发现故障并及时采取有效措施, 做到防患于未然; 在 保证机组安全运行的基础上, 实行合理检修。 本系统 诊断模块的总体功能如下: a. 自动诊断: 基于故障特征参量的趋势自动诊 断, 即具有典型特征参量的故障的趋势诊断; 基于可 量化知识规则的推理诊断, 是指用于诊断某个故障 的所有规则中的知识均可以用数值即量化表示。 b. 巡检推理诊断: 基于非可量化知识的规则诊 断, 用于诊断某故障所需要的特征参量均不能或只 能局部量化, 有些特征只能通过人机交互方式获得; 与特征数据无关的知识规则诊断, 是指与机组状态 数据无关但与实际故障发生特点相关的一些特征。

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水电机组设计、 安装、 运行管理经验的积累为机 组诊断专家系统的建立提供了明确的、 有相当数量 的领域专门知识和故障征兆。有些故障已经得到很 好的分析并给出了合理的诊断结论, 但仍有许多故 障的原因有待深入研究。 另一方面, 随着机组在线监 测分析系统的开发使用, 现场积累了大量的实测数 据, 通过分析这些数据的典型征兆及现场典型故障 的判断经验就可以诊断设备故障, 但这个过程仍需 要专家的介入才能完成。而现场运行人员则需要借 助计算机完成专家诊断过程, 直接由诊断系统给出 诊断结果及其合理解释。 因此, 现场对系统功能的总的要求是: 以常见故 障的诊断为主, 辅以特定故障的分析诊断, 尚可协助 诊断特定的疑难故障, 并为机组诊断提供机理知识。

6 结语
水口水电厂机组状态监测与诊断系统根据不同 子系统和不同问题的特点采用不同的模式, 是一个 集成式故障诊断系统; 系统以计算机网络为基础, 实 现远程协作诊断, 又是一个分布式故障诊断系统。 完

善 化的 状 态 监 测 和 高 可 靠 性 的 监 控、 据 采 集 数 ( SCADA) 系统以及实用化的管理信息系统有机结 合, 将为设备状态检修提供一个高效、 智能化的自动 决策环境。 然而, 故障诊断技术远未达到定量诊断的水平。 设备状态监测的手段、 故障机理研究和诊断知识的 获取是一项长期工作, 现场经验的积累也有一个漫 长的过程。必须结合计算机技术和网络通信技术的 发展, 扬长避短地综合各种方法, 应用于故障监测与 性能综合诊断系统。 应当统一规划, 在充分总结运行 维护管理经验的基础上, 分步实施。 水口水电厂积极稳妥地推行设备状态监测与诊 断工作。在建立 1 号机组状态监测与诊断系统的基 础上, 将视工程进展情况逐步购置硬件设备, 陆续对 其他 6 台机组实行状态监测, 最终完成“ 全厂机组状 态监测分析与故障诊断系统” 进而为机组状态检修 , 辅助决策提供强有力的技术支持。
林礼清( 1951—) , 男, 硕 士, 高级工程师 , 总工程师, 长期 从事水电厂生产技术工作。Email: llq51@ vip. sina. com

ON-LINE MONITORING AND DIAGNOSIS SYSTEM OF HYDROPOWER UNITS AT SHUIKOU HYDROPOWER STATION
L in L iqing 1 , Chen W ei 2 ( 1. Shuikou Hy dro pow er Statio n, M inqing 350800, China) ( 2. Beijing OG E Electr ic T echnical Resear ch Institute, Beijing 100084, China) Abstract: A t the Shuikou Hy dr opow er Station, a practical online monit oring and diag no sis system fo r K aplan unit s has been established. In co mbination w ith the pr oject, this paper describes the ov er all objective, design principles, functions and config ur ation of the system, inspection items, sensor ar rangement, method of sig nal acquisitio n and processing, and the config ur ation and functions of the softw are. Key words : hy dr opow er unit ; state monitor ing; fault diag no sis
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水科院自动化所连续中标重大水利水电建设工程
2002 年底, 中国水利水电 科学研究院自动化 研究所捷报频传, 在碗米坡、 乌江扩机、 凤滩扩机、 密云水库自动化 等重 大水利水电建设工程的自动化系统招标中连连中标。 碗米坡水电站位于湖南 省沅水流域, 装有 3 台单机容量为 80 M W 的水轮发电 机组, 该工程 由日本海外协力基 金提 供贷款, 由中国技术进出口公司组织国际招标, 这是自动化所中标的第 5 个国际招标项目。 乌江渡水电厂扩机工程是“ 西 电东送” 工程的首批启动工程之一, 监控对象包括扩机工程的 2 台 250 M W 机组、 老厂的 3 台 210 M W( 增容改造后 单机 容量将达 250 M W ) 机组及远方控制中心自动化系统 , 届时该厂将成为贵州境内装机容量最大( 1 250 M W ) 的 水电厂。凤 滩水电厂位于湖南省沅 水流域最大支流酋水 的下游, 主 要作用是调峰、 调频和事故备用, 老厂装有 4 台 100 M W 的 混流 式水轮发电机组, 扩机工程安装 2 台单机容量 200 M W 机组; 监控 系统将实现对新、 老厂 6 台大型发电机组、 有关公用设 备及黄秧坪开关站等的远方集中控制, 为凤滩 电厂实现无人值班创造条件。在上述项目中, 自动化所均以先 进的 H 9000 V 3. 0 技术、 合理的价格、 良好的服务和信誉中标。 密云水库自动化系统工程是自动化所水情专业承接的最大的自动化系统工程, 包括密云水库水文测 报、 水质分 析与 监测、 上游水土保持监测、 淤积测量设备采购等 4 个子系统。