狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展

毛學(xué)志

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 仙居317300）

長(zhǎng)期以來，定期計(jì)劃維修體制為水電站的正常運(yùn)作發(fā)揮了重要作用，它至今仍然是世界各國(guó)主要的設(shè)備維修體制，仍然在各個(gè)水電站發(fā)揮著重要作用。但是生產(chǎn)實(shí)踐中有大量事例說明，這種維修體制已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)地設(shè)備維護(hù)需求。電站迫切需要提高維修的針對(duì)性，降低設(shè)備維護(hù)的代價(jià)，使設(shè)備的安全性、可靠性更高更好。在社會(huì)需求及高速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)帶動(dòng)下，電力設(shè)備狀態(tài)檢修應(yīng)運(yùn)而生。而狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的發(fā)展又為狀態(tài)檢修的出現(xiàn)提供了支持。水力發(fā)電在我國(guó)能源生產(chǎn)中有著極為重要地地位。水電廠狀態(tài)檢修是水電廠科學(xué)技術(shù)和管理水平的重大進(jìn)步，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)綜合效益不言而喻。水輪機(jī)調(diào)速器是水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷和頻率調(diào)節(jié)的重要機(jī)構(gòu),調(diào)速系統(tǒng)的是否正常運(yùn)行嚴(yán)重影響著發(fā)電機(jī)系統(tǒng)乃至整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。所以，對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修是充分發(fā)揮水電廠效益的重要因素。無(wú)論從企業(yè)自身利益著想還是以社會(huì)效益來衡量，對(duì)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)行狀態(tài)檢修是勢(shì)在必行。

1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的內(nèi)涵

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是一個(gè)有機(jī)的整體。對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的設(shè)備整體或其零部件的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行檢查鑒定，以判斷其運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，有無(wú)異常與劣化征兆，或?qū)Ξ惓Ｇ闆r進(jìn)行追蹤，預(yù)測(cè)其劣化趨勢(shì)，確定其劣化及磨損程度等，這種活動(dòng)就稱為狀態(tài)監(jiān)測(cè)。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括了各種主要的非破壞性檢查技術(shù)，如振動(dòng)理論、噪音控制、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、腐蝕監(jiān)測(cè)、光譜分析及其他各種物理監(jiān)測(cè)技術(shù)等。設(shè)備技術(shù)狀態(tài)是否正常，有無(wú)異常征兆或故障出現(xiàn)，可根據(jù)監(jiān)測(cè)所取得的設(shè)備動(dòng)態(tài)參數(shù)與缺陷狀況，與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)照加以鑒別。狀態(tài)監(jiān)測(cè)是故障診斷的基礎(chǔ)、先決條件及必要手段。而故障診斷則是綜合利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和信息診斷系統(tǒng)對(duì)已發(fā)生的故障進(jìn)行定位和對(duì)故障發(fā)展程度進(jìn)行判斷]。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)主要由以下部分組成：信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理、狀態(tài)辨識(shí)和分類、監(jiān)測(cè)與診斷決策。目前正在研究并應(yīng)用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷方法有很多，包括觀測(cè)器法、奇偶空間法、參數(shù)估計(jì)法、頻譜分析法、故障征兆樹法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等?，F(xiàn)今用得較多的方法是觀測(cè)器法和參數(shù)估計(jì)法，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法由于其特有的優(yōu)勢(shì)和近幾年神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的研究成熟，將越來越廣泛的得到應(yīng)用。

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r

監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的發(fā)展有三個(gè)階段。①狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)階段；②故障診斷階段；③現(xiàn)代化設(shè)備管理技術(shù)階段。狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)目前還未達(dá)到完善、可靠的程度,但是國(guó)內(nèi)外已有大量的研究機(jī)構(gòu)以及企業(yè)單位對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，并有大量的相關(guān)產(chǎn)品問世。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)儀表產(chǎn)品系列由簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)功能逐步走上了智能化的道路。

（1）國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r。國(guó)外的設(shè)備狀態(tài)檢修發(fā)展較早。70年代末，美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）就對(duì)電力設(shè)備的狀態(tài)檢修進(jìn)行研究和應(yīng)用。歐洲大多數(shù)國(guó)家也在同時(shí)期進(jìn)行檢修體制的改革，方向也是狀態(tài)檢修。從20世紀(jì)70年代開始，發(fā)達(dá)國(guó)家開始在現(xiàn)場(chǎng)安裝使用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)有美國(guó)電力研究院（EPRI）設(shè)計(jì)的變電站的一體化系統(tǒng);美國(guó)中心發(fā)電部的渦輪監(jiān)測(cè)設(shè)備；日本三菱公司的機(jī)器健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

到了20世紀(jì)90年代,隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)日趨成熟。各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼研制成功了一些比較先進(jìn)的系統(tǒng),使故障診斷技術(shù)跨入了實(shí)用系統(tǒng)化的時(shí)代。如美國(guó)ENTEK科技公司的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)（Explore）已廣泛應(yīng)用于電力、石油化工等部門。其網(wǎng)絡(luò)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) Mpulse及電廠輔機(jī)設(shè)備的離線分析與診斷系統(tǒng)也已經(jīng)開始在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。其機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng) Emoniter Odysse y不僅集成了多種測(cè)量技術(shù)，還具有完整的網(wǎng)絡(luò)功能和開放式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。德國(guó)西門子公司的 Siemens/KMU系統(tǒng)可用于對(duì)汽輪機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)及輔助設(shè)備進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)和綜合分析，并對(duì)各部件進(jìn)行故障識(shí)別和診斷。其他一些比較先進(jìn)的系統(tǒng)，如美國(guó)的IRD公司的Amethyst自診系統(tǒng)、英國(guó)拉迪夫能源技術(shù)中心的Beran 750/760可移動(dòng)式狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、芬蘭赫爾辛基 I V O維護(hù)中心的 Trendvib16系統(tǒng)等，也在90年代陸續(xù)投入現(xiàn)場(chǎng)使用。

總的來看，國(guó)外監(jiān)測(cè)與診斷理論的研究與實(shí)際應(yīng)用都獲得了很大的成績(jī)。其產(chǎn)品越來越復(fù)雜，越來越龐大，主要表現(xiàn)在：分布式并行系統(tǒng)取代了集中式系統(tǒng)；系統(tǒng)的功能和性能由單純的監(jiān)測(cè)與診斷向著監(jiān)測(cè)、診斷、控制、管理、調(diào)度的集成化過渡；監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)大到了幾乎所有的工況參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。

（2）國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r。我國(guó)在20世紀(jì)60年代已認(rèn)識(shí)到狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的重要性,并開始著手這方面的研究工作。但是由于技術(shù)不夠完善、操作比較復(fù)雜等原因，沒有得到大力推廣。雖然我國(guó)在電力設(shè)備狀態(tài)檢修方面的工作還處于初步階段，但發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，已經(jīng)有了許多成果。如：清華大學(xué)自1985年開始研究的電力設(shè)備放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；水電機(jī)組的監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)產(chǎn)品有華中科技大學(xué)的HSJ系統(tǒng)；北京英華達(dá)公司的E N-8000；清華大學(xué)的P S T A系統(tǒng)等。近幾年，國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)電力設(shè)備的企業(yè)也都紛紛研制出一系列水電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，在功能上與國(guó)外先進(jìn)系統(tǒng)的差距已經(jīng)不明顯。但是，我們必須認(rèn)識(shí)到，國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)普遍存在系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較差的問題，制約了其推廣和應(yīng)用。

近年來，我國(guó)大多數(shù)水電廠所安裝的監(jiān)測(cè)裝置能夠進(jìn)行比較全面的監(jiān)測(cè)和分析。但是，由于水電機(jī)組及其調(diào)速系統(tǒng)的故障有其特殊性，除考慮機(jī)械方面的原因外，還要考慮流體動(dòng)壓力和電氣的因素，這三者互相影響，關(guān)系復(fù)雜。因此，在水電機(jī)組和調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方面，還有很多工作有待于進(jìn)一步研究。

（3）狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)存在的問題。在具體的研究和應(yīng)用過程中，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)狀，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)存在的不足和問題主要有：①對(duì)于速度快的設(shè)備，采樣速率過慢，無(wú)法獲取詳細(xì)的瞬態(tài)特征數(shù)據(jù)。②引進(jìn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)開放性不夠。由于通訊協(xié)議匹配，致使后續(xù)需要另行添加的分析診斷和決策軟件無(wú)法共享前端數(shù)據(jù)資源。③受技術(shù)條件限制，目前尚無(wú)成熟的全系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，在故障診斷中，很多需采集的信息還必須依賴于離線檢測(cè)。④現(xiàn)有的一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，只能反映設(shè)備故障的發(fā)展趨勢(shì)，很難提供設(shè)備故障的類型及故障的危急程度。軟、硬件在不同程度上存在缺陷和不穩(wěn)定性，易引起誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)故障。⑤現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)、診斷系統(tǒng)尚不能完全實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所以對(duì)突發(fā)性故障不能準(zhǔn)確、及時(shí)預(yù)報(bào)。

3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)未來發(fā)展方向

人工智能理論和計(jì)算機(jī)的發(fā)展為故障診斷技術(shù)的自動(dòng)化、智能化提供了重要的先決條件。當(dāng)前故障智能診斷的方法有兩大類:基于人工智能的專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為了提高診斷精度和效度，研究和采用非線性故障診斷技術(shù)是當(dāng)前和今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的發(fā)展水平可以預(yù)見,狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)其發(fā)展趨勢(shì)主要由簡(jiǎn)易和單一監(jiān)測(cè)診斷向精密和綜合監(jiān)測(cè)診斷方向發(fā)展，向模塊化、高靈活性、高智能化發(fā)展。未來的監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)不僅應(yīng)能給出系統(tǒng)和設(shè)備的性能狀態(tài)信息,還應(yīng)能判斷故障的性質(zhì)、產(chǎn)生的原因,以及發(fā)展趨勢(shì),并能提供消除故障的決策和建議，使系統(tǒng)設(shè)備在發(fā)生故障的情況下,工作狀況得以恢復(fù),性能狀態(tài)得到改變。它是一個(gè)利用全面的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，集故障診斷、故障分離與故障修復(fù)功能于一體的系統(tǒng)，并且可以對(duì)存在多個(gè)故障時(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷，它使?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)具有更深遠(yuǎn)的意義和廣泛的應(yīng)用前景。

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