機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)在永泰抽水蓄能電站的應用

福建永泰閩投抽水蓄能有限公司 楊文平

隨著科學技術與水電事業(yè)的快速發(fā)展，抽水蓄能發(fā)電技術得到迅猛發(fā)展。抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中具有削峰填谷、調頻調相、啟動迅速、運行靈活、可靠等特點，所承擔的機組任務較多，在電力系統(tǒng)中所做出的貢獻也越來越大[1]。為增加機組正常運行和減少設備檢修的時間，當前國內大中型水電站正朝向“無人值守”或“少人值守”，設備實現從“定期檢修”到“預防性檢修”的方向發(fā)展。因此，在抽水蓄能電站建立一套能夠實現機組的振動、擺度、壓力脈動以及發(fā)電電動機空氣間隙、局部放電等參數的監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，對電站的安全穩(wěn)定運行和預防性檢修是具有重要指導作用的。

1 系統(tǒng)組成

永泰抽水蓄能電站機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)網絡結構如圖1所示，主要組成設備有傳感器、數據采集單元、網絡設備、服務器、系統(tǒng)軟件等。系統(tǒng)構成主要分為三層：現地層。數據采集單元、數據采集保護單元等；電站層。數據服務器、工程師站、網絡設備等；集控層。前端設備、監(jiān)控平臺、監(jiān)控客戶端、網絡傳輸、監(jiān)控中心等部分組成。

系統(tǒng)中4臺機組各自配備了數據采集站，數據采集站主要有振動、擺度、壓力脈動數據采集箱VRS8000V、發(fā)電電動機的氣隙磁通局放數據采集箱VRS8000G、機組振擺保護監(jiān)測裝置PMS-300以及傳感器電源等輔助設備。傳感器將物理信號（如振動、擺度、壓力脈動、工況參數等）轉化為電信號，上傳至數據采集系統(tǒng)，對原始數據進行特征量提取，將能夠反映機組運行的特征參數、曲線和圖表，通過在線監(jiān)測網絡（TCP/IP協(xié)議）存放至狀態(tài)數據服務器中。

關于數據的分析、管理和存儲，狀態(tài)數據服務器承擔主要作用。不僅能夠對實時數據與歷史數據進行管理和存儲，而且還能對不同特征的數據進行分析和診斷，同時承擔了電站Web服務器與歷史/準實時數據管理平臺Ⅱ區(qū)接口機（數據最終發(fā)送至設備狀態(tài)評價中心）的數據通信。

Web服務器的主要作用是實現機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與電站生產管理系統(tǒng)的通信，便于運行人員的數據瀏覽與查詢。為保證數據的安全傳輸，在Web服務器與電站生產管理系統(tǒng)間增設了網絡單向隔離裝置。同時Web服務器還能與500kV主變壓器在線監(jiān)測設備、GIS（Gas Insulated Substation）氣體絕緣變電站的在線監(jiān)測設備以及500kV電纜在線監(jiān)測設備進行數據通信，滿足500kV主變壓器在線監(jiān)測設備以DL/T860通信協(xié)議與機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行數據交換。

工程師工作站負責發(fā)布狀態(tài)數據服務器中的各種數據及分析診斷結果，并供現場工程師監(jiān)測和分析機組的有關信息；機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能通過Web服務器和電力調度數據網建立與機組遠程診斷中心的通信連接，實現遠程實時監(jiān)測與分析診斷功能。

2 狀態(tài)監(jiān)測

2.1 監(jiān)測點的選擇

水力機組結構主要由機械、水力和電氣三大部分組成，機械監(jiān)測部分主要是對機組機械設備的水平、垂直振動與擺度監(jiān)測，水力監(jiān)測部分主要是對機組設備所受水力影響的脈動壓力監(jiān)測，而電氣監(jiān)測部分主要對發(fā)電電動機的電氣信號進行監(jiān)測[2]。其監(jiān)測點展示如圖1。對于每部分監(jiān)測點的選擇各不相同，從以下三個方面對檢測點進行選擇：振動、擺度監(jiān)測。監(jiān)測點有發(fā)電機上機架與下機架的X、Y、Z向振動、水輪機頂蓋與定子機座的X、Y、Z向振動、發(fā)電機上、下、水導軸承的X、Y向擺度、發(fā)電機定子鐵芯振動等；水力監(jiān)測。主要參量為壓力脈動，其測點位置主要有尾水管進口、蝸殼進口、尾水管肘管、導葉與轉輪進口間等；電氣監(jiān)測。監(jiān)測點主要有發(fā)電電動機的局部放電、GIS、電纜、主變壓器等。

圖1 機組測點分布圖

2.2 傳感器的選擇

表1 各臺機組測點傳感器配置表

2.3 信號監(jiān)測

傳感器將采集信號上傳至各個子系統(tǒng)中，在子系統(tǒng)進行數據處理，以此提取出各測量點的特征參數，實現相關測點的狀態(tài)監(jiān)測，由VRS8000監(jiān)測系統(tǒng)進行狀態(tài)參數展示，實現實時工況遠程監(jiān)測的目的。分別從機械、水力、電氣三個方面展示其監(jiān)測系統(tǒng)的應用情況。

機械監(jiān)測。主要包含了機組的擺度、振動的實時狀態(tài)數據，由圖2中可看出上、下與水導的X、Y軸擺度以及機架、頂蓋X、Y、Z向的振動情況，在監(jiān)測界面設置了各參量的報警指示燈，當實時值超出設定預警值時，將發(fā)出報警信號提示運行人員；水力監(jiān)測。其脈動壓力信號測點主要有轉輪與頂蓋間、尾水管進口、導葉與轉輪進口、尾水管肘管、蝸殼進口、轉輪與底環(huán)/泄流環(huán)間等（圖3）；電氣監(jiān)測。主要有發(fā)電電動機的局部放電、GIS、電纜與主變壓器的狀態(tài)監(jiān)測。

圖2 機械參數狀態(tài)監(jiān)測

圖3 水力參數狀態(tài)監(jiān)測圖

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能實現所采用的是VRS8000系統(tǒng)監(jiān)測分析軟件VRS8000V/G-M，該軟件包含了整個系統(tǒng)的所有監(jiān)測、分析與診斷功能。機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的功能主要是保證機組安全、穩(wěn)定運行以及指導預防性檢修機組設備。除系統(tǒng)監(jiān)測功能的應用，其余功能主要從五方面進行描述。

數據分析。該功能主要是將采集到的實時數據通過相關分析算法進行數據分析，以曲線與圖表的方式進行展示，將機組運行狀態(tài)信息實時的展現出來[3]，以幫助運行人員分析機組的運行狀況以及發(fā)現故障。在永泰抽水蓄能機組的數據分析方法主要有：時域信號、功率譜、軸心軌跡圖、極坐標圖分析、多軸心軌跡圖、空間軸線、瀑布圖分析、級聯(lián)圖分析、時間趨勢圖分析等，諸類分析方法用于機組運行在暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)與過渡過程的狀態(tài)分析（圖4）。

圖4 數據分析展示圖

故障報警。在檢測信號超過預設值時系統(tǒng)出現報警提示，預設值的選取與機組工況相關。報警功能根據發(fā)電耗能、抽水蓄能等實時工況將機組不同運行狀態(tài)的負荷、水頭以及導葉開度等分為不同工況，分別設定獨立的報警值，將機組的報警信號準確反應出來[4]。并且對外輸出無源硬接點報警信號以方便提示運行人員。

智能診斷。針對于水輪機與發(fā)電機的故障工況，該系統(tǒng)提供了可進行自動分析診斷的專家系統(tǒng)，專門用于機組運行狀態(tài)的在線智能診斷。故障診斷系統(tǒng)的組成有故障參數量化分析功能、報警預警平臺、自動診斷知識庫、在線自動診斷程序、分析診斷工具和診斷規(guī)程等。首先在報警平臺能夠實現狀態(tài)變化的在線自動捕獲，并將在線自動診斷程序進行觸發(fā)；然后通過自診斷程序能夠自動提取故障診斷專家?guī)欤詈蟾鶕詣釉\斷知識庫的診斷規(guī)程實現自動診斷，并自動生成診斷報告[5]。

數據管理。機組運行的實時數據對于機組運行、狀態(tài)分析和故障診斷是極為重要的，因此建立良好的數據管理系統(tǒng)有益于機組的安全穩(wěn)定運行。永泰抽水蓄能監(jiān)測分析與故障診斷的數據庫可實現數據的不間斷存儲，同時最大限度的存儲歷史數據4年。對超過4年的數據，系統(tǒng)可提供數據備份軟件進行自動和人工備份，系統(tǒng)存儲量可根據硬盤容量進行擴展，同時提供了黑匣子記錄功能與機組試驗數據的存儲功能，確保試驗數據的長期保留[6]。

狀態(tài)報告與事故追憶。運行人員可通過該系統(tǒng)的狀態(tài)報告及時、準確的了解機組的運行工況，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機組狀態(tài)監(jiān)測及振擺監(jiān)測系統(tǒng)支持狀態(tài)報告的自動制作與生成。狀態(tài)報告主要反映了機組的動穩(wěn)態(tài)特性與機組設備的實時運行工況，增加運行人員的快速決策的效能，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據。通過VRS8000狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所錄制的事故數據，可將其數據用于事后分析其發(fā)生原因，避免事故的再次發(fā)生，該功能對于事故可靠預防有重要作用。其中所有的自動錄波和手動錄波都滿足高密度數據采集要求。

其他功能。除上述功能外，永泰機組狀態(tài)監(jiān)測分析故障診斷系統(tǒng)還具有數據通信功能、北斗對時功能等。在系統(tǒng)中的功能實現是基于各部分子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和軟件實現，區(qū)別在于硬件結構與軟件算法的不同。數據通信功能具備數據服務器與電站管理信息系統(tǒng)單向通信與將機組狀態(tài)監(jiān)測及振擺監(jiān)測系統(tǒng)所測量到的機組狀態(tài)數據傳輸至電站生產管理系統(tǒng)，不僅提高了電站的數據信息管理能力，而且還滿足了電站生產管理系統(tǒng)對通信接口的軟件和硬件要求；系統(tǒng)的北斗對時功能是針對電站內所有設備均采用標準時鐘?？膳c監(jiān)控系統(tǒng)合用北斗衛(wèi)星接收系統(tǒng)，具備串口、NTP等對時方式，狀態(tài)監(jiān)測子站間地對時誤差≤1ms。

綜上，當前我國水電機組傾向于大容量、高水頭的發(fā)展，使得電力系統(tǒng)綜合控制也愈加復雜。同時抽水蓄能電站機組正由傳統(tǒng)的計劃檢修、定期維護的運維方式逐漸轉變?yōu)轭A防性維修，為抽水蓄能電站建立一套狀態(tài)監(jiān)測分析故障診斷系統(tǒng)已成為水利行業(yè)的發(fā)展所需，其極大地降低了機組的運維成本，提高了電站的自動化管理水平。