水電站故障監(jiān)測與分析系統(tǒng)研究綜述

李曉超 ，謝威威 ，秦 蓉 ，張 浩

（1.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045；2.中國民航大學(xué)，天津 300300；3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 474664）

隨著國家貫徹落實創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享五大發(fā)展理念的不斷落實，尤其是在“十四五”開局之際，國家對生態(tài)環(huán)境極為重視，煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源將逐步被新能源所取代，新能源發(fā)電迎來了春天。水力發(fā)電行業(yè)擁有較為成熟的技術(shù)，在我國新能源發(fā)電結(jié)構(gòu)中占據(jù)核心地位，且我國幅員遼闊，河流眾多，是一個水能蘊藏量極為豐富的國家，但實際開采利用量遠遠沒有達到理論蘊藏水平，因此。水力發(fā)電將會在未來擔(dān)當重要任務(wù)，在國民經(jīng)濟生活中起到更加重要的作用。

水電站的發(fā)電原理是靠流動的水流和水輪機葉片相互作用，從而把水流中蘊含的水能傳遞給水輪機葉片，帶動其旋轉(zhuǎn)，水輪機大軸又和發(fā)電機大軸通過用法蘭連接，從而水輪機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電，產(chǎn)生生活所需的電能。生活中所用的電器對電能有一定的頻率、電壓、電流等要求，故如何使水電站保質(zhì)保量的生產(chǎn)出所需要的具有良好的電壓、電流等性能的電能是重中之重。由于水力機組大部分是旋轉(zhuǎn)部件，而旋轉(zhuǎn)部件相較于固定部件一般較容易發(fā)生故障，且通過機組的水流中含有雜質(zhì)極容易磨蝕損傷水輪機，降低其工作效率。因此，如何保證水輪機、發(fā)電機的工作效率，又是產(chǎn)生合格電能的重要前提。即保證水力機組工作在最優(yōu)狀態(tài)下，避免或減少其發(fā)生故障，從而提升電站效益，實現(xiàn)經(jīng)濟運行，這就是水電站故障監(jiān)測與分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)是專門針對水電站主輔設(shè)備工作狀態(tài)的檢測處理系統(tǒng)，能夠及時發(fā)現(xiàn)、預(yù)測各部件的工作狀態(tài)及其故障并及時處理故障，以使機組工作在最佳狀態(tài)下，減少資源不必要的浪費。

1 故障檢測與分析系統(tǒng)的組成部分

以前電站運行主要是靠當值的運行人員積累的工作經(jīng)驗，根據(jù)現(xiàn)場實際情況如雜音、形變等信號來判斷機組部件故障，采用預(yù)防性的定期檢修，設(shè)定相應(yīng)時間，對機組進行大修、小修等不同級別的檢查修補，由于部分部件在一定時間內(nèi)不需要頻繁維修，如果機械地定時按期檢修就會浪費人力與物力，且會導(dǎo)致不必要的棄水等情況，影響電站的生產(chǎn)效益。隨著社會進步，尤其是近年來計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，水電站故障分析的數(shù)值算法與監(jiān)測系統(tǒng)也取得了很大進步。機組設(shè)備正逐漸向以預(yù)防性為主的狀態(tài)檢修過度。水電站故障監(jiān)測與分析系統(tǒng)主要分為3部分：數(shù)據(jù)信息的采集、數(shù)據(jù)信息的診斷處理、數(shù)據(jù)信息的反饋與預(yù)測。

1.1 數(shù)據(jù)信息的采集

數(shù)據(jù)信息的收集需要根據(jù)不同類型水電站的實際因地制宜，根據(jù)水輪機、發(fā)電機等設(shè)備的不同布置形式采取相對應(yīng)的采集裝置，但總的來說差別不大，不論是主設(shè)備還是輔助設(shè)備，都是在現(xiàn)場合理布置測量點，通過安裝相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳感器獲得相關(guān)的運行數(shù)據(jù)并返回數(shù)據(jù)處理中心進行分析處理。發(fā)電機、調(diào)速器、推力軸承、剪斷銷等部件的運行數(shù)據(jù)，均可以通過在適當?shù)奈恢貌贾孟鄳?yīng)的傳感器測得相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集較為簡單。但就目前來看，對于水輪機而言，其存在振動、補氣裝置等故障，轉(zhuǎn)槳式水輪機還會存在槳葉故障，但這些故障相比空化空蝕較容易解決，數(shù)據(jù)也可通過相關(guān)傳感器一一測出，如何準確測量和收集空化空蝕數(shù)據(jù)至今仍是困擾眾多學(xué)者專家的難題之一。

空化空蝕在水輪機運行中經(jīng)常發(fā)生，且對機組運行危害極大，導(dǎo)致判斷機組是否發(fā)生空化空蝕及其發(fā)生程度一直是重中之重，而目前國內(nèi)還沒有任何一家公司企業(yè)可以進行空化空蝕商業(yè)監(jiān)測。一方面是由于空化空蝕機理復(fù)雜，尚待進一步揭曉真相，且其涉及多相、微觀、高速、瞬態(tài)流動等技術(shù)，以目前技術(shù)水平，不易捕捉；另一方面是由于空化空蝕多發(fā)生在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)，不同的安裝位置對檢測信號的精確性影響尤為重要，要獲得準確的空化空蝕數(shù)據(jù)，必須使測點布置科學(xué)合理。而該區(qū)域因其工況復(fù)雜多變，傳感器測點的安裝位置往往受限。但盡管如此，針對空化空蝕的特性研究，仍取得了一定進展。水輪機空化目前的主要研究方法有能量法、高速攝影法、閃頻觀察法、聲學(xué)法和振動法，但適合連續(xù)監(jiān)測的只有聲學(xué)法、振動測試法、能量判別法，其中聲學(xué)法又分噪聲法和超聲波法，近年來在水輪機空化監(jiān)測應(yīng)用較多的是超聲波法和振動測試法。其主要原理是針對水輪機空化空蝕所產(chǎn)生的特定頻率進行識別監(jiān)測。超聲波法適合監(jiān)測水輪機空化空蝕誘發(fā)的高頻信號，尤其是空化初生的信號，而振動測試法一般用來測量空化空蝕的低頻信號［1］。目前針對空化空蝕的監(jiān)測數(shù)值模擬技術(shù)也在不斷地發(fā)展完善，已有學(xué)者基于LabVIEW平臺設(shè)計出了空化空蝕的監(jiān)測程序并結(jié)合實際證明了其可行性，但離具體的應(yīng)用還需不斷地完善和改進［2-3］。此外，王輝斌、吳長利、鄒桂麗［4］還研究了一種基于聲發(fā)射信號的水輪機故障診斷系統(tǒng)，根據(jù)不同的脈沖重復(fù)率、聲強烈度、波形貼進度的特征來區(qū)分判斷水輪機的空化、碰磨、裂紋狀態(tài)，并結(jié)合東江水電廠實際機組的運行驗證了其有效性和合理性，進一步拓寬了水電機組狀態(tài)監(jiān)測及診斷的手段和理論。

1.2 數(shù)據(jù)的診斷處理

當系統(tǒng)傳感器采集到所需要的信號之后，會將其傳輸給處理中心，首先要過濾掉信號中的無用信號，得到有用信號后才能分析研判實時的監(jiān)測機組設(shè)備運行情況，并對機組設(shè)備故障進行處理和記錄，形成數(shù)據(jù)庫，以備系統(tǒng)算法的針對性改進和學(xué)習(xí)。

傳統(tǒng)的故障診斷方法是利用各種物理和化學(xué)原理等手段，通過對故障現(xiàn)象和已有故障檔案記錄的現(xiàn)象作比較，觀察其特征，來判別故障類型，該方法對于已知故障的判別快速高效，但判別故障的種類十分受限，很多小故障特征往往不夠明顯。因此，帶動了數(shù)學(xué)故障診斷方法的發(fā)展。這種方法是基于數(shù)學(xué)方法，利用計算機來實現(xiàn)物理信號的數(shù)據(jù)采集、特征計算、特征選擇與提取及分類器設(shè)計等步驟，通過較復(fù)雜的線性或非線性的數(shù)學(xué)運算來實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)分類和故障判別。設(shè)備故障診斷技術(shù)作為一門學(xué)科，尚處在形成和發(fā)展之中，必須廣泛利用各學(xué)科的最新科技成果，特別要借助各種有效的數(shù)學(xué)工具，如基于模式識別診斷方法，基于概率統(tǒng)計的診斷方法，灰色系統(tǒng)診斷法，基于模糊數(shù)學(xué)的診斷方法等［5］，才能夠顯示出其更強大的生命力。

設(shè)備故障的智能診斷方法是在傳統(tǒng)診斷方法的基礎(chǔ)上，將人工智能的理論和方法應(yīng)用于故障診斷。目前大多數(shù)電站均采用故障智能診斷方法。主要有專家系統(tǒng)診斷法、智能網(wǎng)絡(luò)診斷法等處理方法。其中，專家系統(tǒng)診斷法需要有一個或多個專家所提供的經(jīng)驗知識，進行識別判斷故障類型，適合于沒有精準數(shù)學(xué)模型或很難建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜環(huán)境。而對于智能網(wǎng)絡(luò)診斷法又有所區(qū)別，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法類似人的神經(jīng)傳輸和處理信息，其具有聯(lián)想記憶能力、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，適合具有大量的樣本數(shù)據(jù)來分析處理故障，針對從未出現(xiàn)在樣本里的故障是無法自動診斷的。而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法則很好地結(jié)合了數(shù)學(xué)當中的概率統(tǒng)計相關(guān)知識，在復(fù)雜環(huán)境中也能建立良好的系統(tǒng)模型，能較好地在大量不確定因素的系統(tǒng)中進行推理研判。近年來也有不少專家學(xué)者進行不同方法之間的結(jié)合，以求長短互補，也取得了一定進展［6］。

1.3 數(shù)據(jù)反饋預(yù)測

數(shù)據(jù)的反饋主要是在數(shù)據(jù)處理診斷完成之后，根據(jù)其判斷的類別執(zhí)行相應(yīng)的方法。而預(yù)測則是根據(jù)機組自身情況，在故障積累過程中，根據(jù)工作情況利用數(shù)學(xué)模型分析預(yù)測各個部件的損傷程度和壽命。目前由于故障監(jiān)測與分析系統(tǒng)應(yīng)用較少，積累的相關(guān)記錄不多，故對故障的預(yù)測還有待進一步完善發(fā)展。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

陳錫洲［7］就某電站，結(jié)合其振動測試數(shù)據(jù)，分析了該機組振動的4條原因，通過具體的7條處理舉措，機組在之后的運行過程中一直處于良好狀態(tài)。

蔣梅莉［8］就廣西里定水電廠轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)異常聲響、該機組各部件振動增大的故障情況做了詳細介紹，將水輪機分解檢查，找到了事故的主要原因，原來是槳葉連桿連接螺栓鎖定裝置中的六角柱、鎖定塊脫焊導(dǎo)致的，后經(jīng)修補和更換相關(guān)設(shè)備，機組恢復(fù)正常。

劉小云、張小東［9］就貴州三板溪水電廠介紹了水輪機運行過程中發(fā)生的補氣裝置故障。對其工作原理和故障原因進行深入分析后，對補氣裝置進行了改進，經(jīng)實際運行，效果顯著。

宋曦［10］結(jié)合巴基斯坦內(nèi)中國建設(shè)的高摩·贊水電站，介紹了該電站一號機組試運行期間發(fā)生的兩次工作密封故障。第一次試運行期間經(jīng)流量計數(shù)值反映，發(fā)現(xiàn)不正常運行狀況；第二次試運行期間在水輪機室現(xiàn)場，工作人員發(fā)現(xiàn)有白煙冒出并伴有刺鼻橡膠燃燒氣味。經(jīng)工作人員研究分析，他們結(jié)合該電站的實際水流狀況對工作密封裝置做出了符合當?shù)匦枨蟮母倪M，改造后該電站機組平穩(wěn)運行至今。

劉文章、劉斌、杜楠等［11］介紹了青峰嶺電廠3臺混流式水輪發(fā)電機組的接力器故障和油泵頻繁啟動故障，通過理論分析和所得參數(shù)發(fā)現(xiàn)問題關(guān)鍵所在，并給出了處理方案，經(jīng)運行驗證了處理方法的合理性。

以上案例所在電站可能沒有機組故障監(jiān)測與分析系統(tǒng)，或不夠完善、不夠可靠等。但是如能科學(xué)地應(yīng)用該系統(tǒng)，可以大大降低機組在運行過程中出現(xiàn)的故障風(fēng)險，避免小故障引起連鎖反應(yīng)造成大事故，減少電站損失。在長江流域某大型水電站，就成功地通過機組故障監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并解決了一起安全隱患。該機組監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測記錄如圖1。

圖1 上導(dǎo)軸承擺度監(jiān)測記錄

發(fā)現(xiàn)該機組通過A級檢修并進行上導(dǎo)軸承改造后，自開機起，機組上導(dǎo)X、Y向擺度平均值為244um（169～319um），隨著機組的運行又增加了75～319um（259～378um），大于雙邊間隙320um，且有進一步增大趨勢。為消除該安全隱患，在機組停機期間對該機組上導(dǎo)軸瓦間隙重新調(diào)整，及時對該機組上導(dǎo)軸承進行了維修。維修后通過監(jiān)控系統(tǒng)對機組的監(jiān)測記錄分析，上導(dǎo)X、Y向擺度平均值為140um （136～144um），相比修前降低179um。機組恢復(fù)正常。劉香建、楊秀峰［12］指出狀態(tài)檢修是未來的檢修方式，在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅節(jié)省電廠的檢修成本，還能提高機組運行的安全性和穩(wěn)定性。結(jié)合實際電站發(fā)生的故障情況，充分利用在線監(jiān)測系統(tǒng)，快速準確地確定了故障位置，為快速排除機組故障創(chuàng)造了條件。周伍、譚滔宇、王濤［13］也是基于在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對歷史數(shù)據(jù)進行分析，確定了近幾年時有發(fā)生的調(diào)速器故障，并實現(xiàn)了快速、準確、有效地解決，再次驗證了故障監(jiān)測與分析系統(tǒng)的優(yōu)越性。

目前，電站的故障監(jiān)測與分析系統(tǒng)大同小異，主要是由系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站、狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器3部分組成。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站主要負責(zé)各種信號的采集、存儲和數(shù)據(jù)處理，并進行實時監(jiān)測和分析，同時對相關(guān)數(shù)據(jù)進行特征信號提取，完成水電機組故障的預(yù)警和報警，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳至狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器，供系統(tǒng)分析和診斷。狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器則用于存儲和管理從各數(shù)據(jù)采集箱傳送過來的水電機組實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及特征信號。Web服務(wù)器則負責(zé)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與MIS系統(tǒng)的通信。通過Web服務(wù)器，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可從MIS系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)瀏覽和查詢［5］。

但各水電站由于其地理環(huán)境不同、機組結(jié)構(gòu)及其布置形式不同、機組運行工況和時長不同，因此在應(yīng)用系統(tǒng)時，要獨立自主地開發(fā)適合本電站的水輪機組故障檢測與分析系統(tǒng)，結(jié)合實際走出一條符合自身實際的特色道路。

3 存在問題及建議對策

由于該系統(tǒng)目前應(yīng)用不多或已應(yīng)用電站對其重視度不夠，許多問題尚待探索，但隨著該系統(tǒng)的應(yīng)用，不可避免地暴露出更多問題，這就要求不斷地更正改進。在加強機組實時狀態(tài)監(jiān)測的同時，要時刻注意提高機組自動化元件的可靠程度，不斷地改革創(chuàng)新、優(yōu)化升級，不斷地提高故障處理效率并提供更加準確真實、科學(xué)合理的數(shù)據(jù)信息，使該系統(tǒng)更加可靠，有利于推廣應(yīng)用［14］。目前存在的主要問題還是在故障監(jiān)測與分析系統(tǒng)的智能診斷方法上，由于診斷方法涉及交叉的多學(xué)科相關(guān)專業(yè)，綜合了水力、電氣、機械、計算機、人工智能、數(shù)學(xué)等多個學(xué)科的知識，導(dǎo)致診斷方法理論還不夠完善、不夠智能靈活。以后應(yīng)注意培養(yǎng)綜合性交叉學(xué)科人才，才能使診斷方法更加完善，才能早日實現(xiàn)無人值班、少人值守的目標。

4 結(jié)語

水電站機組的故障監(jiān)測和分析系統(tǒng)是逐步實現(xiàn)狀態(tài)檢修的重要支撐，對水電站的安全生產(chǎn)具有重要意義，但開展該系統(tǒng)涉及多學(xué)科知識的交叉應(yīng)用和密切配合。需要具備技術(shù)理論的研究人員與實際生產(chǎn)運行中擁有豐富經(jīng)驗的專家們共同努力，才能付諸實施［15］。如果水電站能科學(xué)地應(yīng)用水輪機組故障監(jiān)測與分析系統(tǒng)，除了能帶來巨大的經(jīng)濟效益外，還會大大加快水電站自動化程度，這也符合未來智能化發(fā)展的方向和趨勢。