故障診斷與預警技術(shù)在多梯級提灌泵站聯(lián)合調(diào)度中的應用與實踐

史中興，梁兆健，王應平

(1.甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400；2.甘肅隴原信息科技有限公司，甘肅 蘭州 730101；3.甘肅省膜科學技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730101)

本篇論文選取的實踐目標是多梯級提灌泵站計算機檢測控制系統(tǒng)的綜合調(diào)度和運行情況的優(yōu)化，選擇大型雙吸式離心水泵機組的工作原理作為切入點，對各個機組運行狀態(tài)下呈現(xiàn)的表象進行統(tǒng)計，對有效的信息進行全面分析，進行知識庫的構(gòu)建，促進機組故障的檢測應對能力以及提前示警有效性的提升。

1 高壓電動機的故障機理分析

在各類水利項目以及農(nóng)業(yè)灌溉排水當中，大型雙吸式離心水泵機組獲得了大量的使用，是提灌泵組的重要設備，其運行效率、安全性和穩(wěn)定性提升是泵站管理的重要內(nèi)容。但是，因為水泵機組使用時間較長，運行當中面臨復雜的變化，容易發(fā)生各種風險問題。研究表明，風險問題的出現(xiàn)集中在對水泵進行驅(qū)動的高壓電動機上，比如絕緣失效、轉(zhuǎn)子斷裂、定子溫度反常、氣隙偏離中心等，這些風險問題不僅影響了高壓電動機的工作狀態(tài)，還對水泵機組的穩(wěn)定性存在影響?？梢钥闯觯槍Υ笮碗p吸式離心水泵機組中的壓力較大的電動機可能出現(xiàn)的故障風險開展成因分析并提高示警的準確性，對于故障風險的清除、突發(fā)事故的應對、安全生產(chǎn)的保障存在積極的現(xiàn)實意義。

要想對電動機可能出現(xiàn)的風險事故進行預防，需要先對電動機可能出現(xiàn)的故障情況進行全面的分析。主要是對電動機的生產(chǎn)技術(shù)、電動機工作情況以及維修技術(shù)等信息以及經(jīng)驗開展研究：

繞組匝間短路。該類型的故障產(chǎn)生的后果嚴重程度不同，較輕的會造成導線的斷開，嚴重時會造成鐵心槽口位置發(fā)生融化，可能使得鐵芯無法再次使用，需要對其進行更換，該類故障的成因較為復雜。

電動機具有很高的溫度。作為將電能向機械能轉(zhuǎn)變的設備，電動機在工作時會出現(xiàn)能量的損耗，損耗包括機械損耗、銅損耗以及貼損耗等不同類型，損耗會轉(zhuǎn)變成熱量，造成電動機溫度的提升，一般情況下，溫度低于一定的數(shù)值。引起電動機具有過高溫度的成因較多，比如電動機或者電源品質(zhì)、荷載等存在反常，都會造成電動機具有很高的溫度，該情況長時間存在會使得溫度高于絕緣材料的溫度臨界值，造成絕緣失效，影響電動機的使用時間。

電機掃膛。電動機掃膛指的是其在運行過程中轉(zhuǎn)子和定子鐵芯發(fā)生摩擦，主要包括虛掃和實掃兩種類型，掃膛會在轉(zhuǎn)子和定子表層產(chǎn)生痕跡。實掃指的是帖子和定子鐵芯發(fā)生摩擦，表明兩者之間的氣隙不夠統(tǒng)一，嚴重情況下會造成鐵芯溫度提升，造成絕緣失效，引起繞組匝間出現(xiàn)接地或者短路。虛掃指的是定子和轉(zhuǎn)子鐵芯未出現(xiàn)實際的摩擦，是兩者之間的浸瘤清理不干凈或者電動機中存在雜物引起。。

軸承溫度過高。電動機通常利用滾珠軸承作為傳送端，利用滾珠軸承作為非傳動端，溫度過高是轉(zhuǎn)動中較為多見的故障。軸承溫度過高會造成潤滑脂濃度降低發(fā)生泄漏，嚴重的話會使軸承發(fā)生損壞。

電動機空載電流過大。空載電流通常含有兩個分量，也就是空載電流和空載激磁電流，電流的存在跟電動機的設計方案、生產(chǎn)質(zhì)量和導磁物質(zhì)的使用存在關聯(lián)。空載電流的大小通常是滿載電流的15%-20%。電動機在出售以前要進行空載電流的檢測，假如電流數(shù)值過大，需要對成因進行檢查和處理。

三相電流不平衡。在三相電壓存在對稱關系的情況下，異步電動機工作在特定電壓下，空載電流的每個相跟三項均值間的偏差均小于均值的5%。假如三相電壓平衡性較差，或者電動機出現(xiàn)故障，會引起三相電流平衡性較差。不但會造成電動機溫度提高，還會造成磁場平衡性失效，引起機身出現(xiàn)振動。為了保證三相電流的平衡，需要保證三相電壓的平衡，有關標準提出三相電流最高和最低數(shù)值差跟均值的比值低于或者等于1%。

異步電動機轉(zhuǎn)子傳導鏈條出現(xiàn)斷裂。電動機在工作時，假如矩形和梯形銅排導條發(fā)生斷裂，就會造成轉(zhuǎn)子溫度提升，使得電動機過熱。導條發(fā)生多處斷裂，會造成磁拉力平衡性降低造成電動機大幅振動，如果較為嚴重，導條會出現(xiàn)融化造成定子繞組端發(fā)生燃燒損毀，出現(xiàn)擊穿問題。導條發(fā)生斷裂的成因通常是導條固定不緊，在電動機工作時，導條因為受到熱應力或者離心力的影響而出現(xiàn)疲勞，如果超過臨界值就會出現(xiàn)斷裂。

軸伸斷裂。軸伸斷裂的成因較多，包括材料質(zhì)量較差、軸伸受到均勻性較差的壓力或者存在尖角使得應力過于集中等。例如電動機因為填料多少不固定，造成軸伸存在太大的扭矩引起疲老而出現(xiàn)斷裂。水泵電動機的傳動通常采用皮帶輪，因為軸線存在較差或者帶輪存在太大的張力，長時間使用會造成疲勞引起斷裂。在進行制造過程中，尖角的存在使得應力過于集中也會造成軸伸的斷裂。

2 多梯級提灌泵站聯(lián)合調(diào)度存在的問題及解決思路

因為梯級泵站輸水工程具有很高的復雜度，在工作時需要應對各種工藝難點，通常會因為不合理的決策引起電力或者水量的損耗，影響了工作目標的實現(xiàn)。當前，我國梯級泵站系統(tǒng)在工作中面臨的主要問題包括：(1)一些泵站工作中頻繁進行開關機。機組無法調(diào)節(jié)的泵站在工作時因為流量匹配不合理或者工作狀況的變化，流量和水位也會出現(xiàn)改變，使得機組需要多次進行開關機以保證流量和水位符合有關需求。機組的頻繁關機和停機會造成設備出現(xiàn)嚴重的損耗，使得工作成本提升。(2)一些泵站工作效率不高。因為輸水時工作狀態(tài)會發(fā)生變化，泵站進行調(diào)度時無法依據(jù)揚程和流量的變化對機組工作計劃開展調(diào)整，造成其無法達到最高的運行效率，引起泵站工作效率不高，提高了輸水成本。

而且，雙吸式離心水泵機組存在各種復雜的故障，故障的成因、內(nèi)容和原理的復雜度和模糊性無法找到有效的數(shù)學模型進行匹配，也無法通過對確定性的評估實現(xiàn)對故障性質(zhì)的分析。

本次項目基于故障診斷常規(guī)手段，提出利用模糊專家系統(tǒng)針對設備使用情況開展分析，從而有效結(jié)合故障確定技術(shù)跟人工智能，推動故障診斷精準度的提升。

(1)依據(jù)雙吸式離心水泵機組發(fā)生振動故障的特征，提出了一種以神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯以及專家系統(tǒng)為基礎的混合故障診斷手段：對于故障提前預兆的模糊性問題，利用模糊集有關理論對故障提前預兆開展模糊處理；

(2)對于專家領域內(nèi)的有關知識存在不確定性的情況，以及以模糊形式規(guī)范為基礎的故障確認專家系統(tǒng)具有規(guī)則推理不匹配和效率不高的情況，考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡存在很強的差錯包容能力和并行應對能力，將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡引進到專家系統(tǒng)當中；

(3)考慮到雙吸式離心水泵機組存在故障預警多且成因復雜這一情況，依據(jù)造成機組振動的三個不同種類的源頭，進行了三個故障確認子故障模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的構(gòu)建。利用仿真對模糊神經(jīng)網(wǎng)絡在機組振動故障確認專家系統(tǒng)中進行應用的可操作性進行驗證。

全面的對大型梯級泵站的情況進行考量，對梯級泵站的流量變化時水力瞬間的改變進行計算，進行動態(tài)調(diào)度調(diào)整模型的構(gòu)建，主要的控制對象是系統(tǒng)抽水成本的降低，決策目標的選擇時流量的配給，結(jié)合順便流和優(yōu)化調(diào)整等有關理論，構(gòu)建了以機組故障處理和抽水成本降低為主要目標的動態(tài)優(yōu)化調(diào)整模型，并通過粒子群算法的分析，全面的針對抽水成本跟機組故障處理成本和開關頻率之間的關聯(lián)進行分析，為大型梯級泵站工作狀況的管理奠定了基礎，并以此為基礎實現(xiàn)了機組運行狀態(tài)和故障預警軟件的研發(fā)，其功能主要有資料收集、數(shù)據(jù)分析、工作狀態(tài)監(jiān)控、故障預警、振動研究、故障處理等。保證了設備能夠發(fā)揮出預設的最優(yōu)功能，進行了設備維護制度的編制，在特定環(huán)境中不斷的對設備使用潛力進行發(fā)掘，提高其使用年限，促進設備使用成本的下降。通過故障成因研究、性能檢測等，為機組設計的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)的調(diào)整和工作狀況提供有效的資料和數(shù)據(jù)。

圖1 智能泵站聯(lián)合調(diào)度決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 在線監(jiān)測預警與聯(lián)合調(diào)度的應用與實踐

作為我們國家重要的糧食生產(chǎn)基地，景電灌區(qū)內(nèi)的電力提水灌溉工程具有流量大、揚程高等特點，43座泵站的裝機總量達到了270 MW，是保證提輸水任務有效落實的基礎，所以保證水泵機組高效穩(wěn)定安全的使用具有非常重要的意義。

本次項目研究的高壓電動機動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要的方向是故障的示警，利用非侵入式在線監(jiān)控和檢測方法，設定的檢測指標包括電動機絕緣部件的電阻和溫度、區(qū)域性放電、電動機的電流、電壓以及振動情況等，通過對有關的特征參數(shù)進行整理，對其特有的屬性進行分析，從而明確示警指標；利用本文所述的故障示警手段，完成了工作狀態(tài)評價和故障示警功能；通過故障示警軟件和數(shù)據(jù)庫的設計，保證其能夠完成電動機工作狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測、故障的示警和明確，實現(xiàn)了對故障出現(xiàn)有效管理的目標。

4 應用效果

本次研究取得的結(jié)論和完成的目標主要包括:

(1)利用遠程實現(xiàn)了對機組工作狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)控，使調(diào)度人員可以掌握有效的資料，實現(xiàn)對機組調(diào)度的優(yōu)化，避免了泵站頻繁的開關機，減少了水和能量的損耗。

(2)實現(xiàn)了對泵站機組溫度變化的動態(tài)監(jiān)視，使得調(diào)度人員能夠更好的掌握機組工作狀態(tài)，便于快速進行檢修，以免機組運行狀態(tài)受到影響。

(3)完成了調(diào)度的遠程管理。使得機組開機和關機操作能夠快速得到相應，保證了高遠程提灌工程工作的穩(wěn)定性和安全性。

(4)實現(xiàn)了對電量信號的遠程動態(tài)監(jiān)控和測量，對自動化保護功能進行了完善，提高了設備運行的安全性。

(5)完成了調(diào)度決策相匹配的軟件設計，促進了供水系統(tǒng)工作效率和安全性的提升。

5 結(jié)語

梯級泵站工程運行和管理優(yōu)化相關研究較為復雜，其涉及的學科較多，包括電機學、控制學、統(tǒng)籌學、水力學、工程學等。而且，梯級泵站工程在運行時會聯(lián)合倒虹吸、明渠、管路通道、漸變段等建筑物共同利用，距離較遠的調(diào)水工程需要跨度較大的輸水管和線路，工作狀況較為復雜，并且受到環(huán)境、地質(zhì)和調(diào)度人員主觀因素的影響，在調(diào)水時會出現(xiàn)各種不同的以外狀況，本文結(jié)合有關的研究資料，對梯級泵站工程的工作狀態(tài)進行了分析，得出了許多的參考意見和成果，然而還有很多問題需要進一步開展研究和探索。