貫流式機(jī)組輔機(jī)設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究

楊永剛，邱海云，萬鴻宇，談洋洋

（1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100007；2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；3.汕頭華僑經(jīng)濟(jì)文化合作試驗(yàn)區(qū)，廣東 汕頭 515054；4.江西省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司新干航電樞紐分公司，江西 吉安 331303）

燈泡貫流式機(jī)組流道順直，流場分布較均勻，因此水力效率較高，高效區(qū)平坦寬闊，轉(zhuǎn)輪的單位轉(zhuǎn)速高，單位過流量大，與同容量立式機(jī)組相比較，貫流式機(jī)組尺寸要小得多，機(jī)組重量輕，可布置在壩體內(nèi)，取消了復(fù)雜的引水系統(tǒng)，減少了廠房的建筑面積，土建工程量少，開挖淺，投資省。

水力發(fā)電機(jī)組輔助設(shè)備是附屬于水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)等主機(jī)設(shè)備的附屬設(shè)備，包括水輪機(jī)主閥、油氣水系統(tǒng)以及水力監(jiān)測系統(tǒng)等內(nèi)容，水力機(jī)組輔助設(shè)備的設(shè)置是為了確保機(jī)組的正常運(yùn)行，同時(shí)也是為了滿足水力發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行過程中實(shí)施操作、控制、維護(hù)、檢修和運(yùn)行管理的要求。若輔助設(shè)備出現(xiàn)故障，輕則造成設(shè)備的毀壞，重則造成安全事故，是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。因此，水電站運(yùn)行過程中，必須要做好輔助設(shè)備的維護(hù)與維修，使其能夠長期保持穩(wěn)定狀態(tài)[1]。

1 智慧水利

水利部在2019年提出修訂“智慧水利”總體建設(shè)目標(biāo)：依托現(xiàn)代化技術(shù)手段，全面建成水利信息基礎(chǔ)感知體系，健全保障支撐環(huán)境，推動(dòng)水利綜合業(yè)務(wù)精細(xì)化管理，提升科學(xué)化決策調(diào)度管理水平，最終形成“更透徹的感知、更全面的互聯(lián)互通、更科學(xué)的決策、更高效的智能管理”的智慧水利管理體系[2]。

在此基礎(chǔ)上，一種基于集成、統(tǒng)一、堅(jiān)強(qiáng)的軟硬件平臺(tái)建設(shè)安全、經(jīng)濟(jì)與高效運(yùn)行的新型、智能水電站逐漸成為熱議話題，如劉鶴[3]等人根據(jù)水電站設(shè)備巡檢的實(shí)際業(yè)務(wù)需要，闡述了智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)整體構(gòu)架、主要功能模塊，并介紹了改系統(tǒng)在水電站的實(shí)際應(yīng)用情況，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)代替人員開展設(shè)備巡檢的目標(biāo)；艾遠(yuǎn)高[4]等人闡述了水電機(jī)組極大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了智能狀態(tài)分析方法和健康狀態(tài)關(guān)聯(lián)分析模型，利用該方法和模型分析水電機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為機(jī)組的狀態(tài)檢修決策提供了依據(jù)與參考；陳洪[5]等人對(duì)水電機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)內(nèi)容、狀態(tài)數(shù)據(jù)集成思想與方法展開了研究，在水電機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)處理的過程中引入了大數(shù)據(jù)技術(shù)，提出一種新的機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)處理架構(gòu)。

2 輔助設(shè)備監(jiān)測與故障診斷現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，多種發(fā)電與輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在水電站投入運(yùn)行，水電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，顯著地推動(dòng)了水電站的智能化建設(shè)[6]。作為智能水電站的重要組成部分，輔助設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷智能化也急需得到快速發(fā)展，對(duì)此，也有一些學(xué)者展開了研究。張巖[7]對(duì)水電站輔助設(shè)備的智能化改造進(jìn)行了分析，提出水電站可根據(jù)自身特點(diǎn)在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行智能水電站的建設(shè)，對(duì)電站現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)備的信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化，為電站站控層提供全面、詳盡、準(zhǔn)確的輔助設(shè)備基礎(chǔ)信息；向巧鳳[8]對(duì)巖灘水電站水輪發(fā)電機(jī)組2 號(hào)機(jī)組輔助設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后，設(shè)備的可靠性得到了顯著提高，優(yōu)化成果也為其他機(jī)組及輔助設(shè)備智能化改造提供了指導(dǎo)及借鑒；吳瀟[9]等人對(duì)水電站幾種重要輔助設(shè)備的控制方式和控制邏輯標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行探討，并提出了一種簡單、可靠、適用范圍廣的控制方案。

綜上所述，水電站輔助設(shè)備的在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)尚不成熟。本文針對(duì)貫流式機(jī)組水電站的輔機(jī)設(shè)備，基于智能終端的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)一種智能的、一體化的新型輔助設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，為水電站智能一體化建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

3 智能化輔機(jī)設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)

3.1 智能化輔機(jī)設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)概述

本文所提的輔助設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，包括集控平臺(tái)、云儲(chǔ)存平臺(tái)、計(jì)算平臺(tái)以及終端感知平臺(tái)，具體示意圖見圖1。

圖1 輔助設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，集控平臺(tái)包括監(jiān)控中心、命令中心以及數(shù)據(jù)庫1，其功能在于對(duì)輔助設(shè)備各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，根據(jù)狀態(tài)預(yù)測、診斷結(jié)果下達(dá)命令以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

云儲(chǔ)存平臺(tái)主要功能為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)交流，包括正常數(shù)據(jù)儲(chǔ)存平臺(tái)和異常數(shù)據(jù)儲(chǔ)存平臺(tái)，異常數(shù)據(jù)儲(chǔ)存連接數(shù)據(jù)庫1，且數(shù)據(jù)庫1 與集控平臺(tái)相連；正常數(shù)據(jù)儲(chǔ)存連接數(shù)據(jù)庫2，且數(shù)據(jù)庫2 與重要輔助設(shè)備監(jiān)控中心相連。

計(jì)算平臺(tái)主要功能為數(shù)據(jù)分析與計(jì)算，提取特征量、建立新的模型，該平臺(tái)包括常見異常計(jì)算中心，非常見異常計(jì)算中心。

終端感知系統(tǒng)的主要功能為現(xiàn)地監(jiān)測，數(shù)據(jù)感知，包括機(jī)械設(shè)備運(yùn)行工況參數(shù)監(jiān)測、工質(zhì)指標(biāo)參數(shù)監(jiān)測以及智能巡檢。

3.2 系統(tǒng)工作流程

智能化輔機(jī)設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，其工作流程為：終端感知平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)地監(jiān)測、數(shù)據(jù)感知，隨后將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至集控平臺(tái)的顯示屏上，數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算平臺(tái)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正常、異常判斷，正常數(shù)據(jù)直接儲(chǔ)存，異常數(shù)據(jù)則進(jìn)行相關(guān)的診斷分析，最后將診斷分析結(jié)果反饋至命令中心，命令中心下達(dá)命令，運(yùn)維人員根據(jù)相關(guān)命令對(duì)輔助設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，并解除異常，具體工作流程見圖2。

圖2 智能化輔機(jī)設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)工作流程圖

如圖2所示，終端感知平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)地監(jiān)測與數(shù)據(jù)感知，通過振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、液位信號(hào)計(jì)等監(jiān)測儀器對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行工況參數(shù)以及工質(zhì)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與收集。其中，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測參數(shù)包括泵的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、功率、電流、電壓、壓力、溫度、啟動(dòng)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)長，閘門與閥門位置；工質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測參數(shù)包括油系統(tǒng)的油溫、油壓、油質(zhì)、油位，供水系統(tǒng)的水壓、流量、水溫、水流通斷、排水系統(tǒng)的水位，氣系統(tǒng)的空壓機(jī)的排氣壓力、排氣溫度、冷卻水量、儲(chǔ)氣罐的壓力與溫度、制動(dòng)供氣的壓力。

終端感知平臺(tái)配置智能巡檢功能，其目的在于輔助在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，排除監(jiān)測儀器故障引起的系統(tǒng)誤判。對(duì)上述各監(jiān)測點(diǎn)按不同系統(tǒng)、重要程度排序，制定最優(yōu)路線并錄入智能機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人按指定路線進(jìn)行巡檢。同時(shí)智能機(jī)器人具有識(shí)別、拍照、錄像的功能，即每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都有安全值或者安全狀態(tài)，將該點(diǎn)的安全值以及安全狀態(tài)也錄入智能機(jī)器人系統(tǒng)，在每次巡檢過程中，智能機(jī)器人按指定路線對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，拍照，然后將監(jiān)測點(diǎn)照片中的實(shí)時(shí)值或?qū)崟r(shí)狀態(tài)與系統(tǒng)記錄值或記錄狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，得出對(duì)比結(jié)果并反饋。智能巡檢設(shè)置為定期巡檢與非定期巡檢，定期巡檢即按輔助設(shè)備及工質(zhì)的運(yùn)行周期制定，非定期巡檢即針對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)而展開。

終端感知系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算平臺(tái)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，同時(shí)油系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)與工質(zhì)指標(biāo)參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)接入顯示屏2、氣系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)與工質(zhì)指標(biāo)參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)接入顯示屏3、水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)與工質(zhì)指標(biāo)參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)接入顯示屏4。數(shù)據(jù)分析正常則儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫2；異常則與數(shù)據(jù)庫1 進(jìn)行對(duì)比，若數(shù)據(jù)庫1 中有相符記錄，則該異常數(shù)據(jù)為常見異常，針對(duì)該常見異常，進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測以及故障分析，得出分析診斷結(jié)果；若數(shù)據(jù)庫1 中沒有相符記錄，則與水電機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，判斷異常是否由水力機(jī)組異常引起；或?qū)υ摦惓?shù)據(jù)進(jìn)行各系統(tǒng)內(nèi)部分析，判斷該異常數(shù)據(jù)是由設(shè)備異常還是工質(zhì)異常引起的，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，提取特征量，建立新的模型進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測及故障診斷，得出分析診斷結(jié)果。異常數(shù)據(jù)及其處理過程、結(jié)果均儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫1 中。

命令中心根據(jù)上述分析診斷結(jié)果發(fā)出報(bào)警、警告、事故、故障、中斷等命令，運(yùn)維人員根據(jù)相關(guān)命令對(duì)輔助設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢修，直至異常解除。

數(shù)據(jù)庫1 與數(shù)據(jù)庫2 之間具備數(shù)據(jù)交流功能，可相互提取數(shù)據(jù)記錄，也可相互寫入數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)庫1 具有與外部數(shù)據(jù)庫交流的功能，如與其他電站數(shù)據(jù)庫交流，進(jìn)而對(duì)本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。

4 結(jié)論

本文對(duì)貫流式水電站輔助設(shè)備的監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)展開了研究，提出了一種智能化輔助設(shè)備比在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括集控平臺(tái)、云儲(chǔ)存平臺(tái)、計(jì)算平臺(tái)以及終端感知平臺(tái)。該系統(tǒng)的有效運(yùn)行能夠?qū)崿F(xiàn)輔助設(shè)備各運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)記錄、儲(chǔ)存、顯示，完成在線分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與水電機(jī)組的運(yùn)行耦合，實(shí)時(shí)反映其與機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行之間的關(guān)聯(lián)狀態(tài)，從而更好地服務(wù)水力機(jī)組的運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測以及故障診斷，提高輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)的效率，同時(shí)可為建設(shè)水力機(jī)組與輔助設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷一體化系統(tǒng)的智能水電站提供理論基礎(chǔ)。