孟安波劉秀良徐海波蔣曉明

（1.廣東工業(yè)大學 2.甘肅電力科學研究院3.廣東省現(xiàn)代電力電子工程技術(shù)中心 4.廣東省科學院自動化工程研制中心)

水電機組智能盤車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討與實踐

孟安波1劉秀良2徐海波3蔣曉明4

（1.廣東工業(yè)大學 2.甘肅電力科學研究院3.廣東省現(xiàn)代電力電子工程技術(shù)中心 4.廣東省科學院自動化工程研制中心)

傳統(tǒng)盤車方法存在布點數(shù)量小、停點不準確、讀數(shù)主觀性強、盤車耗時長等問題，因此迫切需要開發(fā)一種通用性強、效率高、精度高、智能性強的全自動智能盤車系統(tǒng)，本文對其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行了深入有效的探討，在此基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的解決方法與方案。通過現(xiàn)場試驗，驗證了所提出解決方案的有效性與可行性。

水電機組；智能盤車；相位識別

1 引言

在水電廠盤車領(lǐng)域，國內(nèi)絕大多數(shù)水電機組采用的都是傳統(tǒng)的8點等角盤車方法[1]，即在每個典型測量部位，將圓周統(tǒng)一等分為8點，并按順時針方向依次編號，盤車時依次在每個軸號處停留，讀取主軸在各典型部位各軸號處的百分表讀數(shù)，然后描點計算各典型部位的最大擺度和方位。但這種方法與技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平和現(xiàn)場經(jīng)驗有很大關(guān)系，計算結(jié)果往往不一致，以至盤車擺度的大小及方位都不太準確，直接影響了下一步主要旋轉(zhuǎn)部件尋找中心及軸線處理量的大小和方向確定。在計算機及光電傳感器測量技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這些測量方法在一定程度上阻礙并制約了水電安裝質(zhì)量的提升。具體表現(xiàn)在：一是傳統(tǒng)測量方法效率低，如用百分表測量機組各轉(zhuǎn)動部分擺度時，需要在每個測量位置設(shè)置人工監(jiān)視百分表的變化；二是傳統(tǒng)測量方法可信度相對較低，同是一塊百分表，每個人測量出的數(shù)據(jù)往往存在或多或少的差異；三是傳統(tǒng)測量方法測點較少，由于采用的百分表讀數(shù)，目前盤車的測點一般都是等角8點，測量結(jié)果顯得有些粗糙；四是傳統(tǒng)測量方法停點不準，目前的盤車工具往往難以控制轉(zhuǎn)速，停點要么超前，要么滯后，從而導致測數(shù)不準，致使測得的數(shù)據(jù)誤差大。另外，從盤車數(shù)據(jù)處理方法上來看，目前國內(nèi)外采用的方法主要有：一是盤車數(shù)據(jù)手工描圖，二是采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行擬合分析處理。但它們的基礎(chǔ)都是基于等相位8點或16點盤車數(shù)據(jù)，對于任意相位、任意點數(shù)的盤車數(shù)據(jù)，往往顯得無能為力或者計算過于復雜[2]。

縱觀目前國內(nèi)外盤車技術(shù)的現(xiàn)狀，盤車方式必然朝著自動化、智能化方向發(fā)展。隨著傳感器技術(shù)與計算機技術(shù)的日益成熟，盤車方法也必然摒棄過去傳統(tǒng)的等轉(zhuǎn)角8點盤車模式，盤車過程應(yīng)該是連續(xù)過程，被測點數(shù)不受限制，也不需要停留在被測部位，而且盤車過程應(yīng)該與盤車點數(shù)、相位以及盤車旋轉(zhuǎn)速度無關(guān)，這就大大節(jié)省了盤車時間，同時還可以顯著提高測量精度。由于自動盤車方法與傳統(tǒng)方法有了質(zhì)的飛躍，因此有必要研究一種新的數(shù)據(jù)處理，以便能夠分析任意點數(shù)、任意相位的盤車數(shù)據(jù)。針對傳統(tǒng)盤車技術(shù)已無法滿足機組特別是大型機組安裝質(zhì)量要求，本文提出了一種全新的全自動智能盤車系統(tǒng)，并詳細介紹其關(guān)鍵技術(shù)及解決措施。目前該系統(tǒng)已被成功開發(fā)出來，并開始投運在水電廠的盤車過程中，取得了良好的經(jīng)濟效益。

2 全自動智能盤車系統(tǒng)特點

全自動智能盤車系統(tǒng)雖然沒有特定的定義，但是本文認為它至少具備以下幾個方面特征：

（1） 適應(yīng)于任意測點任意軸位盤車

由于傳統(tǒng)等角盤車方法往往存在對位不精準的缺點，特別是對于全自動連續(xù)盤車采樣過程，軸的轉(zhuǎn)速不能保證完全勻速旋轉(zhuǎn)。因此，全自動智能盤車系統(tǒng)必須滿足任意轉(zhuǎn)角任意軸位盤車的客觀需要。這就需要解決測點軸位定位的關(guān)鍵問題。

（2） 適應(yīng)手動或自動、單獨或整體盤車

全自動智能盤車系統(tǒng)除了滿足自動盤車需要，其智能性還應(yīng)該體現(xiàn)在：① 與盤車方式無關(guān)，即適應(yīng)于手動也適應(yīng)于自動；② 與盤車部位無關(guān)，即能夠適應(yīng)于單獨或整體盤車；③ 與旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速無關(guān)，即能夠適應(yīng)于任意軸位測點盤車。

（3） 適應(yīng)于連續(xù)采樣數(shù)據(jù)正弦濾波要求

水電機組盤車時旋轉(zhuǎn)軸的擺度特性在理論上應(yīng)該遵循一條正弦曲線，其擺度曲線的規(guī)律性不受盤車方式的影響。由于采樣過程往往受到外界干擾，因此全自動智能盤車系統(tǒng)必須具備對連續(xù)采樣數(shù)據(jù)正弦濾波的能力。

3 全自動智能盤車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

3.1 盤車動力裝置

傳統(tǒng)的盤車動力裝置多采用手動盤車、機械盤車或是電磁動力盤車，它們共同的缺點有：測數(shù)不準，無法一步調(diào)整到位，造成反復、無效勞動多；勞動強度大、工作效率低；現(xiàn)場布置繁雜，安全生產(chǎn)與勞動質(zhì)量不能保證等問題。解決的方案是采用自動盤車裝置，自動盤車裝置能夠使轉(zhuǎn)子完全處于懸吊的自由狀態(tài)，消除了因軸系折線而產(chǎn)生超負荷驅(qū)動的問題，同時保證了軸向、徑向無干擾。因此能夠大大改善盤車條件，為連續(xù)自動盤車提供了必要的基礎(chǔ)條件。

3.2 相位識別

由于全自動智能盤車系統(tǒng)屬于任意轉(zhuǎn)角、任意點數(shù)的連續(xù)或斷續(xù)盤車方式，采樣點非常多且不能保證轉(zhuǎn)角均勻，為計算被測部位最大擺度方位角，需要一種相位鑒別技術(shù)來確定采樣點的相位。另外初始相位如何確定也一直是影響全自動智能盤車系統(tǒng)的一個重要關(guān)鍵因素。對第一個問題，可采用在旋轉(zhuǎn)軸上沿圓周等距離布置若干光帶紙（一般16條光帶就可以滿足精度要求），然后配合光電傳感器與測量擺度的渦流傳感器同步采樣，就可以解決測點的軸位問題。雖然軸速不能保證均勻，但是由于光帶點比較密集，把光帶點之間的擺度測點做近似等距離處理并不會造成很大誤差。對于第二個問題，可在布置的光帶紙中任選一條，然后在鄰近處多貼一條相同的光帶紙，即可巧妙地判斷測點的初始相位。

3.3 盤車數(shù)據(jù)處理

從盤車數(shù)據(jù)處理方法上來看，目前國內(nèi)外采用的方法主要有：一是盤車數(shù)據(jù)手工描圖，二是采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行擬合分析處理。但它們都是對8點等相位盤車數(shù)據(jù)進行處理，而對于任意相位、任意點數(shù)的盤車數(shù)據(jù)，它們就顯得無能為力。無論是哪種盤車工具，盤車過程都不能保證轉(zhuǎn)速均勻，因此測點軸號間的相位并不是等角。綜合上述，全自動智能盤車系統(tǒng)需要提供一種全新的智能盤車核心算法?；诒P車擺度理論上是正弦曲線的事實，可采用遺傳算法的正弦擬合方法[3-4]，以滿足本全自動智能盤車系統(tǒng)任意轉(zhuǎn)角、任意點數(shù)的連續(xù)盤車的需要。

3.4 多通道并行采集

盤車涉及到水輪發(fā)電機組上導、下導、鏡板、法蘭、水導等測量部位，這些測量部位的采樣數(shù)據(jù)要求必須保證同步進行。傳統(tǒng)盤車方法是在大軸停穩(wěn)后，利用對講機上下同時讀取測點所在的百分表，因此不存在同步問題。而自動盤車由于是連續(xù)采樣過程，傳統(tǒng)的輪循采集方式存在延時問題，因此，全自動智能盤車系統(tǒng)在選擇或設(shè)計采樣儀/板卡時，必須確保每個通道擁有獨立的光電隔離與AD轉(zhuǎn)換器以解決多通道并行采集問題。

3.5 軟硬件濾波

水電廠特別是地下廠房現(xiàn)場環(huán)境相當復雜，各類電磁干擾信號容易混進采樣系統(tǒng)中去，因此，必須采用合適的軟、硬件濾波技術(shù)，解決干擾信號，特別是高次諧波的問題。由于盤車一個周期往往需要數(shù)分鐘，因此擺度曲線的頻率很低，所以在硬件方面可采用低通濾波器（<0.01Hz），在軟件方面可采用小波分析或用FFT濾去高次諧波即可[5]。

3.6 實時連續(xù)顯示

由于采樣數(shù)據(jù)在系統(tǒng)界面的實時顯示是通過在采集卡的緩沖器中獲取，通常緩沖器的采樣深度有一定的限制，如何保證連續(xù)實時采樣顯示往往不容易。因為，一般的做法是在一個時鐘事件函數(shù)里定時到緩沖器中獲取采樣數(shù)據(jù)，然而，相鄰兩次取數(shù)存在的時間延時會導致采樣顯示的不連續(xù)性。解決的關(guān)鍵措施是在軟件系統(tǒng)里面再設(shè)置一個數(shù)據(jù)緩沖器，這樣就能保證一個前臺取數(shù)，一個后臺將事實連續(xù)顯示的效果。

4 應(yīng)用案例

目前，已開發(fā)的全自動智能盤車系統(tǒng)在牡丹江鏡泊湖水電廠成功應(yīng)用，取得了良好應(yīng)用效果與經(jīng)濟價值。圖1是2號機組上導、法蘭、水導以及光帶的實時連續(xù)采樣界面。

圖1 智能盤車并行連續(xù)數(shù)據(jù)采樣界面

從圖中可以看出，各測點的擺度數(shù)據(jù)曲線基本滿足正弦規(guī)律，但是受電磁信號干擾影響，采樣數(shù)據(jù)中混入了高次諧波。本實例中，采用FFT濾去高次諧波，同時采用遺傳算法對采樣序列進行了正弦擬合，處理后的數(shù)據(jù)如圖2所示。

由圖2便可得到法蘭、水導在X、Y方向上的凈擺度曲線（如圖3所示），由此計算出相應(yīng)的最大擺度與相位。

2號機組的盤車過程加上傳感器安裝總耗時不超過兩個小時，盤車系統(tǒng)輸出結(jié)論應(yīng)用于盤車軸線調(diào)整中取得了良好的效果。

5 結(jié)論

本文介紹了全自智能動盤車系統(tǒng)的特點與要求，在此基礎(chǔ)上，闡述了研發(fā)全自動智能盤車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，并給出了相應(yīng)的解決措施與方案，以上成功的應(yīng)用案例說明了全自動智能盤車系統(tǒng)具有良好的實用與推廣價值。

圖2 經(jīng)濾波與正弦擬合后的采樣曲線

圖3 凈擺度曲線

[1] 戴昆.三峽左岸電站VGS水輪發(fā)電機組軸線調(diào)整及總裝[J].水電站機電技術(shù),2004,27(2):1-4.

[2] 史恩澤,齊經(jīng)緯.太平灣電廠多點任意角盤車軟件開發(fā)及功能介紹[J].水電站機電技術(shù),2009,32(5):22-24.

[3] 秦世偉,潘國榮,谷川,施貴剛.基于遺傳算法的三維空間柱面擬合[J].同濟大學學報:自然科學版,2010,38(4):604-607,618.

[4] 潘道宏,任華.基于遺傳算法和最小二乘支持向量機的水位流量關(guān)系擬合[J].水利科技與經(jīng)濟,2010,16(5):493-494.

[5] 任祖華.基于窗函數(shù)的FFT諧波參數(shù)估計算法[J].電測與儀表,2010,47(5):8-11,31.

The Key Technologies of Smart Barring System for Hydroelectric Generating Unit

Meng Anbo1Liu Xiuliang2Xu Haibo3Jiang Xiaoming4
(1. Automation Faculty of Guangdong University of Technology 2. Gansu Electric Power Research Institute 3. R&D Center of Guangdong Modern Power Electric & Electronic Engineering, 4. Automation Engineering R&M Center of Guangdong Academy of Sciences)

The traditional barring method exists such problems as small acquisition points, inaccurate stop, subjective reading and time-consuming barring process. It is essential to develop a smart barring system with such features as high general-purpose, high efficiency, high precision, and strong intelligence. In this paper, the related key technologies for smart barring system are discussed. Its corresponding solutions and measures are proposed. Through the field test, the feasibility and reasonability of the solutions proposed in this paper are verified.

Hydroelectric Generating Unit; Smart Barring System; Phase Detection

孟安波，男，1971年生，博士，副教授，主要研究方向：自動化、系統(tǒng)集成與分析。