蔣建東，魏臻珠，朱明嘉，程志平

(1.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001;2.濟(jì)源供電公司，河南 濟(jì)源454650)

0 前言

抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行靈活，反應(yīng)迅速，具有削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、備用、負(fù)荷調(diào)整等多項(xiàng)功能，近些年來(lái)得到了迅速發(fā)展。由于設(shè)計(jì)參數(shù)復(fù)雜、運(yùn)行工況多、啟停頻繁、振動(dòng)部位廣泛等方面的原因，抽水蓄能機(jī)組出現(xiàn)故障的可能性比常規(guī)機(jī)組更大一些［1］。

目前，故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［2－6］。但針對(duì)抽水蓄能機(jī)組的相關(guān)研究大多只是針對(duì)抽水蓄能機(jī)組某方面故障提出一些診斷方法和理論等［7－10］，還沒(méi)有一套成熟完整的抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)。

本文開(kāi)發(fā)了抽水蓄能機(jī)組的故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)。介紹了信號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置及各種信號(hào)的檢測(cè)方法，建立了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修的Petri網(wǎng)模型，給出了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，并對(duì)其中的各個(gè)模塊進(jìn)行了介紹。

1 故障檢測(cè)方法

真實(shí)可靠、能夠反映抽水蓄能機(jī)組故障狀態(tài)的檢測(cè)信息是進(jìn)行故障診斷和狀態(tài)維修決策的前提條件。本文綜合考慮了抽水蓄能機(jī)組的水利特性、旋轉(zhuǎn)機(jī)械特性、設(shè)備結(jié)構(gòu)特性和電氣特性，選擇振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)和電氣量信號(hào)進(jìn)行各類故障的檢測(cè)。

1.1 檢測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)回龍抽水蓄能機(jī)組各種傳感器的實(shí)際安裝配置情況，選擇轉(zhuǎn)子軸承、機(jī)架結(jié)構(gòu)、推力軸承、過(guò)流部件、電動(dòng)發(fā)電機(jī)的以下位置作為故障檢測(cè)點(diǎn):

(1)轉(zhuǎn)子軸承:上、下水導(dǎo)x、y兩個(gè)90°方向的振動(dòng);上、下水導(dǎo)瓦溫。

(2)機(jī)架結(jié)構(gòu):上、下機(jī)架x、y兩個(gè)90°方向的振動(dòng);機(jī)頂蓋x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng);上、下導(dǎo)擺 x、y兩個(gè)方向的振動(dòng)。

(3)推力軸承:推力軸承溫度、推力軸承進(jìn)油管溫度、推力軸承循環(huán)水出口溫度、推力軸承油槽溫度;上、下導(dǎo)軸x、y兩個(gè)90°方向的振動(dòng)及其溫度。

(4)過(guò)流部件:尾水管壓力脈動(dòng);尾水管出口壓力;轉(zhuǎn)輪下環(huán)腔內(nèi)壓力;蝸殼進(jìn)口壓力;轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉壓力。

(5)電動(dòng)發(fā)電機(jī):定子、轉(zhuǎn)子繞組溫度、定子鐵心溫度;定子機(jī)座x、y兩個(gè)90°方向的振動(dòng);電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率和機(jī)端中性點(diǎn)電壓。

1.2 振動(dòng)檢測(cè)

對(duì)振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)是機(jī)械故障診斷中應(yīng)用最廣泛，也是最行之有效的方法。根據(jù)以上分析，采用振幅分析、頻譜分析和軸心軌跡圖3種振動(dòng)檢測(cè)方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)的幅值、頻譜和軸心軌跡進(jìn)行故障檢測(cè)。

1.3 溫度檢測(cè)

溫度可以直觀地反映出某些部件的故障情況，如部件間的摩擦、匝間短路等。因而溫度是檢測(cè)機(jī)組某些特定部件故障的重要物理參數(shù)，本文采用幅值法對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

1.4 電氣量檢測(cè)

電氣量檢測(cè)主要是針對(duì)電動(dòng)發(fā)電機(jī)的基本電量進(jìn)行的。電動(dòng)發(fā)電機(jī)的電流、電壓、功率等物理參數(shù)直接反映了電動(dòng)發(fā)電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)這些物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以準(zhǔn)確及時(shí)地判斷電動(dòng)發(fā)電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)。其中，對(duì)電壓、電流采用幅值法和頻譜分析法進(jìn)行檢測(cè);對(duì)有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等采用幅值法進(jìn)行檢測(cè)。

2 抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修的Petri網(wǎng)方法

由于抽水蓄能機(jī)組故障的復(fù)雜性及其多層次性，必須研究故障的表現(xiàn)形式及其產(chǎn)生原因。在故障產(chǎn)生機(jī)理分析的基礎(chǔ)上確定故障類型和性質(zhì)，以便于系統(tǒng)故障診斷與狀態(tài)維修模型的建立。

Petri網(wǎng)作為一種圖示化描述方法，可以利用圖形語(yǔ)言對(duì)故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及流程進(jìn)行系統(tǒng)的分析和描述，是故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)建模與分析的一種重要工具。為了更清晰地描述Petri網(wǎng)系統(tǒng)，可以用矩陣來(lái)表示Petri網(wǎng)模型。

針對(duì)抽水蓄能機(jī)組故障部位和故障現(xiàn)象較多的特點(diǎn)，為了減少關(guān)聯(lián)矩陣的維數(shù)、提高診斷的準(zhǔn)確性和保證診斷與狀態(tài)維修方案的實(shí)時(shí)性，將抽水蓄能機(jī)組按照組件層次劃分為轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)架結(jié)構(gòu)、推力軸承、過(guò)流部件5個(gè)模塊，分別建立相應(yīng)的故障Petri網(wǎng)模型，最后整合成一個(gè)完整的故障Petri網(wǎng)模型，如圖1所示。

每類組件都包含許多具體的故障，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，抽水蓄能機(jī)組出現(xiàn)的典型故障如下:(1)泄水錐松動(dòng);(2)尾水管渦帶振動(dòng)大;(3)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)件松動(dòng);(4)調(diào)速器故障引起接力器抽動(dòng);(5)大軸密封潤(rùn)滑不良;(6)大軸密封偏磨或過(guò)度磨損;(7)水輪機(jī)迷宮環(huán)碰磨;(8)大軸彎曲或法蘭不對(duì)中;(9)大軸法蘭螺絲松動(dòng);(10)上、下水導(dǎo)軸承間不對(duì)中;(11)導(dǎo)軸承支承部件有松動(dòng)或裂紋;(12)上、下導(dǎo)軸承間隙調(diào)整不當(dāng);(13)推力軸承潤(rùn)滑不良;(14)推力軸承彈性油箱狀態(tài)惡化;(15)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡不良;(16)電磁拉力不平衡;(17)定子疊片松動(dòng)。

本文根據(jù)這些典型的故障建立了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修的Petri模型。

圖1 故障診斷與狀態(tài)維修Petri模型的建立

3 抽水蓄能機(jī)組故障診斷狀態(tài)維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該軟件分為5個(gè)模塊:人機(jī)界面模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、故障檢測(cè)模塊、故障診斷模塊和狀態(tài)維修模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

各模塊功能如下:

3.1 人機(jī)界面模塊

人機(jī)界面模塊作為運(yùn)行人員和軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互的接口，主要用來(lái)進(jìn)行故障報(bào)警信號(hào)、故障診斷結(jié)果、維修方案及遙測(cè)遙信量的顯示，以及進(jìn)行故障征兆、故障原因、維修方案、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢與維護(hù)等。

為了更好地了解機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和機(jī)組狀態(tài)量的變化趨勢(shì)，對(duì)信號(hào)給出了多種分析顯示方法，包括時(shí)域信號(hào)顯示、功率譜分析、軸心軌跡分析、相位分析、振動(dòng)信號(hào)頻譜分析等。時(shí)域信號(hào)顯示將實(shí)時(shí)采集的振動(dòng)信號(hào)、電氣量信號(hào)、溫度信號(hào)等進(jìn)行顯示，以方便運(yùn)行人員了解機(jī)組當(dāng)前的狀態(tài)。功率譜分析、振動(dòng)信號(hào)頻譜分析對(duì)功率或振動(dòng)信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析。軸心軌跡分析和相位分析可以直觀地顯示主軸當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，以便準(zhǔn)確定位故障原因和部位，為診斷分析提供判據(jù)。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊對(duì)系統(tǒng)的故障征兆、故障原因與維修方案數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)與遙測(cè)遙信量數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)和管理。

故障征兆、故障原因與維修方案數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)不同部件的不同故障情況建立起Petri網(wǎng)關(guān)聯(lián)庫(kù)，并能夠隨著運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累而不斷擴(kuò)充和完善。設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)包括設(shè)備名稱，投入日期，維修次數(shù)，最后一次維修時(shí)間，故障情況的簡(jiǎn)單描述等。系統(tǒng)能夠根據(jù)這些信息形成設(shè)備參數(shù)，如溫度、振動(dòng)等的變化趨勢(shì)庫(kù)，供狀態(tài)維修時(shí)參考。遙測(cè)遙信量數(shù)據(jù)庫(kù)用于接收遙測(cè)遙信量數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

3.3 故障檢測(cè)模塊

故障檢測(cè)模塊對(duì)機(jī)組的遙測(cè)遙信量進(jìn)行故障檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)故障征兆則向用戶報(bào)警并啟動(dòng)故障診斷模塊。

3.4 故障診斷模塊的設(shè)計(jì)

故障診斷模塊是系統(tǒng)的核心模塊之一。該模塊采用事件觸發(fā)方式對(duì)機(jī)組的狀態(tài)及故障進(jìn)行正向推理。該模塊根據(jù)故障檢測(cè)模塊的檢測(cè)結(jié)果及數(shù)據(jù)管理模塊的機(jī)組狀態(tài)信息和和專家知識(shí)，對(duì)機(jī)組存在的故障進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷。

3.5 狀態(tài)維修模塊

該模塊根據(jù)故障診斷模塊的診斷結(jié)果和設(shè)備參數(shù)的變化趨勢(shì)，給出狀態(tài)維修方案。

圖3 軟件流程圖

4 抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

運(yùn)用VB語(yǔ)言完成了界面的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和程序代碼的編寫(xiě)，利用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)完成了對(duì)機(jī)組遙測(cè)遙信量的讀取、存儲(chǔ)和管理。開(kāi)發(fā)了回龍抽水蓄能電站機(jī)組故障診斷和狀態(tài)維修軟件，該軟件具有良好的人機(jī)交互界面、操作方便簡(jiǎn)捷。

4.1 軟件流程圖

根據(jù)前面的軟件結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)了軟件的流程圖，如圖3所示。

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用Microsoft ACCESS設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)主要存放實(shí)時(shí)采集的遙測(cè)遙信量。根據(jù)遙測(cè)遙信量的特點(diǎn)和故障診斷對(duì)數(shù)據(jù)信息的要求，數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系型結(jié)構(gòu)。表的結(jié)構(gòu)為:數(shù)據(jù)日期—數(shù)據(jù)時(shí)間—數(shù)據(jù)值?；佚埑樗钅茈娬居袃膳_(tái)機(jī)組，因而需要設(shè)計(jì)兩組數(shù)據(jù)表。每組包含兩個(gè)表:一個(gè)存放機(jī)組發(fā)電工況數(shù)據(jù);另一個(gè)存放機(jī)組水泵工況數(shù)據(jù)。

4.3 故障診斷與狀態(tài)維修界面

根據(jù)機(jī)組狀態(tài)信息、故障診斷結(jié)果和人工選擇輸入的故障現(xiàn)象，系統(tǒng)自動(dòng)完成故障診斷和狀態(tài)維修，并輸出故障原因和維修措施。

5 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了抽水蓄能機(jī)組故障診斷和狀態(tài)維修系統(tǒng)。根據(jù)抽水蓄能機(jī)組的特點(diǎn)確定了檢測(cè)信息，并給出了相關(guān)信息的檢測(cè)方法。建立了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修的Petri網(wǎng)模型。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了回龍抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際使用，運(yùn)行效果良好。

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