潘熙和，黃業(yè)華，程遠(yuǎn)楚

（1.長江科學(xué)院武漢長江控制設(shè)備研究所，武漢 430010；2.武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)綜述

潘熙和1，黃業(yè)華l，程遠(yuǎn)楚2

（1.長江科學(xué)院武漢長江控制設(shè)備研究所，武漢 430010；2.武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

介紹了水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)，7個子功能裝置及其分析平臺。闡述了該系統(tǒng)能實現(xiàn)對水電機(jī)組性能指標(biāo)（安全性、穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性）的全面科學(xué)評價，徹底改變我國水電機(jī)組關(guān)鍵監(jiān)測設(shè)備依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，提高我國水電機(jī)組監(jiān)測儀器設(shè)備的自主創(chuàng)新能力與裝備水平，支撐科技創(chuàng)新，服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展。

子裝置；分析平臺；同步采樣；性能參數(shù)；綜合測試

1 研究背景

水電機(jī)組在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生一系列問題，如機(jī)組會產(chǎn)生振動和擺動；水輪機(jī)會產(chǎn)生空蝕；發(fā)電機(jī)局部放電和氣隙會影響發(fā)電機(jī)的電氣和機(jī)械性能；機(jī)組運(yùn)行需要獲取狀態(tài)與能效之間的關(guān)系，以指導(dǎo)其優(yōu)化運(yùn)行；水電機(jī)組控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化需要水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的測試裝置支撐。以下“7＋1”系統(tǒng)就是為解決以上這些問題而提出的水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)，其測試內(nèi)容涵蓋了機(jī)組重要的性能參數(shù)。

水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)由水輪機(jī)空化與壓力脈動監(jiān)測裝置、發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測裝置、發(fā)電機(jī)氣隙監(jiān)測裝置、機(jī)組能量效率監(jiān)測裝置、機(jī)組振動與擺度監(jiān)測裝置、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能參數(shù)測試與仿真裝置、發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)性能參數(shù)測試與仿真裝置7個子裝置和1個將各子裝置同步采集數(shù)據(jù)進(jìn)行集成的水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試分析平臺構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the integrative testing system for the performances of hydropower generating unit

2 水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷越來越受重視，國內(nèi)外在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)方面開展了大量的工作，取得了豐碩的成果，研究了許多各具特色的產(chǎn)品，并成功應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場。國外故障診斷技術(shù)開始于20世紀(jì)60年代初，美國率先開展設(shè)備故障診斷技術(shù)。國內(nèi)的故障診斷技術(shù)研究開展得比較晚，是通過首先引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，然后進(jìn)行自我消化、吸收逐步發(fā)展起來的。20世紀(jì)90年代至今，國內(nèi)開發(fā)的監(jiān)測診斷系統(tǒng)在功能與實用性上已接近國際水平，適應(yīng)了我國的發(fā)展需要。

2.2 與國外的差距

（1）應(yīng)用基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究不夠深入。缺乏對水電機(jī)組研究、設(shè)計、制造、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等方面專家知識的全面收集，不能對水電機(jī)組的性能進(jìn)行科學(xué)的評價。

（2）現(xiàn)有的監(jiān)測與分析系統(tǒng)重點(diǎn)放在機(jī)組振動擺度、定轉(zhuǎn)子間氣隙和磁場強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)局部放電等專項監(jiān)測與分析上，國內(nèi)對定轉(zhuǎn)子間氣隙和磁場強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)局部放電和水輪機(jī)空蝕與脈動監(jiān)測的技術(shù)不成熟，均為進(jìn)口產(chǎn)品。

目前國內(nèi)外許多大、中型水電站都安裝了狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)，可為電站機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷以及維護(hù)決策等提供了支撐，但是水電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)仍然存在很多問題，具體表現(xiàn)在：

（1）機(jī)組監(jiān)測項目不完整，且獨(dú)立布置，各系統(tǒng)之間信息不能共享，導(dǎo)致不能進(jìn)行機(jī)組狀態(tài)的綜合分析。水電站設(shè)備繁多，且相互耦合形成一個有機(jī)整體，機(jī)組監(jiān)測項目存在時標(biāo)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)不同步等問題，這使得專家對電站設(shè)備進(jìn)行綜合分析時，需要查詢多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，存在很大的困難與不便。

（2）有些系統(tǒng)平臺落后，無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障分析；部分系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)視與分析，但由于遠(yuǎn)程系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測裝置缺乏交互，未能實現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程分析與診斷，降低了設(shè)備診斷分析的效率。

（3）目前故障診斷系統(tǒng)的智能化水平低，幾乎都無法實現(xiàn)對設(shè)備健康狀況的自動評估，故障自動識別準(zhǔn)確率低，因此目前水電站的設(shè)備健康狀況評估仍然主要由運(yùn)行人員通過設(shè)備運(yùn)行分析來完成。

2.3 發(fā)展趨勢

由于引起水電機(jī)組故障原因的多樣性、交叉性，單一的監(jiān)測方法和對單個子系統(tǒng)的監(jiān)測分析不能充分準(zhǔn)確地預(yù)測某一個故障，需要多種監(jiān)測技術(shù)復(fù)合應(yīng)用，建立水電機(jī)組的綜合監(jiān)測和分析系統(tǒng)，即建立起各分系統(tǒng)的聯(lián)系，對各分系統(tǒng)間的信息進(jìn)行共享與融合，達(dá)到提高綜合分析的能力。隨著水電設(shè)備檢修體制的改革，實施水電機(jī)組性能參數(shù)的綜合測試與分析，實現(xiàn)機(jī)組的故障預(yù)測與診斷，進(jìn)而實施“狀態(tài)檢修”已成為水電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

3 系統(tǒng)開發(fā)的必要性和意義

3.1 國產(chǎn)化的需要

目前，有關(guān)水輪機(jī)空化與壓力脈動監(jiān)測、發(fā)電機(jī)氣隙監(jiān)測、發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測的相關(guān)裝置主要依靠進(jìn)口，價格昂貴，有必要進(jìn)行該項目的研究和產(chǎn)品的國產(chǎn)化。水電設(shè)備應(yīng)用單位多次在行業(yè)會議上呼吁：能否開發(fā)水電機(jī)組參數(shù)與性能綜合測試分析系統(tǒng)，替代高價的相關(guān)進(jìn)口產(chǎn)品，并希望在某些技術(shù)層面有所突破。

3.2 水電機(jī)組安全、高效運(yùn)行的需要

水電能源是我國能源戰(zhàn)略中不可缺少的重要組成部分。水力機(jī)組是水電站和泵站的關(guān)鍵設(shè)備，運(yùn)行狀態(tài)直接影響到水電廠與泵站的安全運(yùn)行。為保證水力機(jī)組的安全穩(wěn)定和高效運(yùn)行，需要開發(fā)水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)，增強(qiáng)水電機(jī)組運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

3.3 社會發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步的需要

隨著水電機(jī)組檢修、維護(hù)、運(yùn)行、管理方式的變化，隨著水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的進(jìn)步，水電設(shè)備維修方式正在逐漸從過去的以時間為基礎(chǔ)的定期“預(yù)防性維修”向今天的以狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)的“預(yù)測性維修”方式過渡。因此，實施水電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，并在此基礎(chǔ)上對水電機(jī)組實施“狀態(tài)檢修”已成為水電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，所以需要引入強(qiáng)有力的水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)。

3.4 國家水利水電相關(guān)政策的需要

本系統(tǒng)研究緊扣《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》的戰(zhàn)略重點(diǎn)“水資源優(yōu)化配置與綜合開發(fā)利用”，通過產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合，實現(xiàn)自主開發(fā)和集成創(chuàng)新。南水北調(diào)工程大量的梯級泵站系統(tǒng)將陸續(xù)投運(yùn)，泵站系統(tǒng)安全運(yùn)行牽涉到國家民生問題。本系統(tǒng)可用于泵站水力機(jī)組參數(shù)與性能綜合監(jiān)測分析，提高泵站運(yùn)行的安全性，為南水北調(diào)泵站系統(tǒng)安全運(yùn)行管理起到重要的技術(shù)保障作用。

3.5 市場需求

市場調(diào)研表明，對于水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)，科研機(jī)構(gòu)、高等院校、水電機(jī)組檢測試驗單位、大中小型水電廠、泵站主管部門、水電主機(jī)及輔機(jī)制造廠均表示有設(shè)備購置的需求。

4 系統(tǒng)各功能子裝置介紹

4.1 7個功能子裝置介紹

該系統(tǒng)研究的7個功能子裝置的主要構(gòu)成和內(nèi)容如表1。在這里有必要談?wù)勊啓C(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)監(jiān)測裝置和發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)監(jiān)測裝置。由于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)經(jīng)常需要在設(shè)備投入到現(xiàn)場前進(jìn)行各項仿真及模擬試驗，并自動生成試驗結(jié)果，以檢驗調(diào)速器和勵磁裝置的各種性能指標(biāo)，實現(xiàn)對調(diào)速器和勵磁裝置的相關(guān)性能鑒定，所以，子裝置6和子裝置7常常將實時仿真功能硬件一并進(jìn)行開發(fā)。因此，子裝置6要進(jìn)行調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立和仿真試驗軟件開發(fā)，解決非線性實時仿真問題；子裝置7要進(jìn)行發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立和仿真試驗軟件開發(fā)，解決勵磁功率單元在線監(jiān)測與實時仿真問題。［1］

4.2 水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試分析平臺

水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試分析平臺主要工作是研發(fā)平臺的應(yīng)用軟件，以達(dá)到水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試和分析的目的。平臺主要應(yīng)用軟件功能模塊有：實時狀態(tài)監(jiān)測模塊、信號分析模塊、性能評價模塊、故障分析模塊、趨勢分析與預(yù)測模塊、實用計算模塊、決策報告模塊和遠(yuǎn)程信息交互模塊等。

研發(fā)水電機(jī)組性能參數(shù)分析與評估系統(tǒng)，通過對水電機(jī)組多參數(shù)在線同步測量，能夠快速、準(zhǔn)確、同步地從各子系統(tǒng)中按預(yù)先約定采集所需的基本數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)如下功能：①在7個子裝置的基礎(chǔ)上建立綜合分析平臺，開發(fā)水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試分析系統(tǒng)；②開發(fā)相應(yīng)的軟件包——各子模塊的通訊方法、通訊協(xié)議，多系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)條件下的采集、存儲、表達(dá)方式，相關(guān)特征值提取；③開發(fā)相應(yīng)的界面程序——多系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)的動態(tài)特性及指標(biāo)分析、頻譜分析、小波分析、小波分解、EMD分解等；④根據(jù)農(nóng)村小水電建設(shè)與長遠(yuǎn)規(guī)劃的要求，在該平臺上開發(fā)支持機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)視與診斷的系統(tǒng)軟件。［6］

機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)視與診斷系統(tǒng)是綜合測試分析平臺的一個擴(kuò)展功能。該系統(tǒng)主要解決以下問題：

（1）小水電裝機(jī)容量小，地處邊遠(yuǎn)地區(qū)，技術(shù)與管理相對較為薄弱，該系統(tǒng)能滿足綜合自動化提出的更高的要求。

（2）基層組織人員少、技術(shù)力量弱，且工作任務(wù)繁重，一旦發(fā)生故障，很難準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障源，甚至對故障的描述也做不到全面準(zhǔn)確。

（3）針對農(nóng)村小水電技術(shù)力量薄弱的現(xiàn)狀，研究機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)視與診斷技術(shù)，集成機(jī)組遠(yuǎn)程診斷與控制功能，以提高中小型水電站及泵站運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

4.3 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

整個系統(tǒng)開發(fā)具有多裝置、多參數(shù)的同步采集、數(shù)據(jù)集成、信息融合、綜合評價的分析平臺，其關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)有：

水電機(jī)組多裝置的數(shù)據(jù)集成與信息融合；寬譜特性的噪聲信號處理技術(shù)；

發(fā)電機(jī)氣隙與局部放電專用傳感器；

不同型式引水系統(tǒng)的水電機(jī)組流量測量方案和計算模型；

高精度與快速響應(yīng)的可控三相大功率電源；各類機(jī)型的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)非線性數(shù)學(xué)模型的建立與實施；

水電機(jī)組多參數(shù)同步采樣與分析系統(tǒng)；水電機(jī)組參數(shù)與性能綜合評價方法。

表1 七個子裝置介紹［2－5］Table1 Seven sub-function devices of the system［2－5］

5 結(jié) 語

有關(guān)水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)的各子裝置，目前國內(nèi)外已有部分成熟產(chǎn)品，如機(jī)組振動與擺度監(jiān)測裝置；有的產(chǎn)品只能引用進(jìn)口，如發(fā)電機(jī)局部放電裝置；有的產(chǎn)品目前功能并不完善，如機(jī)組能量效率監(jiān)測裝置；也有的產(chǎn)品目前技術(shù)水平不高，如水輪機(jī)調(diào)節(jié)和發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的測試裝置。因此，有必要進(jìn)行國產(chǎn)化開發(fā)水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)的各子裝置。

另外，水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試分析平臺是建立在所研發(fā)的7個子裝置和機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)等各子系統(tǒng)之上的大規(guī)模信息融合與分析系統(tǒng)；在物理上，它主要由高性能計算機(jī)系統(tǒng)及連接到各子系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)組成；對多來源、多時標(biāo)和異構(gòu)數(shù)據(jù)實現(xiàn)集成與融合；通過研發(fā)的應(yīng)用軟件達(dá)到水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試和分析的目的。綜合測試分析平臺的建立，能實現(xiàn)多參數(shù)、多裝置的同步采樣，能進(jìn)行相關(guān)性分析，能為機(jī)組運(yùn)行維護(hù)“狀態(tài)檢修”技術(shù)提供有力的支撐，對機(jī)組性能指標(biāo)（安全性、穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性）進(jìn)行全面科學(xué)的評價。

進(jìn)行水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)的國產(chǎn)化開發(fā)，能徹底改變我國水電機(jī)組關(guān)鍵監(jiān)測儀器設(shè)備依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，提高我國水電機(jī)組監(jiān)測儀器設(shè)備的自主創(chuàng)新能力與裝備水平，實現(xiàn)水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與性能評估質(zhì)的飛躍。

由于水電機(jī)組性能參數(shù)綜合測試系統(tǒng)由“7＋1”構(gòu)成，對于用戶的產(chǎn)品購置，應(yīng)該說，針對不同層次的用戶，可以提供不同配置乃至不同檔次的子裝置組合，或購置單功能子裝置，或購置部分功能子裝置，或購置全部功能子裝置，也可購置“7＋1”全系統(tǒng)。

［1］ 潘熙和，賈寶良，吳應(yīng)文.我國水輪機(jī)調(diào)速技術(shù)最新進(jìn)展與展望［J］.長江科學(xué)院院報，2007，24（5）：79－84.（PAN Xi-he，JIA Bao-liang，WU Ying-wen.Progress and Prospect of Domestic Turbine Control Technology［J］.Journalof Yangtze River Scientific Research Institute，2007，24（5）：79－84.（in Chinese））

［2］ 魏 煒，黃成軍.發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.華東電力，2002，（4）：22－24.（WEIWei，HUANG Cheng-jun.On-line Monitoring System for Partial Discharge of Motor［J］.East China Electric Power，2002，（4）：22－24.（in Chinese））

［3］ 田 浩，于石生.水輪機(jī)空化的超聲監(jiān)測技術(shù)研究［J］.無損檢測，2003，25（5）：250－252.（TIAN Hao，YU Shi-sheng.Research on Ultrasonic Detection of Hydraulic Turbine Cavitation［J］.Nondestructive Testing，2003，25（5）：250－252.（in Chinese））

［4］ 黃天戍，向繼東，任清珍.一種新型的水電機(jī)組振動擺度在線狀態(tài)監(jiān)測儀［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2003，（5）：51－54.（HUANG Tian-shu，XIANG Jidong，REN Qing-zhen.A New On-line Condition Monitor Designed for Vibration and Throw under Generating Sets［J］.Industrial Instrumentation＆Automation，2003，（5）：51－54.（in Chinese））

［5］ 馮東云，倪效勇.現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)組流速測量中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28（14）：85－89.（FENG Dong-yun，NIXiao-yong.Application of FPGA in Measuring the Flow Velocity of Hydroelectric Generating Set［J］.Automation of Electric Power Systems，2004，28（14）：85－89.（in Chinese））

［6］ 康 睿.水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測方法與信號預(yù)處理研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2007.（KANG Rui.Study on Method of Monitoring the Condition of Hydropower Units and Signal Preprocessing［D］.Xi’an：Xi’an University of Technology，2007.（in Chinese） ）

（編輯：劉運(yùn)飛）

An Integrative Testing System for the Performance Indexes of Hydropower Generating Units

PAN Xi-he1，HUANG Ye-hual，CHENG Yuan-chu2
（1.Wuhan Changjiang Control Equipment Research Institute，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

An integrative testing system for the performance indexes（security，stability，reliability，and economy）of hydropower generating units is presented.The system consists of7 sub-function devices and an analysis platform.The 7 sub-function devices are respectively responsible for the monitoring of cavitation and pressure fluctuation of hydroturbine，partial discharge of generator，air gap of generator，energy efficiency of power units，vibration and throw of power units，aswell as the testing and simulation of hydroturbine’s governing system performance，and the testing and simulation of generator’s excitation system performance.With this system，the performance indexes could be comprehensively and scientifically evaluated.China’s dependence on the import of crucialmonitoring equipment for hydropower unit can be changed thoroughly.Our innovation ability and the level ofmonitoring equipment for hydroelectric generating sets can be improved.

sub-device；analysis platform；synchronous sampling；performance index；integrative testing

TV734；TM312

A

1001－5485（2013）01－0076－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.01.015

2012－09－26

潘熙和（1965－），男，湖北陽新人，教授級高級工程師，主要從事電站控制設(shè)備的研究，（電話）027－82604195，13908638208（電子信箱）panxihe＠sina.com。