楊 賢，李朝暉

（1. 廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080 2. 華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，武漢 430074）

0 前言

隨著水電機組單機容量的提高以及在電力系統(tǒng)中所占比重的增大，其安全性和穩(wěn)定性問題已經(jīng)越來越突出。水電機組的大部分故障都在振動穩(wěn)定性中有所反映，同時振動穩(wěn)定性異常也是損壞設(shè)備的重要原因之一，因此開展水電機組穩(wěn)定性監(jiān)測與分析研究，對于保障機組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對水電機組穩(wěn)定性監(jiān)測與分析進(jìn)行了廣泛的研究，開發(fā)了許多穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)[1-4]。這些系統(tǒng)在穩(wěn)定性專項監(jiān)測與診斷分析中發(fā)揮了重要作用，但它們重在對機組發(fā)生故障時進(jìn)行故障診斷，而在檢測機組性能下降、預(yù)測機組性能變化趨勢甚至故障方面則存在不足；此外，系統(tǒng)通常獨立布置，只進(jìn)行單一的穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測與分析，未考慮穩(wěn)定性相關(guān)狀態(tài)及機組運行工況對穩(wěn)定性的影響，難以滿足綜合診斷分析的要求，診斷結(jié)果準(zhǔn)確性有待提高。

本文在總結(jié)水電機組穩(wěn)定性故障特征、影響因素等問題的基礎(chǔ)上，在水電站最優(yōu)維護(hù)系統(tǒng)[5]（Hydropower plant Optimal Maintenance Information System，HOMIS）集成監(jiān)測框架下，提出了基于工況關(guān)聯(lián)規(guī)則的穩(wěn)定性分析方法：關(guān)聯(lián)工況信息和穩(wěn)定性相關(guān)狀態(tài)量，計算穩(wěn)定性性能指標(biāo)，構(gòu)造工況關(guān)聯(lián)規(guī)則，并依據(jù)工況關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行穩(wěn)定性健康狀況評估和故障診斷，實現(xiàn)穩(wěn)定性綜合關(guān)聯(lián)分析。最后給出了現(xiàn)場應(yīng)用實例。

1 HOMIS框架下穩(wěn)定性監(jiān)測

1.1 穩(wěn)定性故障特征與影響因素

水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性異?？赡苁怯蓹C械、電磁、水力中某一種因素引起的，也可能是由其中幾種因素互相耦合引起的[6]。穩(wěn)定性異常主要為振動故障，通過對水電機組常見故障類型和故障特征分析發(fā)現(xiàn)：由機械缺陷或故障引起的振動，如轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)輪靜動不平衡、大軸不直等，其振動頻率多為轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，且振動的幅值與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)；由電磁因素引起的轉(zhuǎn)頻振動和極頻振動，隨勵磁電流變化明顯；由水力因素引起的振動，如尾水管低頻渦帶、導(dǎo)葉輪葉開口不均等，則在負(fù)荷、水頭等狀態(tài)變化時有所反映。另外，定子溫度、軸瓦溫度、油槽油位、油槽油溫、冷卻水溫等也會對機組的振動造成影響[7]。此外，不同運行工況下機組的穩(wěn)定性性能也不相同，如開機、停機、甩負(fù)荷等瞬態(tài)過程與空載、負(fù)載穩(wěn)定等穩(wěn)態(tài)過程相比，穩(wěn)定性性能不穩(wěn)定、變化差異大。

可見，機組穩(wěn)定性與相關(guān)狀態(tài)及運行工況有著非常密切的關(guān)系，單一孤立的穩(wěn)定性監(jiān)測以及脫離機組運行工況的穩(wěn)定性特征分析，都將會降低分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

1.2 HOMIS框架

HOMIS主要由在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)（CMDS，如圖1所示）和企業(yè)廣域網(wǎng)信息平臺組成。

圖1 機組在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

CMDS由電氣單元、機械單元和控制單元3個專門的監(jiān)測與分析單元[8-10]以及機組綜合數(shù)字化及狀態(tài)分析與診斷（綜合單元）組成。機組穩(wěn)定性監(jiān)測集成在機械單元中。機械單元通過實時 CAN總線與綜合單元和其他監(jiān)測單元通信交互，獲取穩(wěn)定性工況信息和相關(guān)狀態(tài)（見表1）。顯然HOMIS框架為機組穩(wěn)定性集成監(jiān)測與工況關(guān)聯(lián)分析提供了優(yōu)越的平臺。

表1 穩(wěn)定性相關(guān)狀態(tài)量獲取途徑

1.3 產(chǎn)生式工況關(guān)聯(lián)規(guī)則

產(chǎn)生式規(guī)則(Production Rules)[13]常用于表示具有因果關(guān)系的知識，其基本形式是：

其中，P代表一組前提或狀態(tài)，Q代表若干結(jié)論或動作，其含義是如果前提P得以滿足，即為“真”，則可得出結(jié)論Q或Q所規(guī)定的動作。產(chǎn)生式規(guī)則可用以下公式表示：

其中m，n＞1，k=1,2，...r。Rk表示第k條規(guī)則，Ck表示第k條規(guī)則的結(jié)論。在產(chǎn)生式規(guī)則中，存在前提的復(fù)用和結(jié)論與前提關(guān)聯(lián)的情況，即：

當(dāng)k=n時，也可以滿足：

本文中采用工況信息和穩(wěn)定性相關(guān)參數(shù)作為前提P，穩(wěn)定性性能指標(biāo)作為Q，則構(gòu)成工況關(guān)聯(lián)規(guī)則。工況關(guān)聯(lián)規(guī)則能直觀地描述穩(wěn)定性性能與工況以及相關(guān)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2 基于工況關(guān)聯(lián)規(guī)則的穩(wěn)定性分析

為了結(jié)合工況與相關(guān)狀態(tài)信息，掌握機組穩(wěn)定性狀態(tài)特征，評價機組健康狀況，實現(xiàn)機組穩(wěn)定性故障綜合關(guān)聯(lián)分析，根據(jù)集成監(jiān)測的數(shù)據(jù)，利用基于工況關(guān)聯(lián)規(guī)則，設(shè)計了水輪發(fā)電機組集成監(jiān)測環(huán)境下的穩(wěn)定性分析方法，其框架如圖2所示。

圖2 集成監(jiān)測環(huán)境下穩(wěn)定性分析方法

2.1 工況劃分

2.1.1 工況識別

機組穩(wěn)定性性能與運行工況密切相關(guān)，因此在進(jìn)行穩(wěn)定性性能評價之前，需要識別機組工況。CMDS控制單元根據(jù)機組運行狀態(tài)（如轉(zhuǎn)速，有功等），自動識別運行工況，并將工況信息轉(zhuǎn)發(fā)給各監(jiān)測單元[11]。目前主要分為以下幾種運行工況：開機過程、空載穩(wěn)定、同期過程、負(fù)載穩(wěn)定過程、增負(fù)荷過程、減負(fù)荷過程、正常停機過程、事故緊急停機過程以及甩負(fù)荷過程，每種工況采用工況號ProgID表示，如負(fù)載穩(wěn)定為51，空載穩(wěn)定為35。

2.1.2 工況模式空間

由于機組在開、停機等瞬態(tài)過程中，穩(wěn)定性狀態(tài)變化較復(fù)雜，因此目前以空載穩(wěn)定和負(fù)載穩(wěn)定兩種穩(wěn)定工況為例分析機組穩(wěn)定性特性。機組穩(wěn)定運行工況可以由一組工況參數(shù)表征，這組參數(shù)就構(gòu)成機組穩(wěn)定運行工況的模式空間，機組每個可能穩(wěn)定的運行工況都對應(yīng)該模式空間的一個點。根據(jù)穩(wěn)定性故障特征分析，采用穩(wěn)定性相關(guān)狀態(tài)機組負(fù)荷P以及水頭H，對各工況參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格離散化，離散化標(biāo)準(zhǔn)如下：

圖3 運行工況網(wǎng)格

（1）水頭等間隔劃分，劃分間隔ΔH要求不小于設(shè)計水頭（Hm）的5%，即ΔH≥Hm5%。例如本文針對葛洲壩機組進(jìn)行分析，其水頭范圍為8～27m，設(shè)計水頭為18.6m，所以取ΔH=1m；

（2）負(fù)荷等間隔劃分，劃分間隔ΔP取額定負(fù)荷（Pe）的5%，即ΔP=Pe5%；

運行工況劃分如圖3所示。任意一個網(wǎng)格（Ha,Pb）表示水頭和負(fù)荷分別在（H(a)，H(a+1)）、（P(b)，P(b+1)）范圍內(nèi)的工況，每個工況網(wǎng)格統(tǒng)一編碼，記為ConditionID。

工況ID號與工況網(wǎng)格組成工況向量[工況ID，Ha，Pb]，所有工況向量則構(gòu)成了工況模式空間。

2.2 工況關(guān)聯(lián)規(guī)則

2.2.1 穩(wěn)定工況區(qū)間

機組在穩(wěn)定工況運行情況下（負(fù)載穩(wěn)定、空載穩(wěn)定），通常較長時間處于同一工況網(wǎng)格內(nèi)。由于機組穩(wěn)定性狀態(tài)通常為緩變狀態(tài)，短時間內(nèi)同工況網(wǎng)格內(nèi)狀態(tài)變化不大，因此以該時間段（稱為穩(wěn)定工況區(qū)間）內(nèi)機組穩(wěn)定性狀態(tài)特征表征該工況網(wǎng)格的穩(wěn)定性特征。穩(wěn)定工況區(qū)間判別方法為：

（1）當(dāng)機組運行工況為負(fù)載穩(wěn)定或者空載穩(wěn)定時，取起始數(shù)據(jù)記錄記為R1，其時間標(biāo)記為起始時間Stime1，并令結(jié)束時間標(biāo)記Etime1=Stime1，根據(jù)水頭和有功計算其工況網(wǎng)格編號CID1；

（2）計算下一條數(shù)據(jù)記錄R2工況網(wǎng)格編號CID2。如果CID1=CID2，則記R2的時間標(biāo)記為結(jié)束時間Etime1，并循環(huán)進(jìn)行第二步；如果CID1≠CID2，則進(jìn)入第三步；

（3）記穩(wěn)定工況持續(xù)時間為T，則：

其中Tδ為穩(wěn)定時間閾值，通常根據(jù)實際數(shù)據(jù)規(guī)律與運行經(jīng)驗確定。如果T≥Tδ，則保存穩(wěn)定工況區(qū)間記錄[Stime1，Etime1]；否則認(rèn)為該穩(wěn)定區(qū)間穩(wěn)定時間太短，不足以表征該工況網(wǎng)格內(nèi)機組穩(wěn)定性特性，不予保存。

以R2為起始記錄R1，轉(zhuǎn)入第一步，繼續(xù)判別下一個穩(wěn)定時間區(qū)間[Stimek，Etimek]，直至負(fù)載穩(wěn)定或空載穩(wěn)定工況結(jié)束為止。

2.2.2 性能指標(biāo)計算

性能指標(biāo)能夠反映設(shè)備的健康狀況。在進(jìn)行穩(wěn)定工況區(qū)間判別后，機組穩(wěn)定運行過程被劃分成一系列工況網(wǎng)格，且時間區(qū)間為[Stimek，Etimek]。以每個穩(wěn)定工況區(qū)間內(nèi)的性能指標(biāo)的平均值反映當(dāng)前該工況網(wǎng)格內(nèi)設(shè)備的健康狀況。在每個穩(wěn)定工況區(qū)間內(nèi)，根據(jù)穩(wěn)定性原始數(shù)據(jù)，計算反映穩(wěn)定性狀態(tài)以及特征的性能指標(biāo)。本文采用傳統(tǒng)的時域分析方法計算穩(wěn)定性性能指標(biāo)。目前主要的指標(biāo)有各監(jiān)測點（如上導(dǎo)X向擺度、上導(dǎo)Y向擺度、水導(dǎo)X向擺度、水導(dǎo)Y向擺度等）在穩(wěn)定工況區(qū)間內(nèi)的振動、擺度峰峰值的平均值等。

定義性能指標(biāo)Ijk（j= 1 ,2,...n，k= 1 ,2,...m），其中n為性能指標(biāo)個數(shù)，m為穩(wěn)定工況區(qū)間個數(shù)。Ijk表示第k個工況區(qū)間[Stimek，Etimek]內(nèi)第j個性能指標(biāo)的值。則：

其中Vppi為第i條數(shù)據(jù)記錄的測點峰峰值，C為工況區(qū)間[Stimek，Etimek]內(nèi)數(shù)據(jù)記錄總數(shù)。

2.2.3 工況關(guān)聯(lián)規(guī)則

利用工況關(guān)聯(lián)規(guī)則描述機組穩(wěn)定性能與工況之間的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)一步挖掘它們之間的規(guī)律以及定量關(guān)聯(lián)關(guān)系。工況關(guān)聯(lián)規(guī)則由時間標(biāo)記、工況向量和性能指標(biāo)Ijk構(gòu)成，其表現(xiàn)形式為：

Rtimek，工況 ID，Ha，Pb?I1k，I2k，...，Ink

其中，Rtimek為工況時間段Stimek精確到天的時間標(biāo)記（同工況網(wǎng)格一天只構(gòu)造一條規(guī)則），k= 1 ,2,...m。工況關(guān)聯(lián)規(guī)則表示：在Rtimek當(dāng)天，IF“機組負(fù)載穩(wěn)定或者空載穩(wěn)定運行、水頭和有功分別在（H(a)，H(a+1)）、（P(b)，P(b+1)）范圍內(nèi)”，THEN“性能指標(biāo)分別為I1k，I2k，...，Ink”。為了敘述簡便，Ink只選擇上導(dǎo)X向、Y向擺度峰峰值、水導(dǎo)X向、Y向擺度峰峰值。

將劃分的工況簇及其性能指標(biāo)構(gòu)造出一系列工況關(guān)聯(lián)規(guī)則，并通過關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘算法，獲取可信度比較高的規(guī)則[12]。工況關(guān)聯(lián)規(guī)則也可用表格形式展示，如表2中的記錄代表一條規(guī)則，表示 2009年 2月 19日，在負(fù)載穩(wěn)定工況下，機組有功功率為160～165MW、水頭為23～24m時，上導(dǎo)X向、上導(dǎo)Y向、水導(dǎo) X向、水導(dǎo) Y向擺度峰峰值平均值分別為99μm，174μm，179μm，217μm。

表2 工況關(guān)聯(lián)規(guī)則表格

2.3 穩(wěn)定性健康狀況評估

依據(jù)工況關(guān)聯(lián)規(guī)則，結(jié)合工況信息，對機組穩(wěn)定性特征進(jìn)行綜合關(guān)聯(lián)分析，評估機組穩(wěn)定性健康狀況，檢測穩(wěn)定性性能下降、預(yù)測早期故障。綜合關(guān)聯(lián)分析方法包括以下幾種：

（1）性能指標(biāo)閾值分析。將性能指標(biāo)與根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或者專家經(jīng)驗設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，檢測是否存在穩(wěn)定性故障；

（2）同工況模式性能趨勢分析。對相同工況模式下，即同工況、同工況網(wǎng)格內(nèi)機組穩(wěn)定性性能指標(biāo)進(jìn)行趨勢分析，檢測機組穩(wěn)定性性能是否下降，預(yù)測機組穩(wěn)定性性能變化趨勢；

（3）定相關(guān)狀態(tài)趨勢分析。在工況相同、水頭（或有功）一定的情況下，性能指標(biāo)隨有功（或水頭）變化規(guī)律分析，分析引起穩(wěn)定性性能差異的原因以及挖掘穩(wěn)定性性能指標(biāo)隨相關(guān)狀態(tài)變化的規(guī)律；

（4）變工況性能對比分析。將機組在不同工況過程中機組穩(wěn)定性性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析，如空載穩(wěn)定與負(fù)載穩(wěn)定對比，挖掘穩(wěn)定性性能隨工況變化規(guī)律；

（5）變機組對比分析。將同類型的不同機組在相同工況網(wǎng)格內(nèi)穩(wěn)定性性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析，為穩(wěn)定性性能分析提供參考依據(jù)。

2.4 故障診斷

根據(jù)綜合關(guān)聯(lián)分析及穩(wěn)定性健康狀態(tài)評估結(jié)果，當(dāng)穩(wěn)定性性能正常時，將該工況關(guān)聯(lián)規(guī)則作為參考工作模式，存入標(biāo)準(zhǔn)運行庫；當(dāng)檢測到故障或者性能下降時，提取故障征兆，啟動故障診斷程序，利用頻譜分析、軸心軌跡分析、大軸姿態(tài)分析等分析工具，采用故障樹或者基于模型參考的故障診斷方法，確定故障原因，定位故障位置，給出故障處理建議，并將該工況關(guān)聯(lián)規(guī)則保存到故障知識庫，作為以后故障分析的參考。此外，通過 HOMIS廣域信息平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)機組穩(wěn)定性遠(yuǎn)程故障診斷。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

目前，葛洲壩電站22臺機組都安裝了HOMIS，實現(xiàn)了穩(wěn)定性在線集成監(jiān)測，積累了大量穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)。利用基于工況關(guān)聯(lián)規(guī)則的穩(wěn)定性分析方法，對葛洲壩電站機組穩(wěn)定性狀態(tài)特征進(jìn)行分析，取得了不錯的效果。

3.1 性能下降檢測

通過不同工況關(guān)聯(lián)規(guī)則的對比，依據(jù)工況信息和穩(wěn)定性性能指標(biāo)，檢測機組穩(wěn)定性性能下降。如葛洲壩某機組2010年7月31日正常運行時獲取的兩條工況關(guān)聯(lián)規(guī)則見表3。在負(fù)載穩(wěn)定運行、水頭都為15～16m的情況下，機組有功為95～100MW時上導(dǎo)X向擺度峰峰值等各項性能指標(biāo)與有功為 120～125MW時對應(yīng)的指標(biāo)相比，全部增大，且都接近報警閾值，因此判斷機組可能存在異常。隨即查看機組穩(wěn)定性狀態(tài)原始數(shù)據(jù)（如圖4所示），并進(jìn)行頻譜分析（如圖5所示）。從圖中可以看出，上導(dǎo)X、Y向擺度（a和b）、水導(dǎo)X、Y向擺度（c和d）都存在明顯的4倍轉(zhuǎn)頻。經(jīng)分析，由于該水輪機葉片數(shù)為 4，初步判定異常是由于水輪機入流不平衡造成的。后對機組進(jìn)行停機檢查發(fā)現(xiàn)，機組X向?qū)~中夾雜異物，造成該方向水流紊亂，引起機組穩(wěn)定性性能下降。

表3 機組運行工況關(guān)聯(lián)規(guī)則

圖4 穩(wěn)定性原始數(shù)據(jù)曲線

3.2 穩(wěn)定性變化規(guī)律挖掘

對機組歷史運行工況關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)計分析，如搜索固定有功（或水頭）下的關(guān)聯(lián)規(guī)則，總結(jié)穩(wěn)定性性能隨水頭（或有功）變化的規(guī)律，優(yōu)化機組運行。圖6為葛洲壩某機組負(fù)荷為135～140MW穩(wěn)定運行時，上導(dǎo)X向擺度等隨水頭變化規(guī)律曲線。可以發(fā)現(xiàn)，首先上導(dǎo)擺度隨著水頭增加逐漸減小，當(dāng)水頭超過20～21m 時，上導(dǎo)擺度隨著水頭增加而加大；水導(dǎo)擺度在水頭低于21m時，隨著水頭增加而減小且變化較 快，水頭超過21m后，基本趨于平穩(wěn)，變化較小。

圖5 穩(wěn)定性原始數(shù)據(jù)頻譜分析

圖6 穩(wěn)定性性能指標(biāo)隨水頭變化規(guī)律

圖7為某機組在水頭為19～20m時，穩(wěn)定性各性能指標(biāo)隨機組有功變化規(guī)律曲線。由圖可看出，在60MW負(fù)荷以下，機組存在不穩(wěn)定區(qū)。不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)擺度值偏大，且隨有功增加而增大，因此機組應(yīng)避免在該負(fù)荷區(qū)運行；60MW至120MW負(fù)荷內(nèi)，擺度值基本保持穩(wěn)定，而當(dāng)負(fù)荷達(dá)到120MW后，擺度值隨負(fù)荷增大開始較快上升，且基本成線性關(guān)系。

圖7 穩(wěn)定性性能指標(biāo)隨有功變化規(guī)律

4 總結(jié)

分析了水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性故障特征與原因，研究了穩(wěn)定性性能與相關(guān)狀態(tài)和工況的關(guān)系。在HOMIS集成環(huán)境下，設(shè)計了基于工況關(guān)聯(lián)規(guī)則的穩(wěn)定性分析方法，詳細(xì)介紹了該分析方法各功能模塊的具體內(nèi)容。該方法綜合考慮機組工況與穩(wěn)定性相關(guān)狀態(tài)對穩(wěn)定性性能的影響，實現(xiàn)了穩(wěn)定性與工況和相關(guān)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)分析，提高了穩(wěn)定性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過葛洲壩電站穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，該方法在穩(wěn)定性變化規(guī)律分析、性能下降以及故障預(yù)測等方面具有很好的應(yīng)用前景。

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