潘偉峰,孫爾軍,朱傳古
(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團公司,江蘇省南京市 210003)
智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)檢修技術(shù)淺析
潘偉峰,孫爾軍,朱傳古
(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團公司,江蘇省南京市 210003)
智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)檢修是實現(xiàn)水電機組、變壓器等主設(shè)備運行性態(tài)在線精確測量、健康狀態(tài)評估及狀態(tài)檢修的技術(shù)保證,本文通過介紹智能水電廠及其設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修決策評估體系架構(gòu),完整闡述其三大應(yīng)用組件——安全I區(qū)機組振擺保護、安全II區(qū)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及管理信息大區(qū)狀態(tài)檢修決策支持的設(shè)備組成及關(guān)鍵功能部署要求,可為智能水電廠及常規(guī)水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)檢修各相關(guān)應(yīng)用子系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)改造提供借鑒。
智能水電廠;振擺保護;狀態(tài)在線監(jiān)測分析;狀態(tài)檢修決策支持;一體化管控平臺;設(shè)備狀態(tài)綜合報告;DL/T 860
水輪發(fā)電機組、電力變壓器等主設(shè)備耗資巨大,其運行性態(tài)直接決定著水電廠及電網(wǎng)的安全性及調(diào)節(jié)能力。尤其是作為大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的水輪發(fā)電機組,集“水、機、電”于一體,既承受相對緩慢的復(fù)雜非恒定水力沖擊,又承受快速瞬變交流電磁場影響,故障種類及機理十分復(fù)雜,其運行性態(tài)在線精確測量及健康狀態(tài)評估難度巨大。
研究水電機組監(jiān)測、診斷與狀態(tài)檢修技術(shù),建立相應(yīng)異常預(yù)警、狀態(tài)分析診斷與決策評估系統(tǒng)是當(dāng)今水電運行保障技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,也是水電廠實施“狀態(tài)檢修”的重要保證。
智能水電廠“以信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、集成標(biāo)準(zhǔn)化、運管一體化、業(yè)務(wù)互動化、運行最優(yōu)化、決策智能化”為特征,可以實現(xiàn)“生產(chǎn)運行安全可靠、經(jīng)濟高效、友好互動”的水電廠發(fā)展目標(biāo),已成為當(dāng)前研究應(yīng)用的熱點。
作為智能水電廠集成標(biāo)準(zhǔn)化及決策智能化的重要體現(xiàn),設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修決策評估智能應(yīng)用組件應(yīng)實現(xiàn)以下主要目標(biāo):
(1)防止突發(fā)事故,保證機組運行安全。
(2)新投產(chǎn)或大修后試運行過程發(fā)現(xiàn)問題,優(yōu)化機組特性。
(3)機組正常運行過程避開非正常狀態(tài)運行,延長機組壽命。
(4)提高設(shè)備運行監(jiān)測分析和健康診斷評估水平,為電廠技術(shù)監(jiān)督、技改和狀態(tài)檢修的實施提供重要技術(shù)支撐。
DL/T 1547—2016《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》[1]已于2016年1月發(fā)布,其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
從圖1(標(biāo)粗虛線方框部分)可以看出,設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修決策評估應(yīng)用組件主要包括以下三個部分:
(1)處于安全Ⅰ區(qū)的機組振擺保護單元。
(2)處于安全Ⅱ區(qū)的主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測單元以及狀態(tài)在線監(jiān)測分析高級應(yīng)用軟件。
(3)處于管理信息大區(qū)的主設(shè)備狀態(tài)檢修決策支持高級應(yīng)用軟件。
與此對應(yīng),提煉出智能水電廠設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修決策評估系統(tǒng)架構(gòu),如圖2所示。
圖1 智能水電廠系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig. 1 System architecture of smart hydropower plant
圖2 智能水電廠設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修決策評估系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 2 System architecture of equipments online monitoring and condition based maintenance decision &evaluation in smart hydropower plant
橫跨安全Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)的一體化管控平臺、數(shù)據(jù)中心及其標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)同步通信總線為整個智能水電廠設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修決策評估智能應(yīng)用組件的功能實現(xiàn)搭建了完整的數(shù)據(jù)傳輸高速公路及海量數(shù)據(jù)應(yīng)用倉庫,廠站層與單元層之間的信息交互應(yīng)采用智能水電廠DL/T 860-MMS(IEC 61850-MMS)[2]標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信總線。
隨著俄羅斯薩揚水電站“8·17”事故的發(fā)生,作為水電站安全反措的關(guān)鍵技術(shù)手段之一,國內(nèi)各大電源公司如國網(wǎng)新源和華能瀾滄江公司均要求新建電站配置機組振擺保護裝置,以便隨時監(jiān)控機組運行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)機組長時間非安全區(qū)域運行引起的異常故障征兆,避免嚴(yán)重事故發(fā)生,保障機組安全穩(wěn)定運行。
作為安全Ⅰ區(qū)的運行設(shè)備,智能水電廠機組振擺保護單元處于電廠單元層,用以實現(xiàn)機組運行過程中振擺測值的在線監(jiān)視、越限報警及機組狀態(tài)異常越限停機信號自動輸出功能。
每臺機組配置一套振擺保護單元及相應(yīng)傳感器,與傳統(tǒng)機組狀態(tài)監(jiān)測測點豐富全面不同,其主要測點[3]為固定部件的結(jié)構(gòu)振動及主軸擺度。
鑒于當(dāng)前業(yè)內(nèi)尚未具備過程層接入要求的智能型傳感器產(chǎn)品,振擺保護單元仍采用傳統(tǒng)I/O電纜與常規(guī)振動、擺度傳感器相連,完成信號的采集計算與特征提取,通過內(nèi)置的算法邏輯策略,判斷機組當(dāng)前運行狀態(tài),并通過廠站層MMS網(wǎng)發(fā)出振擺越限告警或保護停機信號;同時,振擺保護單元將機組振擺特征數(shù)據(jù)及當(dāng)前運行狀態(tài)等信息通過廠站層MMS網(wǎng)上傳給安全Ⅰ區(qū)的一體化管控平臺。
需要注意的是,當(dāng)前現(xiàn)狀下,智能水電廠機組振擺保護單元應(yīng)同時保留傳統(tǒng)開關(guān)量動作、振擺特征值4~20mA模擬量輸出信號以及傳感器原始信號的隔離緩沖輸出接口。
機組振擺保護單元保持獨立運行,當(dāng)其發(fā)出越限停機動作信號后,為了避免甩負(fù)荷,一般由機組現(xiàn)地控制單元執(zhí)行解列停機或負(fù)荷調(diào)整流程,而不直接動作于出口斷路器。
機組振擺越限停機功能流程如圖3所示,其報警及跳閘信號延時及定值整定應(yīng)考慮水電機組正常開停機、額定負(fù)荷運行、振動區(qū)運行、甩負(fù)荷等不同運行工況特征。為了準(zhǔn)確獲知機組實時工況狀態(tài),振擺保護單元還應(yīng)通過廠站層DL/T 860—MMS網(wǎng)或傳統(tǒng)模擬量/開關(guān)量輸入方式獲取機組有功、轉(zhuǎn)速、出口斷路器位置、泵工況等信號。
關(guān)于機組振動、擺度報警閥值及停機閥值的設(shè)定,可參照GB/T 6075.5、GB/T 11348.5、GB/T 8564、GB/T 32584、GB/T 7894、GB/T 15468、GB/T 18482及DL/T 507等標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合各機組的安裝或運行情況,經(jīng)過一段時間歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,采用專家、設(shè)備廠家和運維人員討論的形式確認(rèn)告警閾值和保護閾值。
圖3 水輪發(fā)電機組振擺越限停機功能流程圖Fig. 3 Vibration & swing over limit stopping alarm function flow chart of hydro generator sets
水電廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測主要由水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)組成,通過對機組狀態(tài)監(jiān)測量以及變電設(shè)備某個或多個狀態(tài)的參數(shù)進行自動、實時、連續(xù)的監(jiān)視和測量,來實現(xiàn)水輪發(fā)電機組及變電主設(shè)備主要部件的運行狀態(tài)的在線監(jiān)測、越限告警、專項分析與輔助診斷,一般由各類傳感器、現(xiàn)地狀態(tài)監(jiān)測采集分析單元、上位機單元及相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。
智能水電廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測所有軟硬件設(shè)備均處于安全Ⅱ區(qū),主要由處于單元層的機組狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集單元、變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測單元,以及處于廠站層的狀態(tài)在線監(jiān)測分析應(yīng)用軟件組成。
同樣,基于目前市面上尚未有具備過程層接入要求的智能型狀態(tài)監(jiān)測傳感器產(chǎn)品的現(xiàn)狀,各類現(xiàn)地狀態(tài)監(jiān)測單元仍采用傳統(tǒng)I/O電纜與常規(guī)傳感器相連,將采集、計算、分析后的各類狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),通過廠站層MMS網(wǎng)上傳給安全Ⅱ區(qū)的一體化管控平臺。
機組狀態(tài)監(jiān)測單元主要采集振動、擺度、壓力脈動、空氣間隙、磁通密度、定子局放等狀態(tài)監(jiān)測量信號;需要注意的是,對于安全Ⅰ區(qū)振擺保護單元已安裝的機組振動、擺度傳感器信號,可采取由振擺保護單元的傳感器原始信號的緩沖輸出或?qū)S眯盘柛綦x放大器獲取,而不必再單獨配置一套振擺傳感器,尤其對于已建成的水電站智能化改造項目。
變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測單元主要包括:變壓器/電抗器狀態(tài)監(jiān)測單元、斷路器/GIS狀態(tài)監(jiān)測單元及電容性設(shè)備/避雷器狀態(tài)監(jiān)測單元等,如圖2所示。變壓器/電抗器狀態(tài)監(jiān)測單元主要采集分析油中溶解氣體、局部放電以及鐵芯電流等信號,斷路器/GIS狀態(tài)監(jiān)測單元主要采集分析SF6氣體密度及微水、GIS室SF6氣體泄漏、斷路器機械特性、GIS局部放電等信號,電容性設(shè)備/避雷器狀態(tài)監(jiān)測單元主要采集電容型設(shè)備及金屬氧化物避雷器絕緣狀態(tài)參數(shù)。
有別于傳統(tǒng)的水電廠機組及變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測上位機軟硬件系統(tǒng)的獨立部署,智能水電廠設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測上位機軟硬件系統(tǒng)應(yīng)基于廠站層安全Ⅱ區(qū)的一體化管控平臺軟硬件系統(tǒng)進行統(tǒng)一部署。廠站層的狀態(tài)在線監(jiān)測分析應(yīng)用軟件應(yīng)作為一體化管控平臺安全Ⅱ區(qū)的一個功能應(yīng)用組件進行設(shè)計和部署,其軟件應(yīng)用架構(gòu)及其功能部署如圖4所示。
部署于一體化平臺的狀態(tài)在線監(jiān)測分析軟件僅實現(xiàn)各類專業(yè)應(yīng)用組件及高級應(yīng)用組件,其基礎(chǔ)應(yīng)用及基礎(chǔ)服務(wù)由一體化平臺統(tǒng)一提供,不同前端監(jiān)測單元所采集的數(shù)據(jù)由一體化平臺數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理及與其他系統(tǒng)間的統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享,采用基于DL/T 860技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)化通信接口。
圖4 基于一體化管控平臺的狀態(tài)在線監(jiān)測分析軟件應(yīng)用架構(gòu)及功能部署圖Fig. 4 Application architecture and function deployment diagram of condition monitoring and analysis software based on Integrated management & control platform
圖5 智能水電廠設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測分析軟件主要功能框圖Fig. 5 Primary function block diagram of equipment condition monitoring and analysis software in smart hydropower plant
智能水電廠設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測分析應(yīng)用軟件應(yīng)對水電廠設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測參量、過程量參數(shù)以及相應(yīng)的工況參數(shù)進行實時監(jiān)測,對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行長期存儲、管理、綜合分析,反映機組長期運行狀態(tài)變化趨勢,以數(shù)值、圖形、表格、曲線和文字等形式進行顯示和描述,并對水電廠設(shè)備異常狀態(tài)進行預(yù)警和報警,其主要狀態(tài)監(jiān)測分析功能如圖5所示。
作為管理信息大區(qū)主設(shè)備狀態(tài)檢修的高級應(yīng)用軟件,智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)[4]通過一體化管控平臺統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)總線及匯總存儲接口,實現(xiàn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)地在線監(jiān)測裝置/系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問,獲取其反映設(shè)備健康狀態(tài)的在線、離線特征數(shù)據(jù)及靜態(tài)參數(shù),結(jié)合設(shè)備管理對象建模[5],實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)存儲、診斷分析、狀態(tài)評價、風(fēng)險評估[6]、檢修決策維護建議和設(shè)備健康狀態(tài)綜合報告自動生成等功能,并將分析結(jié)論及決策建議傳輸給一體化管控平臺,為水電廠設(shè)備狀態(tài)檢修提供決策支持。
一個完整的智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)功能模塊應(yīng)包括:數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測預(yù)警、狀態(tài)分析、狀態(tài)診斷、狀態(tài)評價、狀態(tài)預(yù)測、風(fēng)險評估及決策建議,其軟件業(yè)務(wù)功能框圖如圖6所示。
圖6 智能水電廠狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)軟件業(yè)務(wù)框圖Fig. 6 Software function block diagram of condition based maintenance decision supporting system in smart hydropower plant
為了對水電設(shè)備檢修建議及設(shè)備檢修維護計劃的制定提供實用化的決策支持,最大限度地改善水電主設(shè)備檢修過度和不足的問題,智能水電廠狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)應(yīng)能自動生成反映電站各主要設(shè)備狀態(tài)分析、診斷、評估結(jié)果的綜合報告,根據(jù)各主要設(shè)備狀態(tài)量的數(shù)值和變化趨勢,對其進行診斷分析、狀態(tài)評價和狀態(tài)評估,并最終得出設(shè)備的狀態(tài)評價、風(fēng)險評估、趨勢分析、故障診斷及維修決策結(jié)果,對設(shè)備當(dāng)前的健康狀態(tài)進行多維度在線量化評估,從而構(gòu)建滿足于電廠全壽命周期資料管理體系的設(shè)備健康檔案,對正常狀態(tài)的設(shè)備提供延遲維修的建議,對異常狀態(tài)的設(shè)備提供針對性的及時檢修及缺陷處理策略。
圖7 水電機組狀態(tài)綜合報告典型組成Fig. 7 Typical composition of comprehensive hydropower unit state report
設(shè)備狀態(tài)綜合報告組成內(nèi)容應(yīng)包括設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測分析結(jié)果、專家系統(tǒng)診斷分析結(jié)果、設(shè)備狀態(tài)評價結(jié)果和設(shè)備風(fēng)險評估結(jié)果等。設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測分析結(jié)果應(yīng)包括機組穩(wěn)定性狀態(tài)分析、變壓器油色譜狀態(tài)分析、斷路器SF6特性等,典型機組狀態(tài)綜合報告組成如圖7所示。
作為設(shè)備定期體檢健康檔案及系統(tǒng)最終的輸出成果,設(shè)備狀態(tài)綜合報告可由一體化管控平臺統(tǒng)一存儲管理,以方便生產(chǎn)管理系統(tǒng)等外部信息系統(tǒng)查閱調(diào)用,從而實現(xiàn)智能水電廠狀態(tài)檢修決策評估相關(guān)信息的有效互通互聯(lián)。
作為智能水電廠集成標(biāo)準(zhǔn)化及決策智能化的主要體現(xiàn)之一,智能水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)檢修立足于智能水電廠一體化管控平臺、數(shù)據(jù)中心及其高速數(shù)據(jù)總線的基礎(chǔ)應(yīng)用;通過部署橫跨安全Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)機組振擺保護、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)檢修決策支持三大專業(yè)應(yīng)用組件,構(gòu)建統(tǒng)一的水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及狀態(tài)檢修決策評估信息平臺;通過發(fā)電機、水輪機、變壓器、斷路器等主設(shè)備統(tǒng)一設(shè)備對象、數(shù)據(jù)接入和狀態(tài)評價評估建模,構(gòu)筑設(shè)備狀態(tài)主題數(shù)據(jù)中心,實現(xiàn)水電主設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集處理、特征計算、監(jiān)測預(yù)警、統(tǒng)一匯總和存儲,以及設(shè)備健康狀態(tài)分析、故障診斷、狀態(tài)評價、風(fēng)險評估、趨勢預(yù)測和檢修決策建議,可為水電站設(shè)備的安全運行、異常預(yù)警及設(shè)備狀態(tài)檢修的實行提供全面技術(shù)手段。
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2017-04-24
2017-05-25
潘偉峰(1977—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向:水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)檢修、水電廠自動化。E-mail:panweifeng@sgepri.sgcc.com.cn
孫爾軍(1978—),男,碩士,工程師,主要研究方向:水電廠自動化及水電機組狀態(tài)監(jiān)測檢修。E-mail:sunerjun@sgepri.sgcc.com.cn
朱傳古(1982—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向:水電廠自動化及水電機組狀態(tài)監(jiān)測檢修。
Brief Discussion on Condition Monitoring and Condition Based Maintenance Technology of Primary Equipments in Smart Hydropower Plant
PAN Weifeng,SUN Erjun,ZHU Chuangu
(State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 210003,China)
Condition monitoring and condition based maintenance of primary equipments in smart hydropower plant could provide the technical assurance of accurately online running state measurement,health state assessment and condition based maintenance for primary equipments such as turbine,generator,transformer,etc. This paper introduces the architecture of smart hydropower plant and its online equipments monitoring,condition based maintenance decision & evaluation components,elaborates the system composition and key function deployment requirements of its three main application components: over limit protection of Unit vibration,equipments condition monitoring and condition based maintenance decision supporting wholely. Thus,it also provides a comprehensive reference for planning,designing,constructing and reforming the correlated application subsystems of primary equipments’ condition monitoring and condition based maintenance in smart hydropower plant and general hydropower plant.
smart hydropower plant; vibration protection;condition monitoring and analysis; condition based maintenance decision supporting; integrated management & control platform;comprehensive equipment state report; DL/T 860
TK71
A學(xué)科代碼:570.30
10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.006