，，

(1.江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213300; 2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

水電作為清潔能源，在現(xiàn)代能源生產(chǎn)中占有極為重要地位。水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，合稱為水電機(jī)組，是水力發(fā)電廠的關(guān)鍵設(shè)備。近年來，隨著對水電站安全運(yùn)行的要求逐步提高，水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測也越來越受到用戶重視。

水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容是振擺(振動和擺度，簡稱振擺)監(jiān)測及保護(hù)[1]。水電機(jī)組產(chǎn)生機(jī)械振動的原因很多，除了水電機(jī)組產(chǎn)品缺陷、安裝缺陷、運(yùn)維不當(dāng)?shù)仍蛲?，?fù)荷異常也可能產(chǎn)生較大振動。振動是一個(gè)多因素、多維度的合成作用的效果。

1 工程及監(jiān)測設(shè)施概況

江蘇沙河抽水蓄能電站總裝機(jī)容量為100MW，包含2臺50MW水電機(jī)組，每臺機(jī)組安裝有一套水電機(jī)組振擺監(jiān)測系統(tǒng)，具體情況如下：水輪機(jī)振擺監(jiān)測點(diǎn)設(shè)有水導(dǎo)X軸擺度、水導(dǎo)Y軸擺度、尾水管振動、頂蓋振動共4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，通過JM公司數(shù)顯裝置實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與保護(hù)功能。發(fā)電機(jī)振擺設(shè)有上機(jī)架振動3點(diǎn)、下機(jī)架振動3點(diǎn)、上導(dǎo)擺度2點(diǎn)、下導(dǎo)擺動2點(diǎn)共10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，通過VC4000在線監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與保護(hù)功能。

該系統(tǒng)運(yùn)行多年，主要存在以下問題：現(xiàn)有振擺監(jiān)測缺乏后臺分析系統(tǒng)，分析功能欠缺；裝置記錄振擺數(shù)據(jù)不完整，故障時(shí)不能觸發(fā)錄波，給分析帶來困難；監(jiān)測保護(hù)功能不完善。某些測點(diǎn)在開停機(jī)過程中測量數(shù)據(jù)失真，嚴(yán)重偏離實(shí)際，只能退出運(yùn)行。

為此，需要研制一套新的系統(tǒng)，以提高電站水電機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測水平，保障電站主要設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 水電機(jī)組振擺監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

水電機(jī)組振擺監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)，一般由前置振動和擺度傳感器、振擺監(jiān)測保護(hù)裝置、振擺監(jiān)測保護(hù)后臺軟件幾部分組成[2-4](見圖1)。

圖1 振擺監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 現(xiàn)地安裝振擺監(jiān)測保護(hù)裝置及工控機(jī)

裝置負(fù)責(zé)信號采集、數(shù)據(jù)預(yù)存儲、保護(hù)計(jì)算；工控機(jī)安裝振擺監(jiān)測就地分析軟件，接收保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)單臺發(fā)電機(jī)組的振擺保護(hù)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示(波形、報(bào)文等)、數(shù)據(jù)分析(具備簡單的振動分析功能)。監(jiān)測保護(hù)裝置可進(jìn)行報(bào)警或跳閘繼電器輸出，預(yù)留接口，后期可接至機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 中控室安裝狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)器

接收該站多臺水電機(jī)組的振擺數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，完成大容量數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)分析顯示、專家系統(tǒng)等功能建設(shè)；上位機(jī)后臺軟件可對水輪發(fā)電機(jī)組的振動、擺度、軸向位移、壓力脈動等狀態(tài)監(jiān)測參量以及相應(yīng)的工況參數(shù)和過程量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測，并能以結(jié)構(gòu)圖、棒圖、表格和曲線等形式進(jìn)行顯示，實(shí)時(shí)動態(tài)顯示所監(jiān)測的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，機(jī)組信息和狀態(tài)一目了然。包括實(shí)時(shí)波形圖、軸心軌跡、空間軸線、日趨勢圖等展示形式。

后臺軟件還具備高級分析等離線功能：提供時(shí)域波形分析、頻域分析、軸心軌跡圖、空間軸線圖、瀑布圖、趨勢分析多種專業(yè)分析手段，分析機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)；提供相關(guān)性分析、瀑布圖分析、連續(xù)波形等專業(yè)分析工具用于分析和評價(jià)機(jī)組在啟停機(jī)、甩負(fù)荷、變勵(lì)磁、變負(fù)荷等過渡過程中的狀態(tài)。

振擺監(jiān)測系統(tǒng)各傳感器位置和類型的配置，遵循國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]的相關(guān)規(guī)定。

3 振擺監(jiān)測保護(hù)裝置關(guān)鍵技術(shù)

3.1 浮動門檻越限判別

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可知在不同工況下，振動的數(shù)值差別很大，如水電機(jī)組落入振動區(qū)時(shí)，其振擺數(shù)據(jù)將會大幅提升；一旦跨越振動區(qū)，整個(gè)機(jī)組運(yùn)行會比較穩(wěn)定，振擺數(shù)據(jù)大大降低。此時(shí)，如果采用單一固定門檻，則在保證可靠性的前提下，某些工況下振擺越限定值的靈敏度將會大大降低。為此，需要對振擺越限判據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化后的報(bào)警判據(jù)采用非固定動作門檻值，根據(jù)水電機(jī)組的工況選擇一種振動動作門檻計(jì)算方法，并計(jì)算出動作門檻值。其中，工況量可以為轉(zhuǎn)速和功率中的任意一種。

3.1.1 轉(zhuǎn)速工況

當(dāng)水電機(jī)組的轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)波動時(shí)(比如水電機(jī)組在啟機(jī)過程中，選取轉(zhuǎn)速為工況量)，設(shè)備的振動信號在轉(zhuǎn)速Si處出現(xiàn)了一個(gè)極大值，為躲過這個(gè)極大值，在轉(zhuǎn)速Si的兩邊選擇了Si-1和Si+1兩個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，并擬合了2條曲線將振動信號的最大值包絡(luò)進(jìn)來。

在水電機(jī)組的轉(zhuǎn)速最小值S0到轉(zhuǎn)速最大值Sm范圍內(nèi)，將轉(zhuǎn)速劃分成ψ段，其中第i段的動作門檻方程如下：

Vset.float_i=aiS+biSi-1

(1)

式中Vset.float_i——第i段折線動作門檻；

S——旋轉(zhuǎn)設(shè)備實(shí)測的轉(zhuǎn)速；

Si-1，Si——第i段折線兩端對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，通常由旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動信號隨轉(zhuǎn)速的振動特性決定；

ai——第i段折線浮動系數(shù)；

bi——第i段折線振動越限起始門檻。

式(1)對應(yīng)的基于轉(zhuǎn)速工況的振動特征量動作曲線見圖2。

圖2 基于轉(zhuǎn)速工況的特征量動作曲線

3.1.2 功率工況

當(dāng)水電機(jī)組的功率在較大范圍內(nèi)波動時(shí)(此時(shí)選取功率為工況量)，設(shè)備的振動信號在功率Pi處出現(xiàn)了一個(gè)極大值，為躲過這個(gè)極大值，在功率Pi的兩邊選擇了Pi-1和Pi+1兩個(gè)功率點(diǎn)，并擬合了2條曲線將振動信號的最大值包絡(luò)進(jìn)來。

在水電機(jī)組的功率最小值P0到功率最大值Pm范圍內(nèi)，將功率劃分成ψ段，其中第j段的動作門檻方程如下：

Vset.float_j=cjP+djPj-1

(2)

式中Vset.float_j——第j段折線動作門檻；

p——旋轉(zhuǎn)設(shè)備實(shí)測的功率；

Pj-1，Pj——第j段折線兩端對應(yīng)的功率值，由旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動信號隨功率的振動特性決定；

cj——第j段折線浮動系數(shù)；

dj——第j段折線振動越限起始門檻。

式(2)對應(yīng)的基于功率工況的振動特征量動作曲線見圖3。

圖3 基于功率工況的特征量工作曲線

3.2 基于相關(guān)性的通道自檢

基于相關(guān)性的通道自檢，其步驟為：振動監(jiān)測保護(hù)裝置依據(jù)各通道對應(yīng)測點(diǎn)的位置和水電機(jī)組特性，獲得各通道的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)定其權(quán)值；振動監(jiān)測保護(hù)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測各通道的振動數(shù)據(jù)，并檢查其變化趨勢是否符合通道相關(guān)性約束；某個(gè)通道振動信號異常增大或減小，其相關(guān)的其他通道振動信號無任何變化，連續(xù)多次，則可判定該通道異常，包括傳感器的異常和裝置采樣通道的異常。

3.2.1 相關(guān)系數(shù)設(shè)定

振動監(jiān)測保護(hù)裝置依據(jù)各通道對應(yīng)測點(diǎn)的位置和旋轉(zhuǎn)設(shè)備特性，獲得各通道的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)定其權(quán)值。以測點(diǎn)A的X向通道相關(guān)系數(shù)的設(shè)定舉例，設(shè)定過程如下：

(3)

式中Ki——測點(diǎn)i的X方向測點(diǎn)和測點(diǎn)A的X方向相關(guān)系數(shù)，取其測得信號一段時(shí)間T內(nèi)的平均值、最大值、最小值的比率系數(shù)最大值；

Vipp.ave.x，Vipp.max.x，Vipp.min.x——時(shí)間T內(nèi)測點(diǎn)i的X方向信號最大值，最小值和平均值；

i——為測點(diǎn)序號，取值從1到N。

3.2.2 通道異常判別

振動監(jiān)測保護(hù)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測各通道的振擺數(shù)據(jù)，并檢查其變化趨勢是否符合通道相關(guān)性約束。具體如下：

(4)

式中Y函數(shù)——測點(diǎn)A的X向振擺信號受到的相關(guān)通道約束，由測點(diǎn)A的-Y向振擺信號變化值|ΔVpp.ave.Y|及測點(diǎn)i的X向振擺信號變化值|ΔVipp.ave.X|決定；

K0，Ki——測點(diǎn)A的-Y方向和測點(diǎn)i的X方向的相關(guān)系數(shù)；

β0，βi——測點(diǎn)A的-Y方向和測點(diǎn)i的X方向的權(quán)重系數(shù)，i取值從1到N。

某個(gè)通道振擺信號異常增大或減小，超過其相鄰?fù)ǖ赖南嚓P(guān)性約束，連續(xù)多次，則可判定該通道異常，提示運(yùn)行人員進(jìn)行相關(guān)處理。

|ΔVpp.X|≥Y

(5)

n≥nset

(6)

式中 |ΔVpp.X|——測點(diǎn)A的X方向振擺信號變化值；

N——超過限值范圍的次數(shù)；

nset——越限次數(shù)定值。

3.3 基于工況識別的通道自檢

基于工況識別的通道自檢，其過程如下：

振動監(jiān)測保護(hù)裝置檢索各測點(diǎn)歷史振動數(shù)據(jù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)定各測點(diǎn)振動信號的正常閾值范圍；振動監(jiān)測保護(hù)裝置檢測水電機(jī)組當(dāng)前輔助觸點(diǎn)及運(yùn)行狀態(tài)信號，準(zhǔn)確判別其運(yùn)行工況；水電機(jī)組處于不同運(yùn)行工況時(shí)，實(shí)時(shí)檢測其振動數(shù)值是否超出各測點(diǎn)傳感器對應(yīng)的振動信號正常閾值范圍，靈敏反應(yīng)振動信號的通道異常，包括傳感器的異常和裝置采樣通道的異常。

3.3.1 振動信號閾值設(shè)定

檢索各測點(diǎn)歷史振動數(shù)據(jù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)定其振動信號的正常閾值范圍。

(7)

Vpp.set1=Vpp.ave-k×Vpp.ave

(8)

式中Vpp.i——某一運(yùn)行工況某一時(shí)刻下，測點(diǎn)對應(yīng)的歷史振動信號值；

Vpp.ave——測點(diǎn)在某一運(yùn)行工況下歷史振動信號的平均值；

Vpp.const——測點(diǎn)對應(yīng)的振動信號某一運(yùn)行工況下的固有值；

k——偏離均值的系數(shù)，一般取0.1～0.2；

Vpp.set1——某一運(yùn)行工況下，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)獲得的測點(diǎn)振動信號閾值。

3.3.2 運(yùn)行工況識別

水電機(jī)組振動監(jiān)測保護(hù)裝置根據(jù)各種運(yùn)行參數(shù)和輔助觸點(diǎn)位置，準(zhǔn)確識別水電機(jī)組的運(yùn)行工況。

a.導(dǎo)葉處于關(guān)閉位置且無勵(lì)磁電壓，則水電機(jī)組處于靜止?fàn)顟B(tài)。

b.導(dǎo)葉打開，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化，則水電機(jī)組處于空載無勵(lì)變轉(zhuǎn)速工況。

c.導(dǎo)葉打開，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁電壓變化，則水電機(jī)組處于空載額定轉(zhuǎn)速變勵(lì)磁工況。

d.水輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁電壓額定，機(jī)端斷路器或主變高壓側(cè)開關(guān)處于合閘位置，有功功率變化，則水電機(jī)組處于帶負(fù)荷變負(fù)荷工況。

e.導(dǎo)葉關(guān)閉，勵(lì)磁電壓額定，機(jī)端斷路器或主變高壓側(cè)開關(guān)處于合閘位置，有功功率為一較小的負(fù)值，無功功率大范圍變化，則水電機(jī)組處于調(diào)相運(yùn)行工況。

其流程見圖4。

圖4 運(yùn)行工況判別流程

3.3.3 通道異常判別

實(shí)時(shí)檢測各測點(diǎn)的振動信號，并結(jié)合運(yùn)行參數(shù)確定水電機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行工況，再與歷史數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)運(yùn)行工況下同一測點(diǎn)振動信號正常閾值進(jìn)行比較，連續(xù)多次超出正常范圍則發(fā)出“測點(diǎn)X振動通道異常”報(bào)警，提示運(yùn)行人員處理。

Vpp.k

(9)

n≥nset

(10)

式中Vpp.k——某運(yùn)行工況下測點(diǎn)的振動信號實(shí)測值；

n——某運(yùn)行工況下低于限值的次數(shù)；

nset——越限次數(shù)定值。

某工況下，測點(diǎn)信號小于振動信號下限值，連續(xù)多次，則裝置判定該振動監(jiān)測通道異常。

4 結(jié) 語

該機(jī)組振擺監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)基于南瑞繼保新一代繼電保護(hù)系統(tǒng)硬件平臺開發(fā)，綜合應(yīng)用了浮動門檻判據(jù)，基于相關(guān)性和工況識別的振擺監(jiān)測保護(hù)通道異常自檢方法等，提高了裝置進(jìn)行振動故障監(jiān)測的可靠性和靈敏度；后臺分析軟件功能完備，操作簡便，減少了分析工作量，提高了現(xiàn)場故障分析工作效率。

該系統(tǒng)已在江蘇沙河抽水蓄能電站投入實(shí)際運(yùn)行一年多。2017年7月21日16時(shí)11分左右2號機(jī)組導(dǎo)水葉故障時(shí)，水電機(jī)組振擺監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)正確動作，借助后臺系統(tǒng)的分析功能，快速查明了故障原因。

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