陸桂明 龔鈺婷

摘要：以低成本為目標(biāo)構(gòu)建了水輪發(fā)電機(jī)組的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫(kù)建立等系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，將水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行信息可視化，并通過專家系統(tǒng)的診斷與預(yù)警功能實(shí)施監(jiān)測(cè)。將水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)通過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集后統(tǒng)一存儲(chǔ)到狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過頻域分析和診斷，可自動(dòng)生成運(yùn)行狀態(tài)報(bào)表，由主控界面顯示，可顯示機(jī)組振動(dòng)的頻點(diǎn)和幅值、各相關(guān)頻點(diǎn)幅值的變化曲線等信息。運(yùn)行人員可以根據(jù)上述信息調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行工況，對(duì)于軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組還可以微調(diào)協(xié)聯(lián)關(guān)系，以接近最優(yōu)工況運(yùn)行，從而提升機(jī)組運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；振動(dòng)；數(shù)據(jù)采集；專家系統(tǒng)；在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TV742

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.034

水輪發(fā)電機(jī)組自身部件龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運(yùn)行時(shí)不可避免地存在程度不同的振動(dòng)和擺度，其來(lái)源既有機(jī)電方面的因素，也有水力、過水建筑等方面的因素。振動(dòng)是造成發(fā)電機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的重要因素，可以通過分析振動(dòng)信息發(fā)現(xiàn)問題，并輔助提高機(jī)組的運(yùn)行效率。

以往的監(jiān)控平臺(tái)在數(shù)據(jù)采集及分析技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，一般都是通過振動(dòng)信息的頻譜分析來(lái)確定振動(dòng)來(lái)源，但在解決問題的策略上，由于每座水電站的具體情況不同，因此解決手段也不盡相同。當(dāng)前關(guān)于解決機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行的研究并不太多，且目前此類產(chǎn)品進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)價(jià)格都比較高，因此筆者在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種低成本的機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效提高機(jī)組運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)硬件

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

使用電渦流傳感器對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)軸振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，低頻磁電式振動(dòng)傳感器用于殼體、支架、大軸的水平及其軸向振動(dòng)的測(cè)量，轉(zhuǎn)換振動(dòng)擺度信號(hào)為電流信號(hào)：電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換：核心控制單元獲取數(shù)據(jù)并通過設(shè)計(jì)好的數(shù)字濾波器濾波：硬件平臺(tái)通過USB和串口分別與上位機(jī)PC進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制命令交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

1.2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊、擺度監(jiān)測(cè)模塊、振動(dòng)傳感器、電渦流傳感器及框架機(jī)箱、電源、顯示板、通信端口等組成，具體硬件設(shè)施組成情況見表1。

（1）HN808電渦流傳感器。是組合前置放大器與電渦流探頭結(jié)構(gòu)的一種非接觸式的線性傳感器，用于測(cè)量探頭與被測(cè)物體的距離，鐵氧體吸收探頭交變電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，隨著時(shí)間變化，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，使得傳感器發(fā)生電路感應(yīng)并作出相應(yīng)處理，從而獲得位移量。探頭工作溫度范圍為-30～120℃，電纜工作溫度范圍為-30～120℃，前置放大器工作溫度范圍為-30～80℃：頻率響應(yīng)范圍為0～10kHz：電源為-24V（DC）或+24V（DC），可根據(jù)用戶需要設(shè)計(jì)工作電壓；輸出電流為4～20mA，負(fù)載<500Ω；傳感器電阻為2～10Ω（一般為5.4Ω）：最大輸出電壓約為-22V（-24V電源供電時(shí)）；耗電量<20mA；探頭電纜長(zhǎng)lm；系統(tǒng)電纜長(zhǎng)度為探頭電纜長(zhǎng)度+延長(zhǎng)電纜=5+0.5m或9+0.9m。

（2）HN100A低頻振動(dòng)傳感器。是根據(jù)磁電感應(yīng)的基本原理將振動(dòng)信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的慣性式傳感器。把傳感器裝置在機(jī)器之上，在感應(yīng)頻率范圍內(nèi)，磁鐵與線圈作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁力線的切割使線圈內(nèi)能夠不斷生成感應(yīng)電壓，其信號(hào)與被測(cè)量物體的振動(dòng)速度值成正比，然后通過積分放大處理此信號(hào)，從而獲得位移信號(hào)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：頻率響應(yīng)范圍為0.5～300.0Hz（-3dB），靈敏度為8+0.4V/mm（或根據(jù)用戶要求調(diào)整），量程為±1mm，線性度<5%，供電電壓-24V、+24V或±15V可選，最大輸出電壓為8V，使用溫度范圍為-30～80℃，外形尺寸43mm（直徑）×122mm（長(zhǎng)度）。接線方式如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)硬件平臺(tái)功能介紹

筆者研究應(yīng)用的在線監(jiān)測(cè)傳感器主要為電渦流傳感器和低頻磁電式振動(dòng)傳感器，研究設(shè)計(jì)了HN-3機(jī)組雙通道擺度監(jiān)測(cè)裝置配接HN808型電渦流傳感器與HN-2機(jī)組雙通道振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置配接HN100A型低頻磁電式振動(dòng)傳感器的硬件裝置，應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)。

HN-3雙通道擺度監(jiān)測(cè)裝置用于測(cè)量振動(dòng)幅值，連接HN808型電渦流傳感器后測(cè)量與監(jiān)控水輪機(jī)的大軸或轉(zhuǎn)子的徑向相對(duì)振動(dòng)或擺度。HN-2雙通道振動(dòng)裝置連接HN100A低頻磁電式振動(dòng)傳感器，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)絕對(duì)振動(dòng)垂直、水平方向的烈度和幅度，并可報(bào)警，其標(biāo)準(zhǔn)的電流輸出與DCS、PLC系統(tǒng)連接。兩者的主要功能都是監(jiān)視水輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)類機(jī)械的振動(dòng)、擺度狀態(tài)并保護(hù)其安全運(yùn)行。

采集到的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)處理模塊分析處理，獲得能夠反映機(jī)組運(yùn)行工況的特征參數(shù)，再形成各種曲線、圖表等顯示于人機(jī)界面，定期生成狀況檢查日志并描繪發(fā)展趨勢(shì)，將數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中作為歷史數(shù)據(jù)，為今后水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)警、問題分析與診斷提供有效而可靠的依據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

應(yīng)用MVC模式（模型一視圖一控制）的三層體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行和監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，這種MVC三層結(jié)構(gòu)體系不僅有利于系統(tǒng)的工作流程和規(guī)則的控制與調(diào)整，而且其可視化界面有利于操作管理，便于瀏覽器訪問，維護(hù)成本較低。該數(shù)據(jù)庫(kù)又分為以下子數(shù)據(jù)庫(kù)。

（1）時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)。時(shí)域是真實(shí)存在的域，水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)，按照時(shí)間先后順序產(chǎn)生相關(guān)參數(shù)，保存在時(shí)域數(shù)據(jù)庫(kù)中。保存的時(shí)域信號(hào)為機(jī)組運(yùn)行狀況提供了可拓性的診斷數(shù)據(jù)。

（2）專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)。專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)囊括了工程背景及元級(jí)控制、設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備功能與行為、過程算法、故障機(jī)理等方面的知識(shí)。水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，可根據(jù)故障特點(diǎn)結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)進(jìn)行診斷。

2.2 小波變換與快速傅里葉變換結(jié)合的數(shù)據(jù)處理方法

采用小波變換與快速傅里葉變換相結(jié)合的方法研發(fā)處理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。用小波變換檢測(cè)出干擾信號(hào)的特征及其發(fā)生區(qū)域，對(duì)閃變信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，以獲取閃變干擾信號(hào)的頻率和幅值，從而節(jié)省運(yùn)算時(shí)間?？焖俑道锶~變換方法將信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域，用來(lái)監(jiān)測(cè)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)過程中信號(hào)的各個(gè)頻率點(diǎn)和幅值，便于使用頻域圖來(lái)監(jiān)測(cè)問題處的頻率。通過快速傅里葉變換得到調(diào)幅波的頻率和幅值，從而使處理器節(jié)約了快速傅里葉變換的計(jì)算時(shí)間，在閃變信號(hào)未出現(xiàn)時(shí)僅進(jìn)行小波變換，而當(dāng)閃變信號(hào)出現(xiàn)時(shí)才啟動(dòng)快速傅里葉變換。系統(tǒng)以128個(gè)周期作為一個(gè)采樣窗口，在計(jì)算時(shí)只采樣每個(gè)周期的峰值和谷值這兩點(diǎn)，采樣頻率為100Hz。

2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性建模，從而建立機(jī)組振動(dòng)模擬模型，可以模擬機(jī)組運(yùn)行過程中各工況點(diǎn)相關(guān)部位的振動(dòng)值，以指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行。此外，還利用自組織人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)進(jìn)行分類識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的智能化指導(dǎo)，解決有關(guān)諧波監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和精度問題。算法設(shè)計(jì)如下。

假設(shè)一個(gè)諧波信號(hào)為式中：Am、am分別為m次諧波的幅值與相位；f0為基頻；t為時(shí)間；Ai、ai為頻率諧波fi的幅值與相位。

（1）首先采用鎖定相位環(huán)路技術(shù)進(jìn)行頻率跟蹤，以f0為基頻，各個(gè)周波均采樣128點(diǎn)，頻率廠=128f0，一般波動(dòng)幅度為（50+0.2）Hz?！峨娔苜|(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備基本要求》中指出分?jǐn)?shù)次諧波即諧波的分辨率需要達(dá)到1/8工頻，所以在共計(jì)1024個(gè)點(diǎn)的周波中采樣8個(gè)進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取1024個(gè)點(diǎn)的復(fù)數(shù)序列Xi（N）（i=1，2，…，1024）?；谶@樣的假設(shè)，鎖定相位環(huán)路技術(shù)能減輕由非同步造成的諧波監(jiān)測(cè)誤差，而且因諧波幅值較小，頻譜泄漏對(duì)諧波測(cè)量帶來(lái)的誤差可以忽略，因此使用快速傅里葉變換的復(fù)數(shù)分析結(jié)果不僅能夠減少計(jì)算量，還能準(zhǔn)確得到諧波分量的幅值與相角。

快速傅里葉變換的頻譜分辨率f1=f0/8，因此基波分別是頻譜的第8、16、…、8k（k=1，2，3，…）個(gè)分量，2次到k次諧波幅值A(chǔ)m=|Xm，相角為am=arctanXm（m=8，16，…，8k）。

在時(shí)域中減去諧波分量得到諧波分量的和：其采樣序列記為x（n）（n=1，2，…，1024）。

（2）用加Hanning窗插值的諧波分析方法監(jiān)測(cè)余下的諧波分量。Hanning窗適用于非周期性的連續(xù)信號(hào)，使用Hanning窗對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行截?cái)?，窗函?shù)表達(dá)式為

這里N=1024。加Hanning窗后進(jìn)行快速傅里葉變換分析：

頻譜分辨率f1仍為f0/8。諧波分量的頻率為f，若其并非頻譜分辨率f1的整數(shù)倍，則有i2.4 可視化系統(tǒng)開發(fā)

（1）建立虛擬場(chǎng)景的水電站運(yùn)行信息可視化系統(tǒng)。第一步，結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備零部件特點(diǎn)與三維建模軟件特性，選取Pro/E、3dsMax軟件建立三維模型：第二步，將三維模型轉(zhuǎn)化為X3D虛擬場(chǎng)景，并利用LOD技術(shù)、代碼重用技術(shù)優(yōu)化。

（2）實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行信息可視化系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景交互。應(yīng)用程序通過SAI（Scene Authoring In-terface）訪問和控制X3D對(duì)象，分別實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的內(nèi)部交互和外部交互。在專門用于和腳本交互的Script節(jié)點(diǎn)中利用Java或JavaScript語(yǔ)言編寫腳本來(lái)擴(kuò)展X3D功能，在Script節(jié)點(diǎn)中設(shè)置輸入域及輸出域，通過路由鏈接Script節(jié)點(diǎn)與另外節(jié)點(diǎn)并與腳本程序?qū)崿F(xiàn)虛擬場(chǎng)景交互。外部交互則是建立鏈接，通過獲取的瀏覽器對(duì)象訪問場(chǎng)景對(duì)象，然后依次由場(chǎng)景對(duì)象訪問節(jié)點(diǎn)對(duì)象，再訪問域?qū)ο髞?lái)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景交互。

可視化系統(tǒng)依托水輪發(fā)電機(jī)組的虛擬場(chǎng)景與運(yùn)行信息數(shù)據(jù)庫(kù)，通過靜動(dòng)態(tài)顯示機(jī)組運(yùn)行狀況，使監(jiān)測(cè)人員能夠及時(shí)獲取實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究的水輪發(fā)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)及優(yōu)化輔助系統(tǒng)，將水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集后統(tǒng)一存儲(chǔ)到狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過頻域分析和診斷，可自動(dòng)生成運(yùn)行狀態(tài)報(bào)表，由主控界面顯示，可顯示機(jī)組振動(dòng)的頻點(diǎn)和幅值、各相關(guān)頻點(diǎn)幅值的變化曲線等信息。運(yùn)行人員可以根據(jù)上述信息調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行工況，對(duì)于軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組還可以微調(diào)協(xié)聯(lián)關(guān)系，以接近最優(yōu)工況運(yùn)行，從而提升機(jī)組運(yùn)行效率。同時(shí)，還可以根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)安排機(jī)組檢修，達(dá)到增加機(jī)組發(fā)電量及延長(zhǎng)機(jī)組運(yùn)行壽命的目標(biāo)，滿足機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)行原則，具有重要的技術(shù)示范和推廣價(jià)值。