胡 飛，潘偉峰，劉鏢峰

[南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

隨著我國智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，水電廠作為系統(tǒng)主要發(fā)電環(huán)節(jié)之一，也在同步升級以滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟高效、環(huán)保節(jié)能的要求。特別是近十幾年建成和在建的大型水電站，其自動化和智能化水平有很大提高，且部分流域梯級電站或區(qū)域所屬電站實現(xiàn)了遠程集控運行。鑒于大型水電站（包括抽水蓄能電站）在電網(wǎng)中的占比提高和作用及影響日益凸顯，對水電機組的實時在線狀態(tài)監(jiān)測、故障（或缺陷）預(yù)警并實行遠程診斷及適時有序的安排機組檢修，避免發(fā)生重大事故和遭受大的經(jīng)濟損失，保證水電機組安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行十分重要。目前大型水電站和部分中小型水電站都不同程度地實行了機組的在線狀態(tài)監(jiān)測。國外設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)已發(fā)展近50年，我國于20世紀80年代實現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測裝置的國產(chǎn)化[1]。目前，針對于水電機組的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的公司主要有美國本特利、瑞士VIBROMETER、德國申克、加拿大VIBROSYSTM等，國內(nèi)主要有華科同安、奧技異電氣、南瑞水電和中元瑞訊等公司。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

水電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)是由現(xiàn)地傳感器（變送器或其他測量元件）、信號采集及處理裝置、服務(wù)器及用戶終端、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及連接線纜等硬件部分和信號采集與處理程序、數(shù)據(jù)庫、上位機平臺軟件等軟件部分組成。

按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為狀態(tài)監(jiān)測層和廠站層[2]及可擴展的遠程監(jiān)測分析中心。其中狀態(tài)監(jiān)測層包括機組現(xiàn)地監(jiān)測元件、組屏于發(fā)電機層的信號采集及處理裝置、現(xiàn)地顯示器或工控機（監(jiān)測服務(wù)器）；廠站層包括狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器、工程師工作站及其他用戶終端[3]；具備遠程監(jiān)測分析中心的還包括通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器和輔助決策（或故障診斷）系統(tǒng)服務(wù)器等。狀態(tài)監(jiān)測層主要完成原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、部分數(shù)據(jù)圖形展示及簡單的分析功能；廠站層主要進行數(shù)據(jù)存儲、與SCADA等其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)再處理、高級應(yīng)用和分析功能等；遠程監(jiān)測分析中心一般具有多廠站數(shù)據(jù)通信和存儲功能，實時監(jiān)視、查詢和分析功能，有的還具備一定的狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)或故障診斷系統(tǒng)功能。

根據(jù)電廠安全分區(qū)，機組在線監(jiān)測系統(tǒng)分布于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)以及Ⅳ區(qū)，各區(qū)之間的通信采取硬件防火墻、網(wǎng)絡(luò)隔離裝置等進行安全防護[4]。其典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

水電機組狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容主要包括機組穩(wěn)定性監(jiān)測、定轉(zhuǎn)子空氣間隙監(jiān)測、定轉(zhuǎn)子間磁場強度監(jiān)測、定子局部放電監(jiān)測，有條件的電站還進行了水輪機空化氣蝕監(jiān)測以及噪聲監(jiān)測等。其中機組穩(wěn)定性監(jiān)測屬于最基本的監(jiān)測內(nèi)容，也是早期振擺監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測內(nèi)容，包括對大軸擺度、機架及其他固定部位的振動、大軸軸向位移、導(dǎo)流部位壓力脈動的監(jiān)測。一般以上監(jiān)測量均從本系統(tǒng)獨立安裝的相應(yīng)傳感器或變送器來獲取原始信號。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical network structure diagram of online monitoring system

為了充分了解機組的運行狀況，除了以上監(jiān)測量外，一般還從監(jiān)控系統(tǒng)以RS485串口或TCP/IP以太網(wǎng)通信方式獲取軸承瓦溫及油溫油位、定子溫度等數(shù)據(jù)，有的還將主變壓器監(jiān)測子系統(tǒng)接入機組在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以便進行全廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和分析診斷。

目前應(yīng)用的機組在線監(jiān)測系統(tǒng)（區(qū)別于早期的振擺監(jiān)測儀）均具有一定的分析以及診斷功能。為了進行準確的機組狀態(tài)分析和故障診斷，必須掌握運行機組的背景量（或工況參數(shù)）。這些量包括機組有功、無功、勵磁電流、勵磁電壓、導(dǎo)葉開度、水頭、流量、發(fā)電機出口開關(guān)、勵磁開關(guān)等，轉(zhuǎn)槳式機組還包括槳葉開度。這些量必需同步引入機組在線監(jiān)測系統(tǒng)。

值得強調(diào)的是，系統(tǒng)必須配置一個鍵相信號，對于系統(tǒng)信號的周期性采樣、相位分析和轉(zhuǎn)速測量必不可少。鑒于實際工程中采用電渦流傳感器測鍵相時，在機組長時間運行中容易出現(xiàn)鍵相信號丟失或部分丟失的現(xiàn)象，建議采用接近開關(guān)式或霍爾效應(yīng)式傳感器進行鍵相信號測量。

針對不同類型的機組以及不同測量部位，需慎重選擇傳感器類型。在實際工程應(yīng)用中，偶爾出現(xiàn)部分測點（主要是振動測點）信號嚴重失真或畸變的現(xiàn)象。比如定子鐵芯處主要受100Hz的電磁力，且電磁干擾較強，一般選擇防磁性中頻振動加速度傳感器。而大型貫流式機組的燈泡體和轉(zhuǎn)輪室振動測點位置經(jīng)常受較大水力激振，采用量程為2mm的低頻振動速度傳感器往往出現(xiàn)信號超量程或畸變的現(xiàn)象，建議采用低頻加速度傳感器進行測量。大軸軸向位移（或軸向竄動）的測量有時在工程現(xiàn)場難以選取到合適的傳感器測量位置，特別是臥式機組，結(jié)構(gòu)緊湊且大軸凸出端面較小。而燈泡頭部位的集電環(huán)一般有足夠?qū)挾鹊沫h(huán)形面，但集電環(huán)帶有強電流，常用的電渦流傳感器因強電磁而無法測量到信號?；陔娙轀y距的電容式位移傳感器可以測量帶電端面，但這種傳感器價格昂貴且沒有國產(chǎn)產(chǎn)品。而非接觸式測量的激光位移傳感器可測量帶電集電環(huán)的軸向位移，且這種傳感器價格相對便宜。目前已有國產(chǎn)激光位移傳感器成功應(yīng)用于甘肅烏金峽水電站的臥式機組軸向位移測量中，信號穩(wěn)定可靠且滿足精度要求。

縱觀國內(nèi)幾家代表性公司研發(fā)的水電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要功能包括實時數(shù)據(jù)顯示、波形頻譜分析、軸心軌跡分析、軸心姿態(tài)分析、三維瀑布圖分析、定轉(zhuǎn)子不圓度分析、動平衡分析、相關(guān)性分析、歷史曲線及趨勢分析、告警輸出、歷史數(shù)據(jù)存儲和事故追憶、分工況自動錄波、離線分析、秒級數(shù)據(jù)列表查詢與下載、web發(fā)布功能等[5]，具備高級應(yīng)用功能的還帶有一定的狀態(tài)檢修輔助決策功能和故障診斷功能。而目前基于機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)檢修系統(tǒng)與故障診斷專家系統(tǒng)還需長足的發(fā)展與完善。

2 工程應(yīng)用實例分析

對于大型水電廠站，一般配置相對完整，配置有現(xiàn)地監(jiān)測層和廠站層的Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)設(shè)備，采集數(shù)據(jù)相對豐富。下面以某大型電站為例進行具體分析。該電站為瀾滄江上游流域的梯級電站中的第七級電站—MW電站。水庫正常蓄水位為1408.00m，電站總裝機容量為1400MW（4×350MW），在系統(tǒng)中主要承擔腰荷和部分基荷，并承擔部分事故備用任務(wù)，同時參與系統(tǒng)調(diào)峰、一次調(diào)頻運行。電站按“無人值班”要求設(shè)計，接受流域集控中心調(diào)度管理。

MW電站每臺機組分別部署了相互獨立的機組振擺保護系統(tǒng)和機組在線監(jiān)測系統(tǒng)。其中機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的測點配置見表1。

表1 MW電站單臺機組在線監(jiān)測測點配置Tab.1 Measuring point arrangement of Online monitoring system of the single unit in MW hydropower station

該電站部署了一套南瑞水電公司的SJ-9000機組在線監(jiān)測系統(tǒng)。每臺機現(xiàn)地柜安裝了一套SJ90B狀態(tài)監(jiān)測裝置，完成信號采集和處理；并配置了一臺現(xiàn)地一體化工控機，用于現(xiàn)地平臺軟件與通信程序的運行，當廠站層服務(wù)器故障或通信異常時，現(xiàn)地依然可以實現(xiàn)顯示與分析功能，提高了系統(tǒng)的可靠性；上位機服務(wù)器進行數(shù)據(jù)存儲和與其他系統(tǒng)的通信，并具有WEB發(fā)布功能，實現(xiàn)電廠MIS系統(tǒng)以及集控中心用戶的遠程訪問。其中上位機系統(tǒng)各功能與模塊對應(yīng)關(guān)系見圖2。

MW電站4臺機于2018年6月全部投產(chǎn)發(fā)電，在機組啟動試驗及試運行期間，利用錄波工具在不同工況下對監(jiān)測點信號作了錄波。下面以最后一臺投產(chǎn)的4號機的錄波數(shù)據(jù)進行離線分析。

通過錄波分析程序?qū)ι蠈?dǎo)X向擺度原始波形進行FFT變換，對通頻信號進行頻域分析，得到如圖3所示波形頻譜圖，波形圖橫坐標為采樣點數(shù)（采樣頻率為1024Hz），頻譜圖橫坐標為頻率，波形頻譜圖縱坐標均為幅值。根據(jù)圖中鍵相點和波形頻譜分布可知其最大幅值在機組轉(zhuǎn)頻1.8Hz處，第二大幅值在2倍轉(zhuǎn)頻處，即上導(dǎo)X向擺度信號以1倍頻為主，2倍頻次之。

圖4為該機組額定負荷下（轉(zhuǎn)速107.1r/min）的頂蓋X向水平和垂直振動頻譜圖，根據(jù)圖中頻率分布可看出，頂蓋X向處振動以50Hz左右的頻率成分為主，其次為42.8Hz左右頻率成分，還含有少部分1Hz以下的頻率成分。了解到該機組為混流式機組，導(dǎo)葉數(shù)為23，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為13。此處受水力激振影響較大，蝸殼進口水流對導(dǎo)葉的沖擊和轉(zhuǎn)輪葉道渦流脈動產(chǎn)生的水流激勵以及可能形成的次諧共振傳導(dǎo)至頂蓋部位，導(dǎo)致出現(xiàn)了以40～50Hz特征頻率為主的現(xiàn)象，同時因低頻渦帶產(chǎn)生了少量的1Hz以下的低頻振動。

圖2 系統(tǒng)功能與模塊對應(yīng)關(guān)系Fig.2 System function and module correspondence

圖3 上導(dǎo)X向擺度波形頻譜圖Fig.3 Wave&spectrum of swing in the X direction of upper guide bearing

圖4 頂蓋X向振動頻譜圖Fig.4 Frequency spectrum of vibration in the X direction of head cover

為了了解機組動態(tài)性能，判斷機組振動大小與所帶負荷的相關(guān)性，常采用變負荷（升負荷或降負荷）運行來記錄變負荷過程振動擺度變化曲線的方法來勾勒出機組振動負荷區(qū)。圖5為機組在120～350MW區(qū)間的升負荷振動擺度波形曲線，可大致判斷有如圖兩個振動區(qū)。由此可指導(dǎo)機組盡量避開這些振動工況區(qū)運行，合理分配機組負荷，保證機組安全運行和服役壽命。

圖5 升負荷振擺（峰峰值）波形長圖Fig.5 Long waveform diagram of swing-vibration（peak value） during Load - lifting

在機組甩負荷試驗中，截取了+X向、+Y向、-X向、-Y向4個方向的氣隙變化曲線，發(fā)現(xiàn)各通道測得的磁極與定子間的氣隙隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，且在負荷全部丟失后4s左右的時刻達到最?。▓D6中黑色線圈所示）。由于離心力達到一定大小后，轉(zhuǎn)子磁極迅速膨脹，致使氣隙傳感器測到的磁極與定子間的氣隙急劇減小。當此時轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大到最大值時，發(fā)現(xiàn)氣隙曲線又有一定的變化（圖6紅色線圈所示）。隨著導(dǎo)葉開度減小，轉(zhuǎn)速逐漸降低，轉(zhuǎn)子持續(xù)收縮而測得的氣隙值也逐漸增大直至穩(wěn)定。通過曲線放大操作，觀察到各方向測得的氣隙平均值最大變化量為4.0mm左右。

利用SJ-9000機組在線監(jiān)測系統(tǒng)以及該機組已有的測點數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)機組的軸心軌跡來判斷軸瓦間隙情況；根據(jù)上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)處的三個大軸軌跡平面形成的軸線姿態(tài)圖可分析機組大軸的彎曲度及軸系運轉(zhuǎn)受力情況；根據(jù)氣隙圓圖能反映出定轉(zhuǎn)子不圓度和磁極形貌；還可選取不同測點或其他相關(guān)量進行二維和多維相關(guān)性曲線分析、過程曲線分析等，從而獲得機組各種暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性及變化規(guī)律，來指導(dǎo)機組合理運行以及故障診斷和狀態(tài)預(yù)估。因篇幅有限，其他分析方法和功能應(yīng)用在此不再贅述。

圖6 甩100%負荷時氣隙原始波形變化圖Fig.6 The original waveform diagram of air gap variation during 100% load rejection

3 應(yīng)用現(xiàn)狀與問題

通過多年的工程實踐了解到，超大型和大型水電站基本都安裝了機組在線監(jiān)測系統(tǒng)，但有些電站部署的系統(tǒng)缺乏完善性且沒有得到充分的運用。有些電站往往是根據(jù)電力系統(tǒng)或上級要求配備了這套系統(tǒng)而形同虛設(shè)，尤其是部分老電站和中小型電站，對機組在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)缺乏認識以及重視程度不夠。因此，有必要加強該系統(tǒng)的培訓和應(yīng)用。水電站機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用實際上涉及機械、電氣自動化、計算機等多個專業(yè)，因此需要電站多個專業(yè)班組聯(lián)合運維和研究，讓這套系統(tǒng)真正發(fā)揮作用。

機組在線狀態(tài)監(jiān)測功能作為故障診斷和狀態(tài)檢修系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)并提供充足數(shù)據(jù)來源，而后者是前者的高級應(yīng)用和價值體現(xiàn)。為了實現(xiàn)對機組有效的診斷和狀態(tài)評估，要求系統(tǒng)監(jiān)測量全面和豐富。隨著時間的推移，系統(tǒng)將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。除了提高設(shè)備的存儲容量還必需

頂蓋X向水平振動

頂蓋X向垂直振動采用優(yōu)化存儲策略，保證有用數(shù)據(jù)不遺漏，無用數(shù)據(jù)不空占，提高系統(tǒng)容量利用率和數(shù)據(jù)存儲及調(diào)用的效率。

具備充分有效的數(shù)據(jù)是提前基礎(chǔ)，而數(shù)據(jù)的挖掘是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵之一。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的抽取挖掘、特征量的充分解析、合理算法的應(yīng)用和分析結(jié)果的展示手段都有助于提高系統(tǒng)的效能與價值。大數(shù)據(jù)和云計算等新技術(shù)的運用、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展以及新型智能算法的應(yīng)用也將助力于將“沉默”的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟效益。

4 結(jié)束語

本文對國內(nèi)水電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展背景作了簡要介紹。重點闡述了大型水電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和主要功能設(shè)計；并結(jié)合工程實際介紹測點配置和系統(tǒng)主要功能模塊，根據(jù)實測數(shù)據(jù)重點分析了幾種常見信號。最后根據(jù)目前水電站機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，提出當前亟待研究和解決的幾個主要問題。