孟繁欣 ，王振羽 ，張 蕾 ，左 建 ，寇鳴禮

（豐滿大壩重建工程建設(shè)局，吉林省吉林市 132108）

0 引言

“中國制造2025”戰(zhàn)略明確了“智能裝備”“智能服務(wù)”“工業(yè)軟件和大數(shù)據(jù)”“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向，發(fā)電公司對“無人值班”（少人值守）有迫切的需求，因此開發(fā)基于大數(shù)據(jù)的機組遠程運維智能服務(wù)支持系統(tǒng)，打造智能電站，建立快速反映運維系統(tǒng)，開創(chuàng)以信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策為特征的電站運維管理新模式是新時代電站的重要任務(wù)之一。

目前國內(nèi)發(fā)電廠大都在使用基于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的智能診斷平臺進行故障診斷與運維管理。在實際運用中，發(fā)現(xiàn)這類系統(tǒng)多是停留在“狀態(tài)監(jiān)測[1]”水平，僅能在機組發(fā)生故障的時候發(fā)出警報，提示故障位置。對潛在故障源的預(yù)測、故障原因的分析等能力較弱，也不能提出檢修維護策略。隨著電網(wǎng)和發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運行、規(guī)范化、標準化和精細化管理水平的不斷提高，發(fā)電廠對如何在原有的智能診斷平臺基礎(chǔ)上提高遠程運維智能服務(wù)能力的需求越發(fā)迫切。

本項研究基于豐滿水電站已建成的智能診斷平臺，研發(fā)與該智能診斷平臺完全匹配的故障診斷模塊，將這些模塊嵌入智能診斷平臺，利用智能診斷平臺已有的機組數(shù)據(jù)進行發(fā)電機組關(guān)鍵部件的故障診斷[2]和檢修決策支持[3]，發(fā)電廠通過智能診斷平臺對故障診斷模塊進行管理并得到相應(yīng)的服務(wù)，以此提升智能診斷平臺的故障診斷能力。提高機組的運行質(zhì)量，保障機組安全可靠運行，提高發(fā)電廠運維管理能力，滿足電網(wǎng)和發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運行、規(guī)范化、標準化和精細化管理水平的不斷提高的需求。

1 豐滿水電站智能診斷平臺現(xiàn)狀及需求

豐滿水電站智能診斷平臺于2015年開始開發(fā)，2019年開始投運，建成狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等系統(tǒng)。包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)格式化及存儲、故障診斷、狀態(tài)評估、檢修決策和各種數(shù)據(jù)結(jié)果展示。

平臺設(shè)計為開放式平臺，其主系統(tǒng)基于 B/S 架構(gòu)進行開發(fā)，平臺以指標、診斷、維修三大應(yīng)用主題進行整體規(guī)劃。智能診斷平臺界面首頁見圖1。

該發(fā)電廠希望在其智能診斷平臺已實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，不斷升級、提高其故障診斷、狀態(tài)評估功能的深度、廣度，提高檢修決策水平。隨著整個平臺技術(shù)水平的不斷提高，幫助發(fā)電廠早日實現(xiàn)發(fā)電機組狀態(tài)檢修的追求。

2 研究內(nèi)容

本項研究的故障診斷模塊必須基于豐滿水電站智能診斷平臺進行開發(fā)，提供與豐滿水電站智能診斷平臺完全匹配的故障診斷模塊；開發(fā)數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸、準確讀取，保證安全性；融合各類專家知識建立專家知識庫[4]，為機組提供科學(xué)的診斷依據(jù)；運用統(tǒng)計分析[5]、關(guān)聯(lián)分析[6]、決策樹[7]分析等技術(shù)開發(fā)故障診斷模塊；模塊自動生成故障報告，為現(xiàn)場運維人員提供決策建議，故障報告包括：故障、征兆、維修建議等重要信息，并在智能診斷平臺上發(fā)布。

充分利用豐滿水電站智能診斷平臺采集的該發(fā)電廠水電機組現(xiàn)有的測點信息，針對發(fā)電機組的關(guān)鍵部件，設(shè)定完善的診斷模塊。根據(jù)豐滿水電站的需求，有針對性的研發(fā)故障診斷模塊包括：發(fā)電機通風(fēng)、冷卻故障診斷模塊,發(fā)電機局部放電故障診斷模塊,發(fā)電機軸電流故障診斷模塊,發(fā)電機氣隙故障診斷模塊,機組軸承故障診斷模塊,機組振動故障診斷模塊,發(fā)電機短路故障診斷模塊,機組潤滑系統(tǒng)故障診斷模塊,機組軸系穩(wěn)定性診斷模塊,發(fā)電機零序電流保護故障診斷模塊,發(fā)電機定子鐵心故障診斷模塊,發(fā)電機定子線棒故障診斷模塊,機組密封故障診斷模塊,導(dǎo)水機構(gòu)故障診斷模塊,水力系統(tǒng)故障診斷模塊,機組油、氣、水系統(tǒng)故障診斷模塊。

圖1 豐滿智能診斷平臺界面首頁Figure 1 The homepage of intelligent diagnosis platform interface

3 技術(shù)方案

3.1 核心診斷模塊功能說明

通過發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)廠家與相關(guān)專業(yè)技術(shù)專家的多年以來的專家經(jīng)驗和診斷知識儲備，參照相關(guān)標準、技術(shù)規(guī)范，作為技術(shù)支撐，形成故障案例，并通過統(tǒng)計分析、關(guān)聯(lián)分析、決策樹分析等具體的診斷技術(shù)進行故障案例的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了通過這些故障案例、算法模型對發(fā)電機組關(guān)鍵部件進行計算機自動的故障診斷功能[9][10]，共開發(fā)9個故障診斷模塊，其設(shè)計應(yīng)用技術(shù)方案簡要說明如下：

（1）發(fā)電機通風(fēng)、冷卻故障診斷模塊。根據(jù)冷卻器冷風(fēng)溫度、進出口水溫差、流量、壓力等信號，診斷漏水、堵塞故障。

（2）發(fā)電機局部放電故障診斷模塊。根據(jù)中性點端安裝電容型局部放電耦合單元的輸出信號，診斷定子繞組絕緣故障。

（3）發(fā)電機軸電流故障診斷模塊。根據(jù)軸電流監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，診斷發(fā)電機軸承絕緣損壞或受污染、軸電流檢測系統(tǒng)受磁場干擾故障。

（4）發(fā)電機氣隙故障診斷模塊。根據(jù)氣隙監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)及氣隙分布情況，診斷轉(zhuǎn)子圓度及偏心（建議增加氣隙傳感器）。

（5）機組軸承故障診斷模塊。根據(jù)軸承瓦溫、瓦溫差、軸承冷卻器進出口水溫、流量等，診斷軸承瓦溫整體偏高、軸承瓦溫差大、管路阻塞或泄漏。

（6）機組振動故障診斷模塊。根據(jù)定子機座振動情況、噪聲變化等，診斷定子鐵心是否松動、基礎(chǔ)螺栓松動。

（7）發(fā)電機短路故障診斷模塊。根據(jù)轉(zhuǎn)子一點接地信號相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時變化情況，診斷轉(zhuǎn)子繞組及引線局部位置接地、勵磁系統(tǒng)元件接地等相關(guān)故障。

（8）機組潤滑系統(tǒng)故障診斷模塊。根據(jù)上導(dǎo)瓦溫、油溫等相關(guān)的監(jiān)測參數(shù)變化，診斷管道、管道過濾器堵塞、油箱油泄漏等相關(guān)故障。

（9）機組軸系穩(wěn)定性診斷模塊。根據(jù)導(dǎo)軸承擺度、機架振動、氣隙分布、導(dǎo)瓦溫度等，診斷導(dǎo)瓦間隙偏大、轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡。

（10）發(fā)電機零序電流保護故障診斷模塊。根據(jù)零序電流、零序電流保護開光等相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，診斷發(fā)電機三相負荷不平衡超標、發(fā)電機不對稱短路等相關(guān)故障。

（11）發(fā)電機定子鐵心故障診斷模塊。根據(jù)定子鐵心溫度、冷卻器冷風(fēng)及熱風(fēng)溫度等，診斷定子鐵心局部溫升高和整體溫升高故障。

（12）發(fā)電機定子線棒故障診斷模塊。根據(jù)定子線棒溫度、冷卻器冷風(fēng)及熱風(fēng)溫度等，診斷定子線棒局部和整體溫升高。

（13）機組密封故障診斷模塊。根據(jù)頂蓋排水泵啟停信號、頂蓋液位報警信號、潤滑水流量及壓力信號等，診斷潤滑水流量、壓力不符合要求、密封塊磨損嚴重、導(dǎo)葉軸徑密封失效。

（14）導(dǎo)水機構(gòu)故障診斷模塊。根據(jù)水導(dǎo)軸承瓦溫、油溫等信號，診斷水導(dǎo)軸承故障。

（15）水力系統(tǒng)故障診斷模塊。根據(jù)導(dǎo)軸承擺度、頂蓋及機架振動、機組停機時間、剪斷銷剪斷信號等，診斷剪斷銷故障。

（16）機組油、氣、水系統(tǒng)故障診斷模塊。中壓空壓機故障診斷模塊基于中壓空壓機運行信號測點，通過分析運行信號時間間隔和機組狀態(tài)參量，實現(xiàn)判斷空壓機異常和系統(tǒng)漏氣、壓力開關(guān)定值異常。

3.2 診斷模塊管理

診斷程序采用多線程模式，根據(jù)設(shè)定的診斷周期，運行診斷算法。系統(tǒng)管理員可以通過RESTfull接口，可以對診斷模塊參數(shù)進行管理和配置。這些參數(shù)包括：

（1）主程序管理參數(shù)，包括主數(shù)據(jù)庫的地址、用戶名、密碼等，報告數(shù)據(jù)庫地址，用戶名、密碼等，診斷數(shù)據(jù)來源設(shè)置，PDF生成的相關(guān)參數(shù)等。

（2）數(shù)據(jù)接口的參數(shù)，包括數(shù)據(jù)庫地址、取用時間間隔，從數(shù)據(jù)庫中取測點數(shù)據(jù)錯誤時的重試次數(shù)、等待時間、時間間隔等。

（3）故障診斷健康值參數(shù)[8]，例如在上機架連接松動故障診斷模塊中主要應(yīng)用了上導(dǎo)擺度峰峰值健康值，上機架峰峰值健康值，這兩個參數(shù)在數(shù)據(jù)庫健康值表中得以配置和更改，在程序運行時候直接初始化該參數(shù)，在診斷模塊中直接應(yīng)用健康值。

3.3 數(shù)據(jù)接入和診斷模塊運行

數(shù)據(jù)傳輸使用豐滿水電站發(fā)電廠智能診斷平臺提供的數(shù)據(jù)接口獲取振動和常規(guī)慢變量數(shù)據(jù)。將獲取到的數(shù)據(jù)存入診斷平臺數(shù)據(jù)庫中，故障診斷模塊通過診斷平臺提供的數(shù)據(jù)接口獲取數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)源可分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)源，診斷模塊依據(jù)內(nèi)部算法推理故障發(fā)生情況，將診斷結(jié)果存入診斷平臺中，以供其他應(yīng)用獲取故障診斷結(jié)果信息。智能診斷平臺結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

診斷結(jié)果存放在故障診斷數(shù)據(jù)庫中，包括相應(yīng)的故障名稱、故障發(fā)生時間、故障發(fā)生的原因及其概率、故障處理方法等故障報告所包含的信息，以及故障報告的相應(yīng)信息。

診斷結(jié)果的發(fā)布，將故障報告存放在豐滿水電站智能診斷平臺提供的數(shù)據(jù)庫表中，由平臺根據(jù)需求調(diào)用報告顯示。故障診斷報告樣式見圖3。

4 程序測試

4.1 測試環(huán)境

處理器：Pentium(R)Dual-Core E5800(3.2GHz)；

內(nèi)存：4GB;

磁盤空間：500GB;

帶寬：10Mbps。

圖2 智能診斷平臺結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Intelligent diagnosis platform structure

圖3 故障診斷報告Figure 3 Fault diagnosis report

4.2 測試方法綜述

本系統(tǒng)采用黑盒測試技術(shù)； 本系統(tǒng)測試過程中將不會采用測試工具。本系統(tǒng)測試包括：

（1）功能測試：測試各功能是否有缺陷；

（2）性能測試：測試系統(tǒng)在一定環(huán)境下的性能數(shù)據(jù)。

4.3 測試結(jié)論

（1）功能性。

本系統(tǒng)極大地滿足機組運行實際業(yè)務(wù)流程需求，正確地實現(xiàn)了發(fā)電機組關(guān)鍵部位的故障診斷功能，如：發(fā)電機軸電流、發(fā)電機局部放電、發(fā)電機氣隙、機組軸承、機組振動、發(fā)電機短路、機組潤滑系統(tǒng)、機組軸系穩(wěn)定性、發(fā)電機零序電流保護等。

（2）易用性。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了易用性：

（1）便捷的輸出方式，自動讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，減少了人工數(shù)據(jù)輸入的工作量及出錯率。

（2）實時的故障報告展示功能。

（3）系統(tǒng)資源占用較小。

在設(shè)計應(yīng)用方案中，分各個功能項評估了系統(tǒng)資源占用，實際運行得到資源占用情況：

（1）測試環(huán)境：i5-8400,8g內(nèi)存win10-64位jdk8.0。

（2）CPU資源占用，不超過30%；內(nèi)存占用，不超過768M。

5 結(jié)束語

本文簡述了基于豐滿水電站智能診斷平臺，研發(fā)與智能診斷平臺完全匹配的故障診斷模塊，通過這些模塊可實現(xiàn)對運行中的發(fā)電機組關(guān)鍵部件實時故障診斷，自動形成機組診斷報告、處理建議及機組運行建議，保證機組經(jīng)濟安全可靠運行。

通過針對豐滿水電站智能診斷平臺進行相應(yīng)故障診斷模塊的研發(fā)與應(yīng)用。故障診斷模塊針對不同故障獨立開發(fā)、修改、運行。通過數(shù)據(jù)接口快速將不同的故障診斷模塊部署到智能診斷平臺，通過新增的故障診斷模塊在智能診斷平臺已有的發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷功能的基礎(chǔ)上，不斷提高平臺的故障診斷水平，促進發(fā)電機組的運維服務(wù)技術(shù)由“狀態(tài)監(jiān)測”向“智能化故障診斷”提升，從而提升機組的運行質(zhì)量，保障機組安全可靠運行。

這些故障診斷模塊經(jīng)過有針對性的二次開發(fā)后，通過開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，可快速應(yīng)用到其他發(fā)電廠使用的發(fā)電機組智能診斷平臺。相比升級平臺的方式，在快速提高平臺技術(shù)水平的同時，還能節(jié)約大量的人力、物力。

故障診斷模塊的研發(fā)可以靈活、快速的提高智能診斷平臺技術(shù)水平，考慮到目前國內(nèi)的發(fā)電廠都普遍開始使用智能診斷平臺并對平臺的技術(shù)水平的不斷提高有確切的需求，具有很廣泛的市場應(yīng)用前景。