趙 陽(yáng)，毛 琦，王 放，王嘉敏

（1.浙江浙能華光潭水力發(fā)電有限公司，浙江 臨安311322；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

1 引言

華光潭梯級(jí)水電站位于浙江省臨安市分水江干流昌化江上游的巨溪，由兩個(gè)電站組成。一級(jí)電站壩址在昌北區(qū)魚跳鄉(xiāng)華光潭村下游2 km，廠址距壩址11 km，電站裝機(jī)2×30 MW。二級(jí)電站壩址在一級(jí)電站廠房下游1.5 km左右，電站裝機(jī)2×12.5 MW，梯級(jí)電站于2005年投產(chǎn)運(yùn)行。因一級(jí)電站廠房選址的特殊性，有泥石流的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合整個(gè)電廠綠色經(jīng)營(yíng)理念以及科技興業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，基于電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)化元器件等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施改造正有序?qū)嵤┑挠欣麠l件，決定將一級(jí)電站建成真正“無人值守、關(guān)門運(yùn)行”的電站。

2 感知系統(tǒng)

目前我國(guó)水電站“無人值班，少人值守”的實(shí)現(xiàn)，都是基于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間通信控制技術(shù)。電站的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用冗余配置，保證了遠(yuǎn)程控制的可靠性，同時(shí)還傳輸各水電站的視頻圖像。但對(duì)于遠(yuǎn)方監(jiān)控人員而言，除了這些計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所采集信息之外，還迫切需要感知電廠運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的各種變化，使之如身臨其境，置身于電廠真實(shí)的環(huán)境中，如發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)及其輔助設(shè)備各種工況運(yùn)行的聲音大小、強(qiáng)度、頻率的變化；重點(diǎn)部位的油霧濃度的變化以及廠房溫度、濕度與外界的差異等。對(duì)于正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的隱患，漏油、漏水也需要及時(shí)掌握以免擴(kuò)大事故，造成無法挽回的損失。

為了使華光潭一級(jí)站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集更多的現(xiàn)場(chǎng)信息，在重點(diǎn)場(chǎng)所設(shè)計(jì)增加相應(yīng)的傳感器，采集現(xiàn)場(chǎng)噪聲、溫度、濕度、氣體濃度、漏水、漏油、位移（進(jìn)入）等的變化，全面“感知”電廠運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的變化，并進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

（1）噪聲檢測(cè)

對(duì)于水電廠來說，噪音產(chǎn)生地方很多，根據(jù)聲源不同，一般可以分為4種：機(jī)械噪音、空氣動(dòng)力性噪音、水力噪音以及電磁噪音。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，噪音的等級(jí)大部分在55～110 dB。

水輪發(fā)電機(jī)組是水電廠的核心部分，在生產(chǎn)運(yùn)行中如果出現(xiàn)異常的振動(dòng)，輕則干擾正常巡檢，重則使機(jī)組運(yùn)行效率降低和影響機(jī)組出力，甚至是導(dǎo)致機(jī)組結(jié)構(gòu)受到破壞，危及機(jī)組安全運(yùn)行。水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)異常振動(dòng)和噪聲，多是由機(jī)械、電磁和水力3個(gè)方面的因素引起的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際勘查以及多方面的比較，為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，選擇了相對(duì)封閉空間的水車室作為噪音的采集點(diǎn)。

作為水輪發(fā)電機(jī)組的輔助系統(tǒng)，油、氣、水各系統(tǒng)在機(jī)組運(yùn)行中起著極其重要的作用，為機(jī)組的潤(rùn)滑、密封、冷卻做出了極大的貢獻(xiàn)。各種類型的泵是輔助系統(tǒng)的核心關(guān)鍵，因此在水電站的噪音采集點(diǎn)如全廠集中的水泵房室、氣機(jī)室以及油泵控制柜內(nèi)，又增加了相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)。

傳統(tǒng)聲級(jí)計(jì)對(duì)滿足噪聲的監(jiān)測(cè)沒有問題，若要將其當(dāng)做一個(gè)噪聲監(jiān)控的前端卻很不方便，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的噪聲計(jì)都是DC輸出，使用壓縮AC信號(hào)的方法得到噪聲信號(hào)的分貝大小，線形度較差，而且壓縮信號(hào)的靈敏度系數(shù)不固定。其一般只能提供AC/DC輸出，如：最通用的從交流輸出插座可輸出交流（AC）信號(hào)，供觀察信號(hào)波形或信號(hào)處理使用，交流輸出的最大幅度約為+1.2 V，交流信號(hào)輸出：最大有效值約為2 V，輸出阻抗600 Ω。直流信號(hào)輸出：0.35～1.3 V，按0.1 V/10 dB變化，即使還有帶R232串口輸出的如：等聲級(jí)計(jì)，波特率為9 600，8位數(shù)據(jù)，1位停止位。每秒輸出5次測(cè)量數(shù)據(jù)，但它不具備或不容易與其他工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控軟件兼容。本系統(tǒng)內(nèi)使用的噪聲傳感器產(chǎn)品是針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或噪聲源噪音監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的，傳感器能獨(dú)立封裝，獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，外形美觀，體積小，重量輕，安裝靈活。其聲頻測(cè)量范圍覆蓋了人耳所能聽到的全部頻率，監(jiān)測(cè)的聲壓范圍滿足國(guó)家噪聲管理標(biāo)準(zhǔn)中的全部要求。設(shè)備內(nèi)置高靈敏度傳感器、前置放大器及數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)理進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聲信號(hào)采集，采集信號(hào)以4～20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輸出，方便計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（2）漏液檢測(cè)

對(duì)于水電廠而言，根據(jù)“無人值班”設(shè)計(jì)規(guī)范要求，除正常各系統(tǒng)水位測(cè)量報(bào)警外，還需具備水位信號(hào)器冗余配置、防尾水過高倒灌措施、防局部暴雨水淹廠房措施及增設(shè)第三水位計(jì)等要求。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，我們將正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，人員巡檢的過程也增設(shè)進(jìn)來，作為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)的補(bǔ)充采集，將信號(hào)反饋給遠(yuǎn)程值守人員。由于人員到場(chǎng)處理需要一定的時(shí)間，所以報(bào)警點(diǎn)設(shè)計(jì)及報(bào)警源選取，必須經(jīng)過反復(fù)的商定。除運(yùn)行設(shè)備之外，房屋的滲漏檢測(cè)也包含在采集范圍內(nèi)。本采集設(shè)備采用點(diǎn)式漏液傳感器。傳感器整體采用全密封設(shè)計(jì)，保證了產(chǎn)品的高精度及可靠性。具有靈敏度高，響應(yīng)快，使用方便，便于安裝等特點(diǎn)，該傳感器針對(duì)水、＜30%的弱酸弱堿、汽油、柴油等都有優(yōu)良的檢測(cè)效果，可廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。該產(chǎn)品供電電壓：DC 12 V，工作溫度：0～50℃，工作濕度：20%～100%RH。采用繼電器接點(diǎn)形式接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，動(dòng)作可靠。

（3）溫濕度測(cè)量及PM10/2.5采集

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“無人值守”的目標(biāo)，豐富監(jiān)控系統(tǒng)的采集類型，增加運(yùn)行值班人員的現(xiàn)場(chǎng)感受，本系統(tǒng)實(shí)施過程中，增加了現(xiàn)場(chǎng)溫濕度的采集以及空氣環(huán)境中PM10/2.5采集。

水力發(fā)電廠中，由于主體廠房的結(jié)構(gòu)和各系統(tǒng)設(shè)備安裝位置的限制，對(duì)于溫度濕度的采集很容易受到整體環(huán)境的影響。作為機(jī)組測(cè)溫環(huán)節(jié)的輔助，溫濕度采集裝置位置現(xiàn)階段選擇在機(jī)組上風(fēng)洞位置。同時(shí)，在環(huán)境相對(duì)封閉的機(jī)房?jī)?nèi)，也設(shè)置了采集點(diǎn)。

空氣質(zhì)量采集裝置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)正常生產(chǎn)運(yùn)行巡檢路線，設(shè)置在發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層。

3 信息采集的智能分析及系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)互動(dòng)

隨著各個(gè)感知設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集成功，數(shù)據(jù)采集的范圍、數(shù)量及類型極大的豐富了運(yùn)行值班人員對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)情況的了解。對(duì)于已有的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供了更多的數(shù)據(jù)支撐。如何用好這些數(shù)據(jù)是感知系統(tǒng)推向?qū)嶋H應(yīng)用的又一個(gè)課題。

（1）噪聲檢測(cè)應(yīng)用

通過機(jī)組振動(dòng)時(shí)發(fā)出的噪音具體數(shù)值，協(xié)同電廠振擺系統(tǒng)的變化數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)擺度故障的機(jī)理及原因，提出水輪發(fā)電機(jī)組振擺信號(hào)關(guān)聯(lián)分析策略。

建立發(fā)電機(jī)組噪音、振擺信號(hào)等的關(guān)聯(lián)分析模型：進(jìn)行一定條件下機(jī)組有功出力、水頭的網(wǎng)格式切分，并結(jié)合水電廠機(jī)組振動(dòng)擺度測(cè)量裝置，關(guān)聯(lián)機(jī)組振擺信號(hào)在不同機(jī)組有功出力、水頭下的表現(xiàn)形式。從而進(jìn)一步分析在各種水頭、有功出力下，水輪發(fā)電機(jī)各部軸承擺度、上下機(jī)架和定子、頂蓋振動(dòng)等信息特性，例如：

1）在水頭H一定時(shí)，機(jī)組噪音、振擺隨有功P的關(guān)聯(lián)特征曲線；

2）在機(jī)組有功P一定時(shí)，機(jī)組噪音、振擺隨水頭H的關(guān)聯(lián)特征曲線；

3）在任意給定的有功P與水頭H區(qū)間內(nèi)（即機(jī)組處于某特定運(yùn)行條件下），配合噪音分析機(jī)組振擺的變化趨勢(shì)。

結(jié)合泵體實(shí)際運(yùn)行的聲音參數(shù)以及其他相關(guān)信息，總結(jié)水電廠泵設(shè)備的基本工作原理，建立泵設(shè)備啟/停異常與相應(yīng)故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并形成專家知識(shí)庫(kù)。進(jìn)一步整理，建立水電廠輔助泵設(shè)備遠(yuǎn)程分析與故障診斷模型，探討模型中調(diào)速器系統(tǒng)存在的漏油、漏氣、油泵效率低的檢測(cè)方法等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，提出并研究水電廠輔助泵設(shè)備的分析策略與故障診斷方法。

加強(qiáng)對(duì)壓油泵、備用油泵、漏油泵、技術(shù)供水泵、取水泵、各種氣泵、各種排水泵等的實(shí)時(shí)診斷，確保運(yùn)行人員能在集控中心根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，對(duì)泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，提出設(shè)備狀態(tài)檢修的建議，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓油泵的遠(yuǎn)程分析與診斷。

（2）溫濕度測(cè)量應(yīng)用

通過對(duì)于機(jī)組相關(guān)位置環(huán)境溫度的采集，結(jié)合原有設(shè)備測(cè)點(diǎn)的溫度值變化，實(shí)時(shí)分析不同測(cè)點(diǎn)的溫度值特征，根據(jù)各溫度測(cè)點(diǎn)信號(hào)偏移，平均值的大小，自動(dòng)分析某些測(cè)溫回路是否存在故障，并實(shí)時(shí)判斷發(fā)變組溫度是否合理。

采用關(guān)聯(lián)集成分析策略，首先統(tǒng)計(jì)發(fā)變組的熱穩(wěn)態(tài)過程，在此基礎(chǔ)上，配合環(huán)境溫度計(jì)算發(fā)變組在熱穩(wěn)態(tài)過程下各溫度的特征值，能反映機(jī)組溫度隨水頭、有功變化情況，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組性能的分析與預(yù)測(cè)，并有利于機(jī)組溫度特性、規(guī)律的總結(jié)。獲得水電廠發(fā)變組溫度信號(hào)在相應(yīng)設(shè)備的熱穩(wěn)態(tài)過程下的變化過程，用以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)機(jī)組溫度是否具有日趨“劣化”的趨勢(shì)，例如：

1）在任意的機(jī)組視在功率，各部位溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)曲線；

2）在一定的機(jī)組功率下，上導(dǎo)瓦溫、下導(dǎo)瓦溫、水導(dǎo)瓦溫、推力瓦溫等隨時(shí)間的變化趨勢(shì)曲線；

3）提供在任意的變壓器視在功率、環(huán)境溫度下，變壓器油溫與變壓器線圈溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

（3）漏液檢測(cè)及PM10/2.5檢測(cè)應(yīng)用

通過對(duì)漏液點(diǎn)的報(bào)警以及環(huán)境溫濕度、粉塵顆粒物的報(bào)警，使遠(yuǎn)程運(yùn)行人員“身臨其境”，感知現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的工況環(huán)境，使現(xiàn)場(chǎng)早期的事故隱患得到排查并處理，結(jié)合實(shí)際運(yùn)用，通過以下措施來優(yōu)化改善：

1）將多種信號(hào)采集后，先送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，提供初步的越限報(bào)警，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音提示，并彈出光字牌告警。

2）由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將以上信號(hào)再送至電站內(nèi)的趨勢(shì)分析系統(tǒng)，由趨勢(shì)分析系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析、關(guān)聯(lián)處理，除滿足越限預(yù)警以外，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)變化情況，提供關(guān)聯(lián)報(bào)警、梯度報(bào)警、波動(dòng)幅值報(bào)警，并進(jìn)行變化速率分析，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況。

3）將信號(hào)通過IEC60870-5-104規(guī)約通信至工業(yè)電視系統(tǒng)，由工業(yè)電視系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)信號(hào)動(dòng)作條件串聯(lián)攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)畫面預(yù)警，同時(shí)工業(yè)電視系統(tǒng)還會(huì)以聲音、彈窗的多種方式提醒人員提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。實(shí)現(xiàn)智慧視頻監(jiān)視，為遠(yuǎn)程值班人員提供設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的圖像畫面，便于遠(yuǎn)方及時(shí)處理及決策。

圖1 感知系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4 小結(jié)

智能化感知系統(tǒng)在華光潭電廠的投運(yùn)，消除了過去電站過于注重設(shè)備內(nèi)部的感知，欠缺與設(shè)備外部環(huán)境結(jié)合監(jiān)測(cè)的手段；感知種類少，設(shè)備監(jiān)視依賴于傳統(tǒng)常用的傳感器，缺少比較全面的信號(hào)監(jiān)測(cè)類別；數(shù)據(jù)利用率不高，關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，過于依賴人員對(duì)數(shù)據(jù)的判斷分析，工作量大且容易出現(xiàn)失誤等多個(gè)弊端。

智能化感知系統(tǒng)為華光潭一級(jí)站實(shí)現(xiàn)“無人值守”提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，但是感知系統(tǒng)的搭建，還存在著進(jìn)一步的擴(kuò)充需求。更多采集的數(shù)據(jù)類型、更多采集數(shù)據(jù)的方式以及更多智能設(shè)備的投入，將是后續(xù)研究的方向。此次系統(tǒng)的實(shí)施也是我國(guó)中小型水電站“無人值守”課題研究的一個(gè)嘗試，通過具體的實(shí)現(xiàn)方案、現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，并配合現(xiàn)階段水電廠大數(shù)據(jù)智能化分析，使“少人值守”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁o人值守”變成可能，同時(shí)將“智慧水電”引入更高的平臺(tái)。