史中興，梁兆健，王應(yīng)平

(1.甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400；2.甘肅隴原信息科技有限公司，甘肅 蘭州 730101；3.甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730101)

本篇論文選取的實(shí)踐目標(biāo)是多梯級(jí)提灌泵站計(jì)算機(jī)檢測(cè)控制系統(tǒng)的綜合調(diào)度和運(yùn)行情況的優(yōu)化，選擇大型雙吸式離心水泵機(jī)組的工作原理作為切入點(diǎn)，對(duì)各個(gè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下呈現(xiàn)的表象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)有效的信息進(jìn)行全面分析，進(jìn)行知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建，促進(jìn)機(jī)組故障的檢測(cè)應(yīng)對(duì)能力以及提前示警有效性的提升。

1 高壓電動(dòng)機(jī)的故障機(jī)理分析

在各類水利項(xiàng)目以及農(nóng)業(yè)灌溉排水當(dāng)中，大型雙吸式離心水泵機(jī)組獲得了大量的使用，是提灌泵組的重要設(shè)備，其運(yùn)行效率、安全性和穩(wěn)定性提升是泵站管理的重要內(nèi)容。但是，因?yàn)樗脵C(jī)組使用時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)行當(dāng)中面臨復(fù)雜的變化，容易發(fā)生各種風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。研究表明，風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的出現(xiàn)集中在對(duì)水泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的高壓電動(dòng)機(jī)上，比如絕緣失效、轉(zhuǎn)子斷裂、定子溫度反常、氣隙偏離中心等，這些風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題不僅影響了高壓電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，還對(duì)水泵機(jī)組的穩(wěn)定性存在影響?？梢钥闯?，針對(duì)大型雙吸式離心水泵機(jī)組中的壓力較大的電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的故障風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)展成因分析并提高示警的準(zhǔn)確性，對(duì)于故障風(fēng)險(xiǎn)的清除、突發(fā)事故的應(yīng)對(duì)、安全生產(chǎn)的保障存在積極的現(xiàn)實(shí)意義。

要想對(duì)電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)事故進(jìn)行預(yù)防，需要先對(duì)電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的故障情況進(jìn)行全面的分析。主要是對(duì)電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)、電動(dòng)機(jī)工作情況以及維修技術(shù)等信息以及經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展研究：

繞組匝間短路。該類型的故障產(chǎn)生的后果嚴(yán)重程度不同，較輕的會(huì)造成導(dǎo)線的斷開(kāi)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鐵心槽口位置發(fā)生融化，可能使得鐵芯無(wú)法再次使用，需要對(duì)其進(jìn)行更換，該類故障的成因較為復(fù)雜。

電動(dòng)機(jī)具有很高的溫度。作為將電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)變的設(shè)備，電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)能量的損耗，損耗包括機(jī)械損耗、銅損耗以及貼損耗等不同類型，損耗會(huì)轉(zhuǎn)變成熱量，造成電動(dòng)機(jī)溫度的提升，一般情況下，溫度低于一定的數(shù)值。引起電動(dòng)機(jī)具有過(guò)高溫度的成因較多，比如電動(dòng)機(jī)或者電源品質(zhì)、荷載等存在反常，都會(huì)造成電動(dòng)機(jī)具有很高的溫度，該情況長(zhǎng)時(shí)間存在會(huì)使得溫度高于絕緣材料的溫度臨界值，造成絕緣失效，影響電動(dòng)機(jī)的使用時(shí)間。

電機(jī)掃膛。電動(dòng)機(jī)掃膛指的是其在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子和定子鐵芯發(fā)生摩擦，主要包括虛掃和實(shí)掃兩種類型，掃膛會(huì)在轉(zhuǎn)子和定子表層產(chǎn)生痕跡。實(shí)掃指的是帖子和定子鐵芯發(fā)生摩擦，表明兩者之間的氣隙不夠統(tǒng)一，嚴(yán)重情況下會(huì)造成鐵芯溫度提升，造成絕緣失效，引起繞組匝間出現(xiàn)接地或者短路。虛掃指的是定子和轉(zhuǎn)子鐵芯未出現(xiàn)實(shí)際的摩擦，是兩者之間的浸瘤清理不干凈或者電動(dòng)機(jī)中存在雜物引起。。

軸承溫度過(guò)高。電動(dòng)機(jī)通常利用滾珠軸承作為傳送端，利用滾珠軸承作為非傳動(dòng)端，溫度過(guò)高是轉(zhuǎn)動(dòng)中較為多見(jiàn)的故障。軸承溫度過(guò)高會(huì)造成潤(rùn)滑脂濃度降低發(fā)生泄漏，嚴(yán)重的話會(huì)使軸承發(fā)生損壞。

電動(dòng)機(jī)空載電流過(guò)大?？蛰d電流通常含有兩個(gè)分量，也就是空載電流和空載激磁電流，電流的存在跟電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案、生產(chǎn)質(zhì)量和導(dǎo)磁物質(zhì)的使用存在關(guān)聯(lián)?？蛰d電流的大小通常是滿載電流的15%-20%。電動(dòng)機(jī)在出售以前要進(jìn)行空載電流的檢測(cè)，假如電流數(shù)值過(guò)大，需要對(duì)成因進(jìn)行檢查和處理。

三相電流不平衡。在三相電壓存在對(duì)稱關(guān)系的情況下，異步電動(dòng)機(jī)工作在特定電壓下，空載電流的每個(gè)相跟三項(xiàng)均值間的偏差均小于均值的5%。假如三相電壓平衡性較差，或者電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，會(huì)引起三相電流平衡性較差。不但會(huì)造成電動(dòng)機(jī)溫度提高，還會(huì)造成磁場(chǎng)平衡性失效，引起機(jī)身出現(xiàn)振動(dòng)。為了保證三相電流的平衡，需要保證三相電壓的平衡，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出三相電流最高和最低數(shù)值差跟均值的比值低于或者等于1%。

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子傳導(dǎo)鏈條出現(xiàn)斷裂。電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，假如矩形和梯形銅排導(dǎo)條發(fā)生斷裂，就會(huì)造成轉(zhuǎn)子溫度提升，使得電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。導(dǎo)條發(fā)生多處斷裂，會(huì)造成磁拉力平衡性降低造成電動(dòng)機(jī)大幅振動(dòng)，如果較為嚴(yán)重，導(dǎo)條會(huì)出現(xiàn)融化造成定子繞組端發(fā)生燃燒損毀，出現(xiàn)擊穿問(wèn)題。導(dǎo)條發(fā)生斷裂的成因通常是導(dǎo)條固定不緊，在電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，導(dǎo)條因?yàn)槭艿綗釕?yīng)力或者離心力的影響而出現(xiàn)疲勞，如果超過(guò)臨界值就會(huì)出現(xiàn)斷裂。

軸伸斷裂。軸伸斷裂的成因較多，包括材料質(zhì)量較差、軸伸受到均勻性較差的壓力或者存在尖角使得應(yīng)力過(guò)于集中等。例如電動(dòng)機(jī)因?yàn)樘盍隙嗌俨还潭ǎ斐奢S伸存在太大的扭矩引起疲老而出現(xiàn)斷裂。水泵電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)通常采用皮帶輪，因?yàn)檩S線存在較差或者帶輪存在太大的張力，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)造成疲勞引起斷裂。在進(jìn)行制造過(guò)程中，尖角的存在使得應(yīng)力過(guò)于集中也會(huì)造成軸伸的斷裂。

2 多梯級(jí)提灌泵站聯(lián)合調(diào)度存在的問(wèn)題及解決思路

因?yàn)樘菁?jí)泵站輸水工程具有很高的復(fù)雜度，在工作時(shí)需要應(yīng)對(duì)各種工藝難點(diǎn)，通常會(huì)因?yàn)椴缓侠淼臎Q策引起電力或者水量的損耗，影響了工作目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，我國(guó)梯級(jí)泵站系統(tǒng)在工作中面臨的主要問(wèn)題包括：(1)一些泵站工作中頻繁進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)。機(jī)組無(wú)法調(diào)節(jié)的泵站在工作時(shí)因?yàn)榱髁科ヅ洳缓侠砘蛘吖ぷ鳡顩r的變化，流量和水位也會(huì)出現(xiàn)改變，使得機(jī)組需要多次進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)以保證流量和水位符合有關(guān)需求。機(jī)組的頻繁關(guān)機(jī)和停機(jī)會(huì)造成設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重的損耗，使得工作成本提升。(2)一些泵站工作效率不高。因?yàn)檩斔畷r(shí)工作狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，泵站進(jìn)行調(diào)度時(shí)無(wú)法依據(jù)揚(yáng)程和流量的變化對(duì)機(jī)組工作計(jì)劃開(kāi)展調(diào)整，造成其無(wú)法達(dá)到最高的運(yùn)行效率，引起泵站工作效率不高，提高了輸水成本。

而且，雙吸式離心水泵機(jī)組存在各種復(fù)雜的故障，故障的成因、內(nèi)容和原理的復(fù)雜度和模糊性無(wú)法找到有效的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行匹配，也無(wú)法通過(guò)對(duì)確定性的評(píng)估實(shí)現(xiàn)對(duì)故障性質(zhì)的分析。

本次項(xiàng)目基于故障診斷常規(guī)手段，提出利用模糊專家系統(tǒng)針對(duì)設(shè)備使用情況開(kāi)展分析，從而有效結(jié)合故障確定技術(shù)跟人工智能，推動(dòng)故障診斷精準(zhǔn)度的提升。

(1)依據(jù)雙吸式離心水泵機(jī)組發(fā)生振動(dòng)故障的特征，提出了一種以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯以及專家系統(tǒng)為基礎(chǔ)的混合故障診斷手段：對(duì)于故障提前預(yù)兆的模糊性問(wèn)題，利用模糊集有關(guān)理論對(duì)故障提前預(yù)兆開(kāi)展模糊處理；

(2)對(duì)于專家領(lǐng)域內(nèi)的有關(guān)知識(shí)存在不確定性的情況，以及以模糊形式規(guī)范為基礎(chǔ)的故障確認(rèn)專家系統(tǒng)具有規(guī)則推理不匹配和效率不高的情況，考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在很強(qiáng)的差錯(cuò)包容能力和并行應(yīng)對(duì)能力，將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引進(jìn)到專家系統(tǒng)當(dāng)中；

(3)考慮到雙吸式離心水泵機(jī)組存在故障預(yù)警多且成因復(fù)雜這一情況，依據(jù)造成機(jī)組振動(dòng)的三個(gè)不同種類的源頭，進(jìn)行了三個(gè)故障確認(rèn)子故障模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。利用仿真對(duì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)組振動(dòng)故障確認(rèn)專家系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用的可操作性進(jìn)行驗(yàn)證。

全面的對(duì)大型梯級(jí)泵站的情況進(jìn)行考量，對(duì)梯級(jí)泵站的流量變化時(shí)水力瞬間的改變進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度調(diào)整模型的構(gòu)建，主要的控制對(duì)象是系統(tǒng)抽水成本的降低，決策目標(biāo)的選擇時(shí)流量的配給，結(jié)合順便流和優(yōu)化調(diào)整等有關(guān)理論，構(gòu)建了以機(jī)組故障處理和抽水成本降低為主要目標(biāo)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整模型，并通過(guò)粒子群算法的分析，全面的針對(duì)抽水成本跟機(jī)組故障處理成本和開(kāi)關(guān)頻率之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，為大型梯級(jí)泵站工作狀況的管理奠定了基礎(chǔ)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和故障預(yù)警軟件的研發(fā)，其功能主要有資料收集、數(shù)據(jù)分析、工作狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)警、振動(dòng)研究、故障處理等。保證了設(shè)備能夠發(fā)揮出預(yù)設(shè)的最優(yōu)功能，進(jìn)行了設(shè)備維護(hù)制度的編制，在特定環(huán)境中不斷的對(duì)設(shè)備使用潛力進(jìn)行發(fā)掘，提高其使用年限，促進(jìn)設(shè)備使用成本的下降。通過(guò)故障成因研究、性能檢測(cè)等，為機(jī)組設(shè)計(jì)的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)的調(diào)整和工作狀況提供有效的資料和數(shù)據(jù)。

圖1 智能泵站聯(lián)合調(diào)度決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 在線監(jiān)測(cè)預(yù)警與聯(lián)合調(diào)度的應(yīng)用與實(shí)踐

作為我們國(guó)家重要的糧食生產(chǎn)基地，景電灌區(qū)內(nèi)的電力提水灌溉工程具有流量大、揚(yáng)程高等特點(diǎn)，43座泵站的裝機(jī)總量達(dá)到了270 MW，是保證提輸水任務(wù)有效落實(shí)的基礎(chǔ)，所以保證水泵機(jī)組高效穩(wěn)定安全的使用具有非常重要的意義。

本次項(xiàng)目研究的高壓電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要的方向是故障的示警，利用非侵入式在線監(jiān)控和檢測(cè)方法，設(shè)定的檢測(cè)指標(biāo)包括電動(dòng)機(jī)絕緣部件的電阻和溫度、區(qū)域性放電、電動(dòng)機(jī)的電流、電壓以及振動(dòng)情況等，通過(guò)對(duì)有關(guān)的特征參數(shù)進(jìn)行整理，對(duì)其特有的屬性進(jìn)行分析，從而明確示警指標(biāo)；利用本文所述的故障示警手段，完成了工作狀態(tài)評(píng)價(jià)和故障示警功能；通過(guò)故障示警軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，保證其能夠完成電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、故障的示警和明確，實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障出現(xiàn)有效管理的目標(biāo)。

4 應(yīng)用效果

本次研究取得的結(jié)論和完成的目標(biāo)主要包括:

(1)利用遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，使調(diào)度人員可以掌握有效的資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組調(diào)度的優(yōu)化，避免了泵站頻繁的開(kāi)關(guān)機(jī)，減少了水和能量的損耗。

(2)實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵站機(jī)組溫度變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)視，使得調(diào)度人員能夠更好的掌握機(jī)組工作狀態(tài)，便于快速進(jìn)行檢修，以免機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)受到影響。

(3)完成了調(diào)度的遠(yuǎn)程管理。使得機(jī)組開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)操作能夠快速得到相應(yīng)，保證了高遠(yuǎn)程提灌工程工作的穩(wěn)定性和安全性。

(4)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電量信號(hào)的遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控和測(cè)量，對(duì)自動(dòng)化保護(hù)功能進(jìn)行了完善，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性。

(5)完成了調(diào)度決策相匹配的軟件設(shè)計(jì)，促進(jìn)了供水系統(tǒng)工作效率和安全性的提升。

5 結(jié)語(yǔ)

梯級(jí)泵站工程運(yùn)行和管理優(yōu)化相關(guān)研究較為復(fù)雜，其涉及的學(xué)科較多，包括電機(jī)學(xué)、控制學(xué)、統(tǒng)籌學(xué)、水力學(xué)、工程學(xué)等。而且，梯級(jí)泵站工程在運(yùn)行時(shí)會(huì)聯(lián)合倒虹吸、明渠、管路通道、漸變段等建筑物共同利用，距離較遠(yuǎn)的調(diào)水工程需要跨度較大的輸水管和線路，工作狀況較為復(fù)雜，并且受到環(huán)境、地質(zhì)和調(diào)度人員主觀因素的影響，在調(diào)水時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種不同的以外狀況，本文結(jié)合有關(guān)的研究資料，對(duì)梯級(jí)泵站工程的工作狀態(tài)進(jìn)行了分析，得出了許多的參考意見(jiàn)和成果，然而還有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步開(kāi)展研究和探索。