呂愛軍，戴 祥，陳明艷

（華能瀾滄江水電股份有限公司檢修分公司，云南 昆明 650051）

0 引言

發(fā)電機運行過程中，其定子繞組絕緣系統(tǒng)會因各種原因導致其絕緣系統(tǒng)的熱裂化，例如設計階段繞組股線換位不當引起的循環(huán)電流、繞組匝數(shù)不平衡引起負序電流、發(fā)電機冷卻系統(tǒng)冷卻容量不足或運行不良、定子繞組股間短路、定子鐵心疊片間短路以及發(fā)電機實際運行負荷長時間超出設計限制等，空冷式發(fā)電機的絕緣系統(tǒng)主要采用熱固化材料，而熱劣化本質上是氧化反應[1]。即在一定溫度下，絕緣材料的有機組分分子化學鍵會因溫度造成裂解并形成新的氧化聚合物，絕緣材料的粘結性和機械強度會大大下降，嚴重時甚至影響絕緣材料的絕緣性能。線棒股線間絕緣粘結強度下降，各股線導體因電磁力的作用相對振動將導致絕緣磨損，進一步發(fā)展將造成匝間短路；線棒匝間或主絕緣間絕緣材料粘結強度下降，可能導致線棒各層絕緣分離并產(chǎn)生氣隙，運行過程中高場強下絕緣材料分層內(nèi)部將產(chǎn)生局部放電，嚴重時會導致主絕緣或匝間絕緣中腐蝕出貫穿性孔洞引發(fā)繞組匝間短路或接地故障[1]，嚴重影響設備安全穩(wěn)定運行。因此，當設備發(fā)生異常表象于定子溫度變化時，能快速的從眾多測溫數(shù)據(jù)中得到一個展示多維數(shù)據(jù)之間的關系和趨勢變化的直觀可視化呈現(xiàn)就顯得尤為重要，其有利于運行人員及時采取措施，有利于設備管理部門制定維護、臨檢計劃。因此，研究如何將上百塊或幾百塊定子測溫數(shù)據(jù)進行分析并可視化呈現(xiàn)，如何快速的從數(shù)據(jù)中得到一個概覽和展示數(shù)據(jù)之間的結構顯得極為重要對于智慧水電廠智慧運行監(jiān)測有重大意義。

1 定子繞溫數(shù)據(jù)分析現(xiàn)狀

大型水輪發(fā)電機繞組支路長、定子槽較多，定子繞組的最高運行溫度難以直接測量，目前行業(yè)內(nèi)標準的測量方法是以間接測量的方式，即在發(fā)電機安裝過程中通過預埋在定子槽上、中、下層繞組或繞組線棒間的電阻式溫度傳感器或熱電偶進行間接監(jiān)測上送監(jiān)控。監(jiān)測到的溫度需要有一個標準值來判定其溫度正常與否，因此建立準確計算發(fā)電機定子繞組溫度標準值的模型十分必要[2]。常規(guī)的分析，運行人員同時監(jiān)測上百個測點上送數(shù)據(jù)，難以直觀發(fā)現(xiàn)且科學評判定子溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)異常變化?，F(xiàn)有的機組在線監(jiān)測分析系統(tǒng)對定子溫度這一重要運行指標的分析較簡單，常見的主要為觀察機組運行負荷與定子各測溫數(shù)據(jù)總體溫度均值變化趨勢，觀察定子溫度極值、極差、緩變率等。發(fā)電機定子繞組有上百個溫度測點，其上百個變量的數(shù)據(jù)高度復雜性和數(shù)據(jù)質量不確定性，要直接對原始數(shù)據(jù)進行可視化難以實現(xiàn)，即便通過各測點數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量進行可視化亦難以展現(xiàn)數(shù)據(jù)全貌。

2 定子繞組溫度數(shù)據(jù)信息描述

2.1 基于發(fā)電機運行負荷描述定子繞組溫度信息

通常情況下，常規(guī)的均值、標準差這類數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計量容易理解且計算方便，適用于單一中心鋒的分布，如果分析數(shù)據(jù)形態(tài)不符合這個基于樣本對總體的假設，則很多數(shù)學模型是不成立的，牽強的使用可能會誤導；此外，如果樣本數(shù)據(jù)呈現(xiàn)扭曲等形態(tài)時，再以均值或標準差作為當出現(xiàn)異常值時，將標準差作為衡量分布的寬度的假設也是不成立的[3]。這種情況下，中位數(shù)（median）或眾數(shù)(mode)就可以很好的回避這一問題。中位數(shù)是指按順序排列的一組數(shù)據(jù)中居于中間位置的數(shù)，代表一個樣本、種群或概率分布中的一個數(shù)值，可以通過把所有觀察值排序后找出；眾數(shù)在統(tǒng)計分布上具有明顯集中趨勢點的數(shù)值，是一組數(shù)據(jù)中出現(xiàn)次數(shù)最多的數(shù)值。本文數(shù)據(jù)整體描述主要基于各測點溫度數(shù)據(jù)計算出相應負荷各測點對應的中位數(shù)構造單一測點統(tǒng)計量開展數(shù)據(jù)分析。即基于發(fā)電機一個或多個運行周期（停機態(tài)-穩(wěn)定運行-停機態(tài)）下的數(shù)據(jù)作為樣本，通過樣本數(shù)據(jù)估計總體相關統(tǒng)計量，構造基于數(shù)據(jù)樣本估計總體數(shù)據(jù)的的溫度特征量，構造基于分析數(shù)據(jù)的溫度特征量，可視化呈現(xiàn)發(fā)電機定子繞組測溫數(shù)據(jù)總體形貌。

2.2 整體趨勢檢測

為進一步判斷檢測某段時間內(nèi)的某個指標總體趨勢是上升了還是下降了，引入趨勢檢測，即將機組運行周期（停機態(tài)-穩(wěn)定運行-停機）的數(shù)據(jù)（一個時間段內(nèi)多個周期）作為訓練數(shù)據(jù)，按發(fā)電機定子各相各分支定子繞組支路溫度統(tǒng)計量構造周期內(nèi)隨負荷變化的時序趨勢。時序趨勢檢測主要有斜率法、Cox-Stuart趨勢檢測和Mann-kendall趨勢檢測等方法。斜率法主要是采用最小二乘等方法在一個時間段內(nèi)對時序數(shù)據(jù)進擬合出一元線性方程，根據(jù)擬合成的直線求斜率,該斜率即為其變化趨勢率k，斜率的正、負代表了趨勢變化方向，當K大于0時代表趨勢上升，當K小于0時則代表趨勢下降。該方法要求時間段內(nèi)時序數(shù)據(jù)趨勢存在且主要用于具有周期性狀態(tài)變化的整體趨勢，對反映時間段內(nèi)的時序數(shù)據(jù)變化趨勢、異常突變效果不好。Cox-Stuart趨勢檢測是一種不依賴趨勢結構的快速判斷趨勢是否存在的方法，其算法思想是：若數(shù)據(jù)有上升趨勢，那么排在后面的數(shù)據(jù)值將比排在前面的數(shù)據(jù)值大，反之則若排在后面的數(shù)據(jù)值比排在前面的數(shù)據(jù)值小則數(shù)據(jù)有下降趨勢，該方案容易受分析數(shù)據(jù)中存在的少數(shù)異常值的干擾。Mann-Kendall方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是不需要數(shù)據(jù)樣本遵循特定的分布，也不受分析數(shù)據(jù)中存在的少數(shù)異常值的干擾，該檢驗方法不但可以檢驗時間序列的變化趨勢，還可以檢驗時間序列是否發(fā)生了突變,主要用于氣候、水文及生信周期性數(shù)據(jù)分析，主要針對具有長周期性的時序數(shù)據(jù)趨勢檢測和突變檢測。

基于發(fā)電機停機態(tài)定子繞組測溫眾數(shù)數(shù)據(jù)（評估發(fā)電機運行環(huán)境溫度因素）和長周期帶負荷運行狀態(tài)下定子繞組測溫眾數(shù)數(shù)據(jù)（負荷影響及冷卻裝置影響因素）構造繞組過熱特征量，作為發(fā)電機定子過熱預警閾值。

（1）基于數(shù)據(jù)集篩選出發(fā)電機停機態(tài)數(shù)據(jù)集,計算發(fā)電機停機態(tài)下定子各相各分支測點溫度數(shù)據(jù)眾數(shù)統(tǒng)計量并分別計算停機態(tài)下發(fā)電機定子各支路測點溫度眾數(shù)均值統(tǒng)計量；

（2）計算發(fā)電機運行負荷為Px下定子各相各分支測點溫度數(shù)據(jù)眾數(shù)統(tǒng)計量，構造發(fā)電機運行負荷為Px時定子繞組各分支溫度估計特征量 ；

（3）構造負荷為Px時定子繞組各分支溫度評價特征量 ；

（4）將發(fā)電機運行負荷為Px下的定子各支路溫度特征量與發(fā)電機停機態(tài)下相應特征量進行比較，分析判定該支路是否存在整體增量突變，即存在過熱。

3 數(shù)據(jù)資料和分析實例

3.1 數(shù)據(jù)資料

瀾滄江流域某水電廠發(fā)電機為立軸半傘式結構、全空冷式三相凸極同步發(fā)電機，發(fā)電機定子額定電壓 18 kV，定子繞組為每相 8 路并聯(lián)雙層波繞組結構，每個槽內(nèi)布置2根線棒，定子各相各分支分別預埋布置上部、中部、下部電阻式溫度傳感器各2支，A、B、C三相共144支溫度傳感器。

3.2 定子各測點可視化

采集機組2020年4月至6月多個周期（停機態(tài)-穩(wěn)定運行-停機態(tài)）發(fā)電機定子繞組溫度、定子鐵芯溫度、空冷器冷熱風溫度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)清洗、計算統(tǒng)計量、構造特征量，利用R語言[4]可視化如圖1示。

圖1

3.3 整體評估

3.3.1 構造分析特征量

（1）根據(jù)發(fā)電機在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取該機組2021年內(nèi)的機組運行負荷、定子繞組溫度等數(shù)據(jù)，計算發(fā)電機停機態(tài)下定子各相各分支測點溫度數(shù)據(jù)眾數(shù)統(tǒng)計量，分別計算停機態(tài)下發(fā)電機定子各支路測點溫度眾數(shù)均值統(tǒng)計量。

表1

（2）根據(jù)發(fā)電機在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取該機組2021年內(nèi)的機組運行負荷、定子繞組溫度等數(shù)據(jù)，計算發(fā)電機負荷為Px時定子各相各分支測點溫度數(shù)據(jù)眾數(shù)統(tǒng)計量，以u1為例，按下式計算u相第1～8分支溫度估計特征量

式（1）中為基于歷史數(shù)據(jù)下P=0的第u1分支的溫度均值估計量；

基于歷史數(shù)據(jù)的負荷為Px時，各相第1～8分支估計特征量計算如表2。

表2

（3）根據(jù)發(fā)電機在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取該機組負荷為Px時刻下機組定子繞組溫度等數(shù)據(jù)，以u1為例，按下式計算u相第1～8分支溫度特征量；

基于歷史數(shù)據(jù)和某時刻負荷為Px時測點數(shù)據(jù)，計算各相第1～8分支特征量計算如表3：

表3

3.3.2 特征量分析判斷

可視化呈現(xiàn)發(fā)電機定子繞組各分支溫度特征量數(shù)據(jù)總體形貌。

將發(fā)電機運行負荷為Px下的定子各支路溫度特征量與發(fā)電機停機態(tài)下相應特征量進行比較，u相第1支路，u相第8支路,可初步診斷該發(fā)電機機組u相第1和第8支路存在過熱現(xiàn)象，需進一步核查。

圖2

4 結論與展望

發(fā)電機監(jiān)測溫度出現(xiàn)異常狀況時，及時診斷判明原因、有計劃地安排檢修、避免發(fā)生事故是發(fā)電機組安全運行的重要保障[5]。對于定子槽數(shù)多，繞組支路長、支路多的大型水輪發(fā)電機，定子繞組溫度就有上百個測點數(shù)據(jù)變量，其數(shù)據(jù)維度的高度復雜性和數(shù)據(jù)質量不確定性，單一測點的數(shù)據(jù)變化不應作為設備診斷的單一指標，應結合設備結構和測點布置提取或構造相應特征量進行分析。發(fā)電機運行溫度如何結合其他在線監(jiān)測數(shù)據(jù)（如發(fā)電機局放在線監(jiān)測、定子鐵心振動、發(fā)電機鐵心溫度、冷卻裝置運行情況等）進行綜合絕緣評估也是后續(xù)數(shù)據(jù)分析策略研究的方向。此外，目前行業(yè)內(nèi)對空冷式水輪發(fā)電機定子繞組運行溫度監(jiān)測的方式還是通過預埋在定子槽繞組或繞組線棒間的溫度傳感器或熱電偶進行間接監(jiān)測，隨著先進檢測監(jiān)測技術（如紅外成像分析）、現(xiàn)代通信技術和計算機技術的迅速發(fā)展, 如何利用現(xiàn)有預埋測溫電阻進行溫度監(jiān)測的方式和先進監(jiān)測技術相融合，進一步提高監(jiān)測和分析的準確度也是今后研究的難點和重點。