刀亞娟，朱曉韜，戴 驅(qū)，吳永智，楊國(guó)慶，梁朝鈺

(華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

1 問(wèn)題的提出

在水輪發(fā)電機(jī)狀態(tài)評(píng)估、趨勢(shì)分析、故障預(yù)警中，判斷當(dāng)前測(cè)值是否偏離正常值，是否有進(jìn)一步劣化的趨勢(shì)非常重要。通常傳統(tǒng)的做法有2種[1]：①給監(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)定某一告警限值，當(dāng)監(jiān)測(cè)值高于告警限值，判定為異常狀態(tài)，并輸出告警；②選取穩(wěn)定工況下的監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算(根據(jù)GB/T 6075.5—2002《在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)組機(jī)械振動(dòng)》[2]，選取有功功率>70%額定功率)，計(jì)算監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化率，當(dāng)變化率超過(guò)設(shè)定值時(shí)，判定為趨勢(shì)劣化。目前水輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)重要指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[3-4]，對(duì)指標(biāo)設(shè)定了告警限值；但為了避免誤告警，設(shè)定的限制較高，當(dāng)機(jī)組達(dá)到告警限值時(shí)，可能已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的故障。即使在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，水輪發(fā)電機(jī)組各監(jiān)測(cè)指標(biāo)同樣受到水頭、勵(lì)磁電流等工況的影響，且上下波動(dòng)，直接采集計(jì)算的監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化率仍然無(wú)法反應(yīng)設(shè)備狀態(tài)真實(shí)情況。

圖1為某水電機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷下(70%有功功率以上)下機(jī)架垂直振動(dòng)時(shí)間散點(diǎn)圖。從圖1可直觀看出，6月底，下機(jī)架垂直振動(dòng)從20 μm上升到40 μm以上，難以界定是否要檢查處理。因此如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，真正識(shí)別出超出正常范圍的情況，是目前水輪發(fā)電機(jī)狀態(tài)評(píng)估技術(shù)領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題。

圖1 某水電機(jī)組下機(jī)架垂直振動(dòng)時(shí)間散點(diǎn)示意

在水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，主機(jī)振動(dòng)、擺度、溫度等重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)受到各種因素影響，呈上下波動(dòng)趨勢(shì)，有的波動(dòng)為正常的工況導(dǎo)致的波動(dòng)，有的波動(dòng)為異常波動(dòng)；在不同的工況下，監(jiān)測(cè)指標(biāo)的波動(dòng)區(qū)域不一。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)準(zhǔn)確預(yù)警，必須解決2方面問(wèn)題：①不同工況應(yīng)有不同閾值，作為告警限值；②閾值應(yīng)為歷史數(shù)據(jù)計(jì)算后自適應(yīng)產(chǎn)生，且設(shè)置合理。

2 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值基本原理

本文提出的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值原理：機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)存在一定的波動(dòng)；異常時(shí)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)呈趨勢(shì)性波動(dòng)[5]。用常規(guī)的方法，難以區(qū)分監(jiān)測(cè)指標(biāo)波動(dòng)由工況變化導(dǎo)致，還是設(shè)備本身存在異常。

(1)本方法計(jì)算出的自適應(yīng)閾值，產(chǎn)生于本機(jī)組歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)工況變化而呈動(dòng)態(tài)變化；閾值反應(yīng)了監(jiān)測(cè)指標(biāo)的集中趨勢(shì)，并隨著歷史數(shù)據(jù)的積累，閾值更加準(zhǔn)確。

(2)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)在某一區(qū)間波動(dòng)，閾值反應(yīng)了這個(gè)區(qū)間的正常上下限；而閾值的計(jì)算，來(lái)源于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和專業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

(3)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)，會(huì)產(chǎn)生一定的離群數(shù)據(jù)，會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，本方法在閾值計(jì)算前，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)離群值進(jìn)行了刪除。

(4)若因工況變化導(dǎo)致的波動(dòng)，本文方法計(jì)算出來(lái)的越限比將低于100%；若設(shè)備本身劣化導(dǎo)致的波動(dòng)，本文方法計(jì)算出來(lái)的越限比將高于100%。越限比高于100%能夠真實(shí)反應(yīng)設(shè)備劣化情況。

3 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值計(jì)算步驟

自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值計(jì)算步驟見(jiàn)圖4，具體包括：

(1)獲取系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。包含時(shí)間、發(fā)電機(jī)有功功率、機(jī)組水頭、勵(lì)磁電流和監(jiān)測(cè)指標(biāo)等數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)篩選。選出有功功率≥70%額定功率的數(shù)據(jù)。

(3)工況分段。對(duì)選出的數(shù)據(jù)按有功功率、機(jī)組水頭、勵(lì)磁電流3個(gè)工況指標(biāo)進(jìn)行分段，每個(gè)工況指標(biāo)平均分為N段，并打上分段標(biāo)記。

(4)將數(shù)據(jù)分為樣本數(shù)據(jù)集、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集時(shí)間段確定后，選取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集起始時(shí)間上一年數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)集。

(5)對(duì)樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，得出有效樣本數(shù)據(jù)集。①有功功率、機(jī)組水頭、勵(lì)磁電流3個(gè)工況指標(biāo)的任意一種組合為一種工況，3個(gè)工況指標(biāo)每個(gè)分N段進(jìn)行排列組合后，共有N3種工況；②計(jì)算每一種工況下樣本數(shù)據(jù)集監(jiān)測(cè)指標(biāo)的第一個(gè)四分位和第3個(gè)四分位，第1個(gè)四分位記為監(jiān)測(cè)指標(biāo)_FirstQuartile，第3個(gè)四分位記為監(jiān)測(cè)指標(biāo)_ThirdQuartile；③計(jì)算離群值上限，監(jiān)測(cè)指標(biāo)離群值上限=監(jiān)測(cè)指標(biāo)_ThirdQuartile+1.5×(監(jiān)測(cè)指標(biāo)_ThirdQuartile-監(jiān)測(cè)指標(biāo)_FirstQuartile)；④計(jì)算離群值下限，監(jiān)測(cè)指標(biāo)離群值下限=監(jiān)測(cè)指標(biāo)_FirstQuartile-1.5×(監(jiān)測(cè)指標(biāo)_ThirdQuartile-監(jiān)測(cè)指標(biāo)_FirstQuartile)；⑤刪除樣本數(shù)據(jù)集中高于離群值上限，或低于離群值下限的數(shù)據(jù)，得出有效樣本數(shù)據(jù)集。

(6)對(duì)有效樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行計(jì)算，得出閾值上下限。①計(jì)算每一種工況下，有效樣本數(shù)據(jù)集中監(jiān)測(cè)指標(biāo)的最大值、最小值、算數(shù)平均數(shù)，其中，監(jiān)測(cè)指標(biāo)的最大值記為監(jiān)測(cè)指標(biāo)_max，最小值記為監(jiān)測(cè)指標(biāo)_min)，算數(shù)平均數(shù)記為監(jiān)測(cè)指標(biāo)_mean；②計(jì)算每一種工況下，閾值上下限：監(jiān)測(cè)指標(biāo)閾值上限=監(jiān)測(cè)指標(biāo)_max+0.25×監(jiān)測(cè)指標(biāo)_mean，監(jiān)測(cè)指標(biāo)閾值下限=監(jiān)測(cè)指標(biāo)_min-0.25×監(jiān)測(cè)指標(biāo)_mean。

圖2 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值計(jì)算步驟

(7)將閾值上下限寫入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集增加2列數(shù)據(jù)列，按照工況標(biāo)記，每一行數(shù)據(jù)均填入監(jiān)測(cè)指標(biāo)閾值上下限。

(8)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集計(jì)算越限比。監(jiān)測(cè)指標(biāo)越限比=監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)值/監(jiān)測(cè)指標(biāo)閾值上限×100%。

(9)監(jiān)測(cè)與可視化展示。當(dāng)越限比大于100%，啟動(dòng)計(jì)時(shí)；當(dāng)越限比大于100%，計(jì)時(shí)大于設(shè)定時(shí)間時(shí)，輸出告警，繼續(xù)監(jiān)測(cè)；當(dāng)越限比小于100%，或者越限比大于100%不超過(guò)設(shè)定時(shí)間時(shí)，繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖3為某機(jī)組穩(wěn)定工況下，在其監(jiān)測(cè)指標(biāo)時(shí)間散點(diǎn)圖上增加兩條線——閾值上、下限后所示的閾值時(shí)間散點(diǎn)圖。閾值是指在當(dāng)前工況下，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)通過(guò)算法得出的，是機(jī)組歷史的正常運(yùn)行范圍。從圖3可看出，特征值的波動(dòng)在閾值范圍內(nèi)，屬于工況導(dǎo)致的波動(dòng)。

圖3 下機(jī)架垂直振動(dòng)閾值時(shí)間散點(diǎn)示意

閾值上下限并不能滿足“智能化”的需求，仍需要人工辨別是否越過(guò)上限、是否逐步靠近上限等問(wèn)題，這時(shí)，通過(guò)越限比可以看出特征值是否劣化。越限比是指當(dāng)前測(cè)值與歷史同工況測(cè)值(閾值上限)比較的相對(duì)值。圖4為越限比散點(diǎn)示意，可以明顯看出，在下機(jī)架振動(dòng)明顯上升的6、7月，越限比十分穩(wěn)定，即趨勢(shì)十分穩(wěn)定。

圖4 下機(jī)架垂直振動(dòng)越限比監(jiān)視

4 應(yīng)用實(shí)例

對(duì)某水電站1號(hào)機(jī)上機(jī)架振動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。1號(hào)機(jī)采集了上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值[6]、機(jī)組水頭、有功功率、勵(lì)磁電流時(shí)間序列數(shù)據(jù)。該機(jī)組額定有功功率700 MW，正常運(yùn)行時(shí)，有功功率在0～719 MW之間波動(dòng)，水頭在156～235 m之間波動(dòng)，勵(lì)磁電流在1 656～3 264 A之間波動(dòng)。對(duì)2020年1月至10月上機(jī)架振動(dòng)情況進(jìn)行評(píng)估，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值實(shí)施步驟為：數(shù)據(jù)采集與獲取—工況分段且標(biāo)記—樣本集數(shù)據(jù)清洗—閾值上下限計(jì)算—越限比計(jì)算—結(jié)果輸出。

4.1 數(shù)據(jù)采集與獲取

通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集上機(jī)架振動(dòng)數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、機(jī)組有功功率、機(jī)組勵(lì)磁電流、機(jī)組水頭、機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[7]，如表1所示。數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度大于5%以上時(shí)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備要將數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，時(shí)間坐標(biāo)一致，時(shí)間精確到分鐘及以上。表1中，選擇“機(jī)組有功功率≥490 MW”的數(shù)據(jù)(70%額定有功功率)，其余數(shù)據(jù)刪除。

表1 上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4.2 工況分段及標(biāo)記

對(duì)數(shù)據(jù)按有功功率、機(jī)組水頭、勵(lì)磁電流3個(gè)工況指標(biāo)進(jìn)行分段，每個(gè)工況指標(biāo)平均分為10段[8]，并分段標(biāo)記。

490～719 MW有功功率區(qū)間分段后，增加一列命名為“機(jī)組有功功率_BIN”，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段標(biāo)記，計(jì)算機(jī)隨機(jī)產(chǎn)生不重復(fù)的數(shù)字標(biāo)記填入該列,本案例填入[1,2,3,4，…，10]。如：有功功率為490 MW時(shí)，機(jī)組有功功率_BIN標(biāo)記為1。

機(jī)組水頭范圍為156～235 m區(qū)間分段后，增加一列命名為“機(jī)組水頭_BIN”，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段標(biāo)記，計(jì)算機(jī)隨機(jī)產(chǎn)生不重復(fù)的數(shù)字標(biāo)記填入該列,本案例填入[1,2,3,4，…，10]。如：機(jī)組水頭為158 m時(shí)，機(jī)組水頭_BIN標(biāo)記為1。

勵(lì)磁電流范圍為1 656～3 264 A區(qū)間分段后，增加一列命名為“機(jī)組勵(lì)磁電流_BIN”，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段標(biāo)記，計(jì)算機(jī)隨機(jī)產(chǎn)生不重復(fù)的數(shù)字標(biāo)記填入該列,本案例填入[1,2,3,4，…，10]。如：勵(lì)磁電流為1 700 A時(shí)，機(jī)組勵(lì)磁電流_BIN標(biāo)記為1。

所有數(shù)據(jù)都打上了工況標(biāo)記，如表2所示。

表2 上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值工況標(biāo)記

4.3 樣本集數(shù)據(jù)清洗

(1)將數(shù)據(jù)分為樣本數(shù)據(jù)集、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集。監(jiān)測(cè)期開(kāi)始時(shí)間為2020年1月1日，以此為節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)劃分為2個(gè)數(shù)據(jù)集。2020年1月1日以前為樣本數(shù)據(jù)集，用于計(jì)算閾值；2020年1月1日后為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集，用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)或趨勢(shì)分析。

(2)對(duì)樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，得出有效樣本數(shù)據(jù)集。①由機(jī)組有功功率_BIN、機(jī)組水頭_BIN、機(jī)組勵(lì)磁電流_BIN工況標(biāo)記的任意組合，定義為一種工況，如：“機(jī)組有功功率_BIN=1，機(jī)組水頭_BIN=1，機(jī)組勵(lì)磁電流_BIN=3”為一種工況，一共有1 000種工況。②計(jì)算1 000種工況中每一種工況下，“機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值”的第1個(gè)四分位(記為：“機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_FirstQuartile”)、第3個(gè)四分位(記為：“機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_ThirdQuartile”)。③離群值上限計(jì)算，+X向離群值上限=機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_ThirdQuartile+1.5×(機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_ThirdQuartile-機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_FirstQuartile)。④離群值下限計(jì)算，+X向離群值下限=機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_FirstQuartile-1.5×(機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_ThirdQuartile-機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_FirstQuartile)。⑤刪除樣本數(shù)據(jù)集中高于離群值上限，或低于離群值下限的數(shù)據(jù)，得出有效樣本數(shù)據(jù)集。

計(jì)算后，數(shù)據(jù)表格增加了離群值上限、離群值下限兩列，如表3所示。

表3 上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值離群值上下限

4.4 閾值上下限計(jì)算

計(jì)算每一種工況下，“機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值”的最大值(記為“機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_max”)、最小值(記為“機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_min”)、算數(shù)平均數(shù)(記為“機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_mean”)。

機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)閾值上限=機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_max+0.25×機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_mean

機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)閾值下限=機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_min-0.25×機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值_mean

將閾值上下限寫入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集，如表4所示。

表4 上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值閾值上下限

4.5 越限比計(jì)算

機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)越限比=機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值/機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)閾值上限×100%。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值越限比

4.6 結(jié)果輸出

當(dāng)越限比大于100%，啟動(dòng)計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)大于1 min 時(shí)，輸出“機(jī)組上機(jī)架+X向水平振動(dòng)峰峰值趨勢(shì)超限”告警，繼續(xù)監(jiān)測(cè)；當(dāng)越限比小于100%，或者越限比大于100%不超過(guò)設(shè)定時(shí)間時(shí)，繼續(xù)監(jiān)測(cè)。結(jié)果可視化展示。

5 結(jié) 語(yǔ)

自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值可應(yīng)用于機(jī)組狀態(tài)評(píng)價(jià)、劣化預(yù)警，與現(xiàn)有方法比，改進(jìn)效果如下：

(1)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)越限情況、變化率單獨(dú)計(jì)算，未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，不利于后續(xù)計(jì)算以及可視化展示。本方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，多個(gè)有關(guān)聯(lián)性監(jiān)測(cè)指標(biāo)可進(jìn)行同一界面展示。

(2)機(jī)組在不同工況下，各指標(biāo)波動(dòng)范圍有所區(qū)別，本論文計(jì)算的閾值為動(dòng)態(tài)限值，超越閾值則真實(shí)反應(yīng)了監(jiān)測(cè)指標(biāo)的劣化狀況。機(jī)組運(yùn)行情況復(fù)雜多變，各監(jiān)測(cè)指標(biāo)不僅受運(yùn)行工況影響，還可能受到負(fù)荷調(diào)節(jié)速度、電網(wǎng)波動(dòng)等偶發(fā)因素影響，本發(fā)明對(duì)閾值上下限進(jìn)行了修正，留有一定余量，更大程度上避免了誤告警。

(3)隨著運(yùn)行年限增加，機(jī)組狀態(tài)發(fā)生了改變，屬于正常的老化，隨著數(shù)據(jù)累積，閾值范圍將會(huì)自行修正，不需要人為干預(yù)。

(4)水電機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)自各個(gè)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集、匯集等環(huán)節(jié)，可能出現(xiàn)一些離群數(shù)據(jù)，或是噪點(diǎn)，若用全數(shù)據(jù)計(jì)算閾值，離群值會(huì)影響閾值精度，本發(fā)明在計(jì)算閾值前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動(dòng)清洗，保留了有效樣本。