楊永剛，邱海云，萬鴻宇，談洋洋

（1.中交水運規(guī)劃設(shè)計院，北京 100007；2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610；3.汕頭華僑經(jīng)濟文化合作試驗區(qū)，廣東 汕頭 515054；4.江西省港航建設(shè)投資集團有限公司新干航電樞紐分公司，江西 吉安 331303）

燈泡貫流式機組流道順直，流場分布較均勻，因此水力效率較高，高效區(qū)平坦寬闊，轉(zhuǎn)輪的單位轉(zhuǎn)速高，單位過流量大，與同容量立式機組相比較，貫流式機組尺寸要小得多，機組重量輕，可布置在壩體內(nèi)，取消了復(fù)雜的引水系統(tǒng)，減少了廠房的建筑面積，土建工程量少，開挖淺，投資省。

水力發(fā)電機組輔助設(shè)備是附屬于水輪機和發(fā)電機等主機設(shè)備的附屬設(shè)備，包括水輪機主閥、油氣水系統(tǒng)以及水力監(jiān)測系統(tǒng)等內(nèi)容，水力機組輔助設(shè)備的設(shè)置是為了確保機組的正常運行，同時也是為了滿足水力發(fā)電機組在正常運行過程中實施操作、控制、維護、檢修和運行管理的要求。若輔助設(shè)備出現(xiàn)故障，輕則造成設(shè)備的毀壞，重則造成安全事故，是整個系統(tǒng)的重要組成部分。因此，水電站運行過程中，必須要做好輔助設(shè)備的維護與維修，使其能夠長期保持穩(wěn)定狀態(tài)[1]。

1 智慧水利

水利部在2019年提出修訂“智慧水利”總體建設(shè)目標(biāo)：依托現(xiàn)代化技術(shù)手段，全面建成水利信息基礎(chǔ)感知體系，健全保障支撐環(huán)境，推動水利綜合業(yè)務(wù)精細化管理，提升科學(xué)化決策調(diào)度管理水平，最終形成“更透徹的感知、更全面的互聯(lián)互通、更科學(xué)的決策、更高效的智能管理”的智慧水利管理體系[2]。

在此基礎(chǔ)上，一種基于集成、統(tǒng)一、堅強的軟硬件平臺建設(shè)安全、經(jīng)濟與高效運行的新型、智能水電站逐漸成為熱議話題，如劉鶴[3]等人根據(jù)水電站設(shè)備巡檢的實際業(yè)務(wù)需要，闡述了智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計原則、系統(tǒng)整體構(gòu)架、主要功能模塊，并介紹了改系統(tǒng)在水電站的實際應(yīng)用情況，實現(xiàn)了系統(tǒng)代替人員開展設(shè)備巡檢的目標(biāo)；艾遠高[4]等人闡述了水電機組極大數(shù)據(jù)的特點，提出了智能狀態(tài)分析方法和健康狀態(tài)關(guān)聯(lián)分析模型，利用該方法和模型分析水電機組設(shè)備運行狀態(tài)，為機組的狀態(tài)檢修決策提供了依據(jù)與參考；陳洪[5]等人對水電機組狀態(tài)數(shù)據(jù)內(nèi)容、狀態(tài)數(shù)據(jù)集成思想與方法展開了研究，在水電機組狀態(tài)數(shù)據(jù)處理的過程中引入了大數(shù)據(jù)技術(shù)，提出一種新的機組狀態(tài)數(shù)據(jù)處理架構(gòu)。

2 輔助設(shè)備監(jiān)測與故障診斷現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，多種發(fā)電與輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在水電站投入運行，水電機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)取得了長足的進步，顯著地推動了水電站的智能化建設(shè)[6]。作為智能水電站的重要組成部分，輔助設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷智能化也急需得到快速發(fā)展，對此，也有一些學(xué)者展開了研究。張巖[7]對水電站輔助設(shè)備的智能化改造進行了分析，提出水電站可根據(jù)自身特點在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進行智能水電站的建設(shè)，對電站現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)輔助設(shè)備的信息化、數(shù)字化、自動化、互動化，為電站站控層提供全面、詳盡、準確的輔助設(shè)備基礎(chǔ)信息；向巧鳳[8]對巖灘水電站水輪發(fā)電機組2 號機組輔助設(shè)備的遠程監(jiān)控功能進行了優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后，設(shè)備的可靠性得到了顯著提高，優(yōu)化成果也為其他機組及輔助設(shè)備智能化改造提供了指導(dǎo)及借鑒；吳瀟[9]等人對水電站幾種重要輔助設(shè)備的控制方式和控制邏輯標(biāo)準化進行探討，并提出了一種簡單、可靠、適用范圍廣的控制方案。

綜上所述，水電站輔助設(shè)備的在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)尚不成熟。本文針對貫流式機組水電站的輔機設(shè)備，基于智能終端的相關(guān)經(jīng)驗，建設(shè)一種智能的、一體化的新型輔助設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，為水電站智能一體化建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

3 智能化輔機設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)

3.1 智能化輔機設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)概述

本文所提的輔助設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，包括集控平臺、云儲存平臺、計算平臺以及終端感知平臺，具體示意圖見圖1。

圖1 輔助設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，集控平臺包括監(jiān)控中心、命令中心以及數(shù)據(jù)庫1，其功能在于對輔助設(shè)備各運行參數(shù)進行在線監(jiān)測，根據(jù)狀態(tài)預(yù)測、診斷結(jié)果下達命令以及存儲數(shù)據(jù)。

云儲存平臺主要功能為數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)交流，包括正常數(shù)據(jù)儲存平臺和異常數(shù)據(jù)儲存平臺，異常數(shù)據(jù)儲存連接數(shù)據(jù)庫1，且數(shù)據(jù)庫1 與集控平臺相連；正常數(shù)據(jù)儲存連接數(shù)據(jù)庫2，且數(shù)據(jù)庫2 與重要輔助設(shè)備監(jiān)控中心相連。

計算平臺主要功能為數(shù)據(jù)分析與計算，提取特征量、建立新的模型，該平臺包括常見異常計算中心，非常見異常計算中心。

終端感知系統(tǒng)的主要功能為現(xiàn)地監(jiān)測，數(shù)據(jù)感知，包括機械設(shè)備運行工況參數(shù)監(jiān)測、工質(zhì)指標(biāo)參數(shù)監(jiān)測以及智能巡檢。

3.2 系統(tǒng)工作流程

智能化輔機設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，其工作流程為：終端感知平臺進行現(xiàn)地監(jiān)測、數(shù)據(jù)感知，隨后將數(shù)據(jù)上傳至計算平臺進行數(shù)據(jù)處理分析，同時將數(shù)據(jù)傳輸至集控平臺的顯示屏上，數(shù)據(jù)上傳至計算平臺后，對數(shù)據(jù)進行正常、異常判斷，正常數(shù)據(jù)直接儲存，異常數(shù)據(jù)則進行相關(guān)的診斷分析，最后將診斷分析結(jié)果反饋至命令中心，命令中心下達命令，運維人員根據(jù)相關(guān)命令對輔助設(shè)備進行維護，并解除異常，具體工作流程見圖2。

圖2 智能化輔機設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)工作流程圖

如圖2所示，終端感知平臺進行現(xiàn)地監(jiān)測與數(shù)據(jù)感知，通過振動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、液位信號計等監(jiān)測儀器對機械設(shè)備運行工況參數(shù)以及工質(zhì)指標(biāo)參數(shù)進行監(jiān)測與收集。其中，機械設(shè)備運行監(jiān)測參數(shù)包括泵的振動、轉(zhuǎn)速、功率、電流、電壓、壓力、溫度、啟動次數(shù)、運行時長，閘門與閥門位置；工質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測參數(shù)包括油系統(tǒng)的油溫、油壓、油質(zhì)、油位，供水系統(tǒng)的水壓、流量、水溫、水流通斷、排水系統(tǒng)的水位，氣系統(tǒng)的空壓機的排氣壓力、排氣溫度、冷卻水量、儲氣罐的壓力與溫度、制動供氣的壓力。

終端感知平臺配置智能巡檢功能，其目的在于輔助在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，排除監(jiān)測儀器故障引起的系統(tǒng)誤判。對上述各監(jiān)測點按不同系統(tǒng)、重要程度排序，制定最優(yōu)路線并錄入智能機器人系統(tǒng)，使機器人按指定路線進行巡檢。同時智能機器人具有識別、拍照、錄像的功能，即每個監(jiān)測點都有安全值或者安全狀態(tài)，將該點的安全值以及安全狀態(tài)也錄入智能機器人系統(tǒng)，在每次巡檢過程中，智能機器人按指定路線對各監(jiān)測點進行識別，拍照，然后將監(jiān)測點照片中的實時值或?qū)崟r狀態(tài)與系統(tǒng)記錄值或記錄狀態(tài)進行對比，得出對比結(jié)果并反饋。智能巡檢設(shè)置為定期巡檢與非定期巡檢，定期巡檢即按輔助設(shè)備及工質(zhì)的運行周期制定，非定期巡檢即針對監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時而展開。

終端感知系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至計算平臺后，進行數(shù)據(jù)處理與分析，同時油系統(tǒng)設(shè)備運行參數(shù)與工質(zhì)指標(biāo)參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)接入顯示屏2、氣系統(tǒng)設(shè)備運行參數(shù)與工質(zhì)指標(biāo)參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)接入顯示屏3、水系統(tǒng)設(shè)備運行參數(shù)與工質(zhì)指標(biāo)參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)接入顯示屏4。數(shù)據(jù)分析正常則儲存于數(shù)據(jù)庫2；異常則與數(shù)據(jù)庫1 進行對比，若數(shù)據(jù)庫1 中有相符記錄，則該異常數(shù)據(jù)為常見異常，針對該常見異常，進行狀態(tài)預(yù)測以及故障分析，得出分析診斷結(jié)果；若數(shù)據(jù)庫1 中沒有相符記錄，則與水電機組相關(guān)數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)性分析，判斷異常是否由水力機組異常引起；或?qū)υ摦惓?shù)據(jù)進行各系統(tǒng)內(nèi)部分析，判斷該異常數(shù)據(jù)是由設(shè)備異常還是工質(zhì)異常引起的，并對該數(shù)據(jù)進行機器學(xué)習(xí)，提取特征量，建立新的模型進行狀態(tài)預(yù)測及故障診斷，得出分析診斷結(jié)果。異常數(shù)據(jù)及其處理過程、結(jié)果均儲存至數(shù)據(jù)庫1 中。

命令中心根據(jù)上述分析診斷結(jié)果發(fā)出報警、警告、事故、故障、中斷等命令，運維人員根據(jù)相關(guān)命令對輔助設(shè)備進行維護檢修，直至異常解除。

數(shù)據(jù)庫1 與數(shù)據(jù)庫2 之間具備數(shù)據(jù)交流功能，可相互提取數(shù)據(jù)記錄，也可相互寫入數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)庫1 具有與外部數(shù)據(jù)庫交流的功能，如與其他電站數(shù)據(jù)庫交流，進而對本數(shù)據(jù)庫進行查漏補缺。

4 結(jié)論

本文對貫流式水電站輔助設(shè)備的監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)展開了研究，提出了一種智能化輔助設(shè)備比在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括集控平臺、云儲存平臺、計算平臺以及終端感知平臺。該系統(tǒng)的有效運行能夠?qū)崿F(xiàn)輔助設(shè)備各運行參數(shù)的實時記錄、儲存、顯示，完成在線分析，同時實現(xiàn)與水電機組的運行耦合，實時反映其與機組穩(wěn)定運行之間的關(guān)聯(lián)狀態(tài)，從而更好地服務(wù)水力機組的運行以及實現(xiàn)輔機設(shè)備運行狀態(tài)的在線監(jiān)測以及故障診斷，提高輔機設(shè)備運行及維護的效率，同時可為建設(shè)水力機組與輔助設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷一體化系統(tǒng)的智能水電站提供理論基礎(chǔ)。