浅议水电厂机组状态监测与分析系统

水电厂机组状态监测与分析系统实时监测水轮发电机组的运行状态及健康状况，根据状态制定检修计划及辅助决策，确保机组安全、经济、高效运行，满足水电厂"无人值班（少人值守）"的运行模式。

一、前言

水电厂机组状态监测与分析系统是利用监测技术、网络技术、数据库技术等实现水轮发电机组状态监测和故障诊断、分析，为水电厂从计划检修过渡到状态检修提供辅助，根据机组健康状态制定检修计划。对于疑难故障，结合专家经验及远程会诊，实现诊断的时实性与精确性；也便于水电厂管理人员及时了解机组运行状况，获取诊断报告，实现状态预警，避免事故和故障扩大，为生产管理提供决策辅助，保证机组安全运行，满足水电厂"无人值班（少人值守）"的运行模式。

本文是笔者在负责某一水电厂的机组状态监测与分析系统改造过程中，结合系统的设计、软件开发、现场调试与实际应用环节的个人观点。水电厂机组状态监测与分析系统在线监测机组状态参数（振动摆度、脉动、电参数、空气间隙、磁场强度、局部放电），结合SCADA及设备检修数据，实现状态监测与故障诊断，掌握机组状况，实现机组状态检修与生产管理辅助决策。

二、系统组成

2.1.系统软件

2.1.1.操作系统：WINDOWS操作系统；

2.1.2数据库软件：SQLSERVER 2005；

2.1.3开发工具：LabWindows CVI6；

2.2系统构成

2.2.1现地机组状态监测装置：结合测点数量或技术要求分为单机或多机系统，尽量简化现地功能，仅提供如振幅、波形、越限报警等基本功能，提高现地装置的可靠性。

2.2.2后台诊断及分析系统，实现数据的收集、处理、分析，提供状态监测、过程监测、故障预判与诊断、相关分析、远程诊断等功能。

2.2.3远程终端：查询机组状态、设备性能报告。

2.2.4系统软件、硬件设备采用模块化设计，以满足不同应用要求。

2.3系统硬件

2.3.1现地装置：为机旁控制屏柜及附件、人机接口、采集设备、网络设备、信号调理、供电模块；

2.3.2后台诊断及分析系统，为一台高性能工业计算机或服务器；

2.3.3数据通讯：现地机组状态监测装置与后台诊断及分析系统的数据交换，采用MODBUS_TCP/IP协议。

2.4系统功能

2.4.1数据收集

收集设备运行、检修、试验的数据，如局部放电、空气间隙、磁场强度、压力脉动、振动、摆度等，并结合电厂运维修人员经验进行分析，有条件情况下利用电厂和制造厂的专家知识进行辅助，在此基础上建立检修管理及专家诊断知识库，针对性地选用测量仪器，采集必要的参数，状态检修工作要特别注意长期积累，定期总结及验证。

2.4.2稳态信号分析

对于机组在稳态和瞬态工况下的振动测量，需要通过信号分析获得若干重要信息：

1）为确定振动的剧烈程度，需测量总体振动水平，即一般所谓的振幅值，如通频值或振动总量。

2）采用频谱分析寻找振动故障的起因和根源，获得振动分量的频率成分。

3）为判断故障的性质，应对振动的时域波形、轴心轨迹、涡动方向等进行分析。

4）为识别机组故障，相位关系是关键参数，包括同频和二倍频的相位，也可用来判断不同振动参量间的相关性。

5）为全面深入探究复杂的振源特征，需要测量转子中心位置、动平衡、各典型频率分量下的幅值、振动激扰力特征等。

振动信号。一般是稳态的、随机的、可以重复获得的，但随着运行工况和状态参数的变化，振动量也会随时间变化，尤其是在机组故障快速发展和状态突变时。环境和外界作用的变化应及时记录，作为故障诊断的参考。

振动的诱因：包括机械振动、电磁振动、水力振动、噪声等，情况比较复杂。

振动信号的分析一般分时域法和频域法，辅之以作图制表等手段。

1）时域信号。时域信号的样本长度（采样时间或记录长度）决定于所要研究的信息类型，通常与机组的工作周期或激励的周期有关。转子平衡所需要得到的相位信息就是用基本周期来表示的。

2）趋势分析。对于机组的振动信号或过程参数（如温度、压力等）信号，连续地或周期性地记录其变化过程，分析其工作状态和发展趋势，例如，可以用振幅随时间变化曲线表示轴承磨损、间隙增大而导致机组振幅上升的自然趋势。

3）频谱分析。是机组振动分析与诊断最基本的工具，它建立在快速傅立叶变换（FFT）的基础上，并辅之以滤波、细化、平均等技术，也包括白谱和互谱等。

4）相位分析。相位量化了两个信号之间的时间差，它们可以是两个振动信号，也可以是一个振动信号与一个激励信号，或者取自一个振动信号与基本转速的参考信号。

5）轨迹分析。可以提供轴承的预负荷，能提供转子的涡动频率以及进动方向，还能显示轴颈在轴承中的位移。

2.4.3故障诊断推理

系统将多种诊断方法有效融合后进行故障诊断推理，包括泄水锥松动；尾水涡带振动过大；导水机构传动部件松动；主轴密封润滑不良；大轴密封偏磨；机组轴线异常；主轴法兰螺栓松动；导轴承不对中；导轴承支撑部分有松动或裂纹；导轴承间隔调整不当；轴瓦受力异常；推力轴承润滑不良；推力轴承弹性油箱异常或其他故障或缺陷。

2.4.4瞬态分析功能

水轮机瞬态过程也称过渡过程，系统应实时在线记录机组启机、停机、甩负荷过程中的全部数据，瞬态分析模块对这些数据进行收集、整理、分析和处理。主要实现对以下功能的分析：

a.过渡过程中机组的稳定性；

b.调速器性能；

c.励磁系统性能；

d.启、停机过程状态；

e.过渡过程故障；

f.过渡过程中高速录波和回放；

2.4.5优化运行功能

通过在线测量，实时掌握机组运行状态和性能，系统通过对机组运行性能在线跟踪分析，向用户提供机组不稳定运行工况，提醒用户避开危险点运行等措施，以延长机组寿命，也可结合机组效率测试、振动测试等结果，合理进行机组组合，实现经济运行。

2.4.6性能评估功能

系统对机组检修后的性能进行评估，可得到机组动态、稳态性能的测试结论。

系统以曲线或三维面等多种形式，自动显示机组稳定性随功率的变化曲面，利用记录的状态数据，可以分别生成机组检修前和检修后的各种性能曲线、参数等分析结果，从而科学、量化检修效果，达到检修验收的目的，为电厂检修管理提供技术支持。

2.4.7分析功能

对监测参量数据进行采集处理，实现对比分析、相关分析、趋势分析等功能。有条件情况下实施事故模拟试验，掌握数据间的影响程度和相互关系，从而制定监测方案。由系统判断起动、运行、负荷变化、停机等工况状态，对输入数据的采样频率、相互关系、异常判断、表示方法及人机对话等予以重点分析。

2.4.8事故追忆

二级报警量触发时，在分析图表画面中选择带时标实时记录的相关量，与触发的报警量以图表形式呈现在同一画面，查找报警触发的原因。

2.4.9用户自主诊断

根据提取的特征参数，实现自主分析、查询设备故障原因。该功能针对设备诊断专家缺乏、新的分析诊断方法和手段不能很快地得到推广应用等现状，充分利用网络技术，融合最新诊断技术，综合应用视频、音频、短信、EMAIL、BBS等多种交互方式，构建基于Internet的“用户-专家”紧密联系的设备远程监测和诊断平台，为在线诊断提供技术手段。

2.4.10相关分析

对振动、摆度、脉动、气隙、功率、断路器位置、机端电压、定子电流、开度等值后，在不同转速、励磁电流/电压、负荷、温度变化等情况进行相关分析。

实现流量效率、录波、假同期测试（采集断路器-同期点两侧的电压，根据频率、电压、相位实现同期测试）。

现场试验：如采集励磁电流、电压、定子电流可做空载实验等。

甩负荷实验转速、压力、电压变化分析。

2.4.11远程诊断功能

系统支持电厂生产现场、电厂办公区及厂家通过互联网对机组状态进行远程故障诊断，既支持在线监测系统，也支持离线监测。

远程诊断功能建立在电厂整个系统结构基础上，远程终端（授权用户）作为系统一个节点，登录到系统中完成对机组及相关设备的运行参数及状态报告查询。

三、结语

本文所述水电厂机组状态监测与分析系统，较全面介绍了系统结构与系统功能。提出了实现水轮发电机组状态监测的必要性，针对设备检修的要求提供设备状态检修辅助。

（作者单位：四川中鼎科技有限公司 ）

作者简介：

唐洪（1975-），男，工程师，硕士研究生，从事水电厂自动化技术开发及项目管理。