东风发电厂机组状态监测系统建设

江　雨，陈则阳

（1.贵州乌江水电开发有限责任公司东风发电厂，贵州 清镇 551408；2.北京华科同安监控技术有限公司，北京 100048）

东风发电厂机组状态监测系统建设

江雨1，陈则阳2

（1.贵州乌江水电开发有限责任公司东风发电厂，贵州 清镇 551408；2.北京华科同安监控技术有限公司，北京 100048）

摘要：水轮发电机组状态监测系统对于把握机组特性、优化机组运行、预防事故和分析事故原因等方面都有着重要作用。东风发电厂高度重视机组状态监测系统的建设，在电站全部4台机组中安装了状态监测系统，并不断对系统进行完善和提高，使系统更具针对性；同时采用多种措施提高系统的检修和维护水平，为系统安全、稳定运行切实发挥其应有作用。本文介绍了东风发电厂机组状态监测系统的建设、应用情况以及相关的检修维护措施。

关键词：状态监测系统；设计原则；系统构成；参数选择；系统建设

1概述

贵州东风发电厂是乌江流域梯级开发的第二级电站，共装有3台190MW及1台125MW混流式水轮发电机组。在贵州电网中主要担任调频和调峰任务。

东风发电厂是国内早期开展水轮发电机组状态监测的电厂之一，从2002年开始，陆续在各台机组上安装了北京华科同安监控技术有限公司的TN8000水轮发电机组状态监测及故障诊断系统，监测内容涵盖大轴摆度、机架振动、过流部件压力脉动、抬机量、定转子空气间隙、磁场强度、发电机局部放电等。系统投运后，运行总体稳定。但限于当时的技术水平，应用效果有限。随着电子计算机技术及软件技术的发展，状态监测技术日趋成熟。东风发电厂认真研究了国内外机组状态监测系统的现状，吸取其他电厂的成功经验和失败教训，重新规划机组状态监测系统，在2012年对系统进行升级改造，并建立相应的管理体制，确保系统安全稳定运行，使之切实发挥应有作用。

2系统设计原则

东风发电厂机组状态监测系统的设计遵循以下原则：

（1）可靠性：所配置的各种设备均采用国内外著名品牌，且具有大量现场应用业绩，经过长期稳定运行考验的产品；在软件的设计上采取多种容错策略，确保软件长期稳定运行。

（2）实用性：系统的各项功能针对现场的实际需要开发，不需复杂的操作便可形成各种特性曲线和状态报告，便于了解机组性能，及时发现缺陷和故障。

（3）先进性：系统的硬件采用最新的数字电子技术开发；软件采用模块化、分布式设计；在故障诊断知识库的模型建设、特征提取等方面采用目前先进的故障诊断理论，强化设备故障自动分析诊断功能；数据存储采用先进的实时历史数据库技术；全套系统的构架采用最新的通讯和网络技术。

（4）开放性：系统具备良好的开放性，可与包括监控系统、励磁系统、流量监测系统、MIS网等实现数据通讯和共享，既可向这些系统传送状态监测数据，也可以将这些系统的数据接入到状态监测系统中。

（5）针对性：系统针对水电机组的特点进行设计和开发，除了在硬件的配置上适应水电机组的特点外，在软件的设计上也针对现场实际需要，配置了包括动平衡计算、状态报告自动生成、辅助试验等实用功能。

（6）系统集成：系统将振动摆度监测系统、气隙监测系统、局部放电监测系统及机组工况等进行有效集成，对数据进行统一管理和存储，并在同一个平台上进行显示和分析，实现了系统间资源和信息的共享。

3系统构成

东风发电厂机组状态监测系统由传感器、数据采集单元、服务器及相关网络设备、软件等组成，如图1所示。系统采用分层分布式结构，按层次划分为厂站层（上位机系统）和现地层两级。厂站层设备包括状态数据服务器、WEB通讯服务器、工程师工作站、网络设备等，全厂4台机组共用1套。现地层设备包括机组现地状态监测数据采集单元、各种传感器、通讯接口、附件设备等。

每台机组在现地设1个数据采集站，数据采集站设备集中组屏在1面标准机柜内，布置在发电机层机旁。数据采集站负责对机组的振动、摆度、压力脉动、抬机量、空气间隙、磁通密度、局部放电、机组工况参数等信号进行数据采集、处理、分析，以图形、图表、曲线等直观的方式在显示器上显示，同时，对相关数据进行特征参数提取，得到机组状态数据，完成机组故障的预警和报警，并将数据通过网络传至状态数据服务器，供进一步的状态监测分析和诊断。

状态数据服务器用于存储、分析、管理从各数据采集箱和其他监测系统传送过来的机组实时状态数据、历史状态数据及各种特征数据，进行数据分析及故障诊断。状态数据服务器还具有与电站计算机监控系统、其他厂家的监测系统进行通讯的软件及硬件接口，实现与电站计算机监控系统和其他系统的数据交换。状态数据服务器还具有与GPS时钟同步装置进行时钟同步的软件和硬件接口。

WEB服务器负责发布机组状态监测系统的各种数据及分析诊断结果，承担与电站生产信息管理系统的数据通信。WEB服务器可通过广域以太网将数据进行发布，实现远程诊断。由于机组状态在线监测系统与电站生产信息管理系统及因特网属于两个不同的安全区，根据电力二次系统安全防护总体规定，在机组状态在线监测系统与电站生产信息管理系统及因特网之间安装了网络安全隔离设备，用于实现机组状态在线监测系统与电站生产信息管理系统及因特网之间的物理隔离。此外，为确保WEB服务器的安全，在WEB服务器和电厂生产信息管理系统之间还安装了硬件防火墙。

电站层设备和现地层设备之间采用星型以太网络双网结构，网络介质为光纤，并满足工业通用的国际标准IEEE802.3和TCP/IP规约。

4测点布置与传感器选择

状态监测系统测点的选择和布置是获取机组运行状态信号的重要环节，其选择和布置是否合理将直接影响信号采集的真实性以及数据分析诊断结果的可信度。测点的选择和布置取决于机组的结构和运行规律，在进行测点的选择和优化时，要满足机组状态监测分析的要求，选择最有代表性、最能准确捕捉设备运行状态的监测点。测点的选择和布置必须能够监测机组的水力特性、机械特性、电气特性及设备结构特点。

图1系统网络图

4.1机组稳定性参数选择

机组稳定性监测参数包括振动、摆度、压力脉动及瓦温等。

振动和摆度是表征机组稳定性的直接信号。强烈的振动将影响水轮机组的正常运行，并降低机组的使用寿命；当振动引起厂房、压力管道的共振和机组出力波动时，机组则无法正常运行。因而，振动和摆度是评价机组运行状态的重要指标。对机组振动、摆度进行在线监测，有利于了解机组的特性，指导机组避开不稳定工况区运行。因此，对机组的振动和摆度进行监测是必不可少的。根据机组的特点，东风电厂状态监测系统配置了以下测点：

（1）摆度监测：在机组的上导、下导、推力、法兰和水导按+X和-Y方向分别布置2个传感器来测量大轴摆度，通过每处2个正交的传感器可以得到大轴的轴心轨迹，将上导、下导及水导三部导轴承处的轴心轨迹相连，可得到大轴空间运行姿态，用于分析导轴承存在的问题。摆度监测使用非接触式的电涡流传感器。但是，由于上导部位的励磁引线会对电涡流传感器造成干扰，所以，上导摆度的测量使用抗电磁干扰能力强的电容式传感器。

（2）振动监测：对于水轮发电机组来说，低频振动是其固有特性，也是机组状态监测系统测量的一个难点，需要高度重视。本系统采用低频速度传感器来测量机组的振动，其频率下限可达0.3Hz，可有效测量机组的低频振动。在测点布置上，系统在上机架、下机架、定子机架及顶盖处+X、+Y处各布置1个水平振动测点，在+X处布置1个垂直振动测点。

（3）定子铁芯振动监测：定子铁芯振动以电磁振动为主，主要关心振动中的100Hz成分。由于定子铁芯振动是高频振动，如果振动过大，会对发电机造成严重破坏。所以，对定子铁芯振动的监测具有重要意义。定子铁芯振动采用加速度传感器来测量，与其他类型传感器相比，此类传感器抗电磁干扰能力强，且适合测量高频振动。本系统在定子铁芯中部+X、+Y处布置2个水平测点，在定子铁芯上部齿压板上布置1个垂直测点。

（4）压力脉动监测：压力脉动周期性地作用在流道壁和转轮上，引起机组的振动。压力脉动是机组不稳定的重要因素，压力脉动过大会对机组及厂房构成严重破坏。因此，测量压力脉动具有重要意义。压力脉动的测量需要变送器具有很高的精度及反应速度。本系统选用具有高动态特性的压阻式压力脉动变送器，其动态响应特性小于0.5ms，能够准确测量机组的压力脉动。系统设置了蜗壳进口、导叶出口及尾水管出口3个压力脉动测点。

4.2气隙监测参数

当定、转子之间出现偏心，或者定、转子形貌不圆时，会造成定、转子之间空气间隙不均匀，导致磁拉力不均衡，从而引起机组振动。通过监测分析定、转子之间的气隙变化，可以监测分析定、转子结构的动态特性，从而准确判断异常状况，排除隐患，避免造成损失。系统在定子内壁的上部和下部分别布置了4个气隙传感器，对定、转子上部和下部气隙进行监测。可以监测的内容包括：定、转子圆度、最小气隙及定子蠕变和转子磁极伸长等。

4.3工况参数监测

水轮发电机组为多工况运行，在不同工况下，其状态差别较大。要想准确把握机组状态，就必须区分机组的运行工况。2012年以前，大多功况参数均采用通讯方式从监控系统获得，数据的实时性较差，导叶开度采用分支器与监控用导叶开度共用，导致信号不真实，为确保工况参数的真实、准确，2012年对该系统进行了完善，系统通过硬接点方式直接从监控系统现地采集装置采集机组有功功率、无功功率、励磁电流、励磁电压、导叶开度、水头信号，从发电机出口开关现地控制柜采集发电机出口断路器信号，从超声波测流装置上采集4～20mA流量信号。同时，为全面分析机组状态，系统还通过串口通讯方式从监控系统中获取瓦温等信号，这些可靠信号的获得为系统的辅助分析起到了较大的作用。

5系统功能

5.1实时监测

通过主视图、棒图、表格、波形图、频谱图、圆度图等图表，实时显示系统的监测参数，便于相关人员及时了解机组各部的运行状态。当监测的参数达到报警条件时，系统发出报警信号。除了本系统有鲜明的提示外，还可以将报警信号通过硬节点传送到监控系统。此外，当系统监测到某个参量在不断变坏时，还会发出预警信号，提示有关人员注意。

5.2数据分析

通过相关趋势图、瀑布图、级联图、轴系图、轴心轨迹图等图表，对历史数据进行分析和挖掘。可分析机组各个部件状态的发展趋势，以及机组在不同工况下的状态。为检修提供依据。

5.3优化运行

系统能综合机组设计参数和运行规范，通过对机组实际振动、摆度特性的掌握，分析机组不同工况下振动区变化规律，指导机组避振运行；通过对水力能量参数（效率、耗水率等）在不同工况下的特性曲线的掌握，指导机组在最优工况区运行，实现机组的最佳经济性能。

系统通过一定时间的数据积累后，能自动统计各个工况下的参数，并根据这些参数生成实际运行的运转特性曲线图，明确不稳定运行工况区和特殊振动区，从而指导机组尽可能避开危险工况区，实现优化运行。

5.4性能试验

系统充分考虑水轮发电机组性能试验的需要，并做针对性的设计。系统可根据自动采集的转速、负荷、励磁电流、发电机出口开关、励磁开关等工况参数，自动判断机组的运行工况，从而可自动采集和存储试验期间的所有数据。每次试验完毕后，系统能够自动分析和处理相关试验数据，提取量化分析数据和曲线，利用系统提供的自动状态分析报告软件，可以方便地生成各种性能试验报告。

5.5运行检修维护指导和评价

系统可根据机组各部件运行状态，利用系统提供的各种专业分析工具，辅助分析异常原因，并根据分析结果指导机组运行检修。系统还能对比机组检修前后的历史数据，直观评价检修效果，或通过检修后的各种机组常规试验数据，综合评价检修后机组各部件特性。

5.6自动状态分析报告

系统提供一套自动状态分析报告生成软件，可以自动生成各种状态分析报告，便于用户了解和掌握机组的运行状态，指导机组检修和优化运行。自动状态分析报告生成软件结合了相关自动诊断技术和分析工具，自动选取相关的数据进行计算和判断，以易于理解的文字及图表等方式，将机组状态分析结果展示在报告中。系统可自动生成的报告包括：实时状态分析报告、定期分析报告、性能试验报告、检修评价报告等。

5.7故障诊断

系统提供一套针对水轮发电机组运行状态进行分析诊断的专家系统，能对水轮机、发电机等多设备进行故障诊断。故障诊断系统包括报警预警平台、在线自动诊断程序、自动诊断知识库、分析诊断工具和诊断规则等。报警预警平台能在线自动捕获状态的变化，并触发在线自动诊断程序；自动诊断程序通过提取故障诊断专家库的诊断规则，结合当前数据及历史数据对机组状态进行分析诊断，得出结论并形成报告。系统的诊断知识库具有开放性，可根据机组的实际运行状态及特点不断进行修正，从而提高故障诊断的准确度。

5.8系统通讯

系统提供对外接口，可与电厂计算机监控系统、生产系统或其他系统实现数据通讯和共享。系统通过单向网络隔离装置与电站生产信息管理系统连接，可将测量得到的机组摆度、振动、压力脉动、气隙等参数发布到电站生产信息管理系统中，使得有关人员在办公室就可以浏览和分析数据。系统通过RS232/485接口与计算机监控系统进行串行通讯，从监控系统获取诸如瓦温、油温、定子温度等参数，以便对数据进行综合分析。

6数据采集及管理

6.1数据采集

系统具备完备的数据采样功能以保证系统能够全面准确地记录机组的状态数据，所有数据采集均能自动完成，不需用户干涉。系统自动根据相关工况参数判断机组为过渡过程（启停机、过速、甩负荷等）、暂态过程（并网/解列、励磁调节、负荷波动等）、稳态过程和故障状态，并根据机组状态采用相应的数据采集策略。

对于稳态过程，为准确获取相关参数的相位和频谱特征，系统采用整周期采样方式，连续采样8周期，每周期采样256点。采用整周期采样技术，可提供精确的频率分布和对应的幅值，为准确分析和故障诊断提供技术保证。

对于其他状态，系统采用连续录波方式，分辨率为1ms。连续录波过程由系统根据工况参数变化自动触发，不需人工干预，采样时间也由系统根据工况变化自动判断。

当有参数报警时，系统还会自动存储报警前、后5min的数据，便于对报警进行分析和诊断。

6.2数据管理和存储

机组状态监测系统需要采集和处理大量数据，数据存储和管理策略是其核心技术。传统的机组状态监测系统使用关系数据库来处理和存储数据。关系型数据库的设计重点在于解决并发查询性能，数据不进行任何压缩，因此，用于存储机组状态在线监测系统的大容量数据时，占用大量存储空间，存取效率低下，数据库可靠性低。传统的机组在线监测系统为解决这个问题，采取稀疏记录的办法，即数据不是全部存储，而是选择其中的少部分进行存储。这直接导致丢失很多有用的状态数据。

东风发电厂机组状态监测系统采用先进的实时数据库来管理和存储机组状态数据。实时数据库可支持多达10万个测点，适合工业拥有大量测点的现场；同时，数据库采用高效的数据压缩技术，压缩比可达100：5，能够存储大量数据而占用小的存储空间，可以长期、不经过稀释地存储机组状态原始数据、特征数据等。此外，实时数据库还具有关系型数据库无法比拟的读取速度，大大提高了数据的读取效率，为后续的数据应用和挖掘提供坚实基础。

7预警及报警策略

报警是机组状态监测系统的常规功能，即当监测量超过设定限值后发出报警信号。由于水轮发电机组的运行工况比较复杂，不同工况下机组状态变化很大，用一个限值来判断是否报警显然欠妥，容易产生误报警和漏报警。东风发电厂机组状态监测系统根据机组的实际运行工况，按水头、负荷等工况将机组运行状态分成不同工况，各工况单独设定报警值，这样能大大提高报警的准确性，防止误报发生。

预警是指状态监测系统根据监测到的有关参数的变化，在报警之前提前发现机组缺陷或故障，给出预警信号。系统采用趋势预警和样本预警技术来进行预警。趋势预警指当某一参数在同一工况下变化趋势大于设定值后发出预警提示；样本预警技术采用海量数据比较技术，将当前数据与该工况下样本数据进行比较，通过分析当前数据和样本数据的幅值及频率差别来发现异常并发出预警信号。

基于工况的报警和预警技术可充分满足水轮发电机组运行工况变化频繁的特点，可以有效实现机组异常现象的早期预警提示和故障报警。

2012年以前，该系统只有8路报警输出，不能清楚准确的监视相关监测点的预警状态，2012年，东风电厂对该系统进行完善，系统可提供40路报警继电器空接点信号输出，可以将报警及预警信号发送给其他系统（如监控系统等），每个继电器输出均可通过软件进行逻辑组态，以确保系统的报警输出符合现场机组的运行特点。当机组出现报警/预警时，系统以醒目的颜色变化提示相关人员注意，同时，系统根据相关报警信息提示相应的处理意见和可能的故障。系统所有报警事件均会自动存储，用户可以通过事件列表调取事件记录。报警和预警平台流程图如图2。

图2报警和预警平台流程图

8系统维护

机组状态监测系统的稳定、可靠运行并切实发挥其应有的作用，除了要有可靠的设备外，还必须对系统进行必要的维护和检修。东风发电厂高度重视机组状态监测系统的检修维护工作，建立相应的管理体制，不断提高检修维护水平，确保系统长期稳定运行。

（1）指定专门人员来管理和维护系统。这样可以提高相关人员的责任心，使得他们可以更加深入了解和熟悉系统，不断提高自身对状态监测系统的认识和维护水平，从而更好的维护系统。

（2）定期进行巡检。除了运行人员定期对设备进行巡检外，相关维护人员也定期对系统进行检查。通过系统自诊断功能检查系统各个环节的状态，尤其是各个传感器、数据采集箱、状态数据服务器、网络通讯状态以及工作电源等，及时发现和排除故障，确保系统稳定运行。

（3）纳入技术监督管理，按照相关规范，拟定检定计划，与有资质的检定单位签订合同，定期对测量通道精度、传感器灵敏度及线性度等重要技术指标进行校验，对不满足要求的传感器进行修理或更换，确保采集数据真实性及可靠性，从而真实反映发电机组的健康状态。

参考文献：

[1]王昌长.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]北京华科同安监控技术有限公司.东风发电厂机组状态监测及故障诊断系统技术方案[Z].

中图分类号：TP277

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）04-0026-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.008

收稿日期：2015-01-26

作者简介：江雨（1973-），女，工程师，从事水电企业生产管理工作。