水电机组状态监测与故障诊断系统

刘小云

（五凌电力有限公司，湖南长沙 410004）

1 水电机组状态监测与故障诊断系统组成

水电机组状态监测与故障诊断系统网络如图1所示，通过采集、分析、处理及存储水电机组的各类信号，数据采集器能够提取机组运行状态的特征参数，对机组故障进行预警和报警，并且通过网络将所得到机组状态数据传输给状态数据服务器及镜像数据服务器，以便进一步对机组的运行状态进行诊断。

除了与GPS和监控系统进行通信外，状态数据服务器还负责管理和存储从各数据采集箱传输而来的水电机组历史状态数据、实时状态数据和特征数据。除了与MIS系统进行通信，镜像数据服务器也负责管理和存储从各数据采集箱传输而来的水电机组历史状态数据、实时状态数据和特征数据，存储的数据可以和状态数据服务器互相备份。

图1 水电机组状态监测与故障诊断系统网络

整个系统的状态监测内网由各数据采集站和状态数据服务器构成，而状态监测内网与镜像数据服务器间设有单向网络隔离装置，以此确保数据的单向传输，即智能由状态监测内网流向镜像数据服务器。在MIS网和镜像数据服务器件设有硬件防火墙，在保证网络透明性的同时，实现了对非法信息的隔离。工程师工作站供现场工程师对机组数据进行监测和分析。WEB服务器用于进行状态监测相关网页发布。MIS网用户可以通过IE浏览器登录WEB服务器浏览相关网页，实现对机组状态的监测和分析。同时，WEB服务器还可以将数据通过Internet传送到远程诊断中心，从而实现远程分析和诊断。

2 水电机组状态监测与故障诊断系统功能划分

系统的功能不应该只简单地定位为对水电机组故障的诊断和分析，要在安全运行和指导检修等方面发挥作用。具体说来，水电机组状态监测及故障诊断系统应具有6个功能。

（1）机组运行状态的实时记录、监测和分析。通过对诸如压力脉动、大轴摆度等机组稳定性参数的实时采集、计算、分析和特征提取，系统能够将处理后的数据以棒图、结构示意图、曲线和数据表格等形式在数据采集站、工程师站以及网络所关联的有关工作终端上进行显示。

（2）基于水电机组运行状态的预警和报警。水电机组运行的状况比较复杂，受到安装条件、操作因素和地质条件等多种因素的影响，在不同运行状况下各个参数将会存在很大的差异，因此仅设定一个限值来决定系统是否发出警报是不太恰当的，容易产生误报警和漏报警的情况。鉴于此，系统将针对机组不同的运行工况来设定不同的限值，从而提高报警的准确性。此外，系统将根据所监测到的相关参数的变化，在报警发生前预先发现机组运行中存在的缺陷或者是故障，从而向操作人员发出预警提示。

（3）故障、缺陷的分析和诊断。无论是通过系统的预警功能发现水电机组潜在的缺陷，还是通过性能分析找到水电机组的故障，都需要采用适当的技术去深层次的挖掘故障和缺陷产生的原因。系统具有故障诊断模块和知识库编辑模块，向用户提供了丰富且直观的分析和诊断工具，确保用户能够通过故障诊断知识库来进行自动或者是人工咨询诊断，从而快速准确的定位故障原因。

（4）机组性能的评估和分析。系统能够对水电机组在线运行的各种数据进行准确地采集和记录，利用一系列性能分析功能，方便地实现机组大修后的各种常规试验，了解机组大修后的动稳态特性。与此同时，用户还可以通过系统定期制作的状态报告，随时了解机组运行状态的变化，便于用户全面掌握机组的性能和特性。

（5）指导机组的精细检修。通过采集水电机组的测试数据，能够便于用户对水电机组的运行状态进行全面掌握，确认机组是否处于最优状态中，通过对一些机组的精确调整来改善其运行状态，降低事故率。与此同时，利用系统记录的检修后各种相关数据，可以对检修效果进行综合分析，评价机组各部件的运行状态，这样当机组某个部件出现故障时，用户可以通过系统所提供的各种专家级分析工具，来辅助分析故障发生的原因，从而指导机组的精细检修。

（6）其他功能。除了上述功能外，系统还具有以下功能：诸如盘车轴线的测量、动平衡计算法等多种实用功能；在INTERNET/INTRANET上实现机组状态的远程诊断和管理，并能够与其他外部设备进行通信以实现数据的共享；对事故发生前10 min和事故发生后5 min的详细数据进行追忆；预览和打印；各种历史数据的存放按自动压缩方式进行，当数据存满硬盘后能够自动报警；完善的授权管理功能；防火墙功能；人机界面友好且汉化，非常容易操作和维护，并且具有在线帮助功能。

3 系统软件设计

3.1 预处理计算机

由于系统涉及的设备较多，需要采集的状态数据较多，因此要使用多台预处理计算机，它们所监测的内容和分析算法不同，但是数据处理的结构和流程都是一样的。为了确保整个网络系统是一致的，预处理计算机都采用WINDOWS2003平台，其最终数据结构主要包括：状态数据服务器为预处理计算机提高的少量配置数据、传感器采集的水电机组原始时域数据、经FFT算法提取出的特征数据。图2为预处理计算机的数据流。

3.2 状态数据服务器

状态数据服务器对特征数据进行存在，其各功能模块功能分明且独立开来。为了满足大规模数据仓库中的数据查询、数据分析处理、联机事务处理系统、在电力企业和Internet上发布数据的需求，系统采用SQL Server作为状态数据服务器的数据库软件，并且数据库接口采用双10/100/1000 M以太网接口。状态数据服务器中的数据，包括预处理计算机传送的数据和综合分析结果等数据。状态数据服务器中的数据原始数据，能够反映出水电机组正规寿命周期的运行状态，但是数据的密度可能比较小，其中的特征量数据均是以趋势曲线的形式来存储的，但密度较低。

图2 预处理计算机的数据流

3.3 WEB服务器

为了确保用户在任意客户端都能够获得一致的服务，系统的设计采用Web/Server模式。采用Web/Server模式，现场用户、电厂MIS用户和远程用户，都可以通过Microsoft IE网络浏览器进行监测和分析，从而获得WEB服务器的监测、诊断、分析和系统维护服务。在水电厂局域网内，WEB服务器主要提供2个功能：一是发布WEB页面，确保不同的终端用户都能够直接通过IE浏览器来对WEB服务器进行访问；二是提供监测、诊断、分析和系统维护服务。

3.4 用户终端

作为瘦客户端软件，用户终端上需要设置监测和故障诊断软件，其特点是在首次在指定网址下载后不需要安装就可以直接使用。监测和故障诊断软件可以自动下载监测画面文件，并且能够自动实现与WEB服务器的数据通信，不断显示和刷新画面实时数据和曲线。用户终端不需要存储大量的数据，其所显示的数据都是通过WEB服务器从状态数据服务器获得的，因此可以将其视为WEB服务器的一个显示窗口。

4 结语

随着几座装机百万千瓦的水电机组相继投产，我国水电机组向着更大容量和更高水头的方向发展，这使得传统的计划检修和定期维修已经难以满足水电安全稳定生产的需要。相较于传统的计划检修和定期维修，状态检修极大降低了水电厂的成本，并且提高了其自动化管理水平，因此开发水电机组状态检修及故障诊断系统势在必行。

［1］肖涛.水电机组状态监测与故障诊断技术应用探析［J］.科技创新与应用，2015（12）:130.

［2］茹欣.水电机组在线监测及故障诊断技术研究［J］.农业与技术，2016（20）:60.

［3］代红，王成江.水电机组在线状态监测与故障诊断的现状与发展趋势［J］.中国电力教育，2011（30）:141-142.