基于灰色关联分析的水电机组振动故障诊断方案

于海涛

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

基于灰色关联分析的水电机组振动故障诊断方案

于海涛

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

针对辽宁省桓仁水电站计算机监控系统的机组振动故障诊断功能缺陷，提出了基于灰色关联分析的水电机组振动故障诊断方案。事实证明该诊断方案具有良好的实际应用效果，可以有效提高桓仁水电站机组检修效率。

灰色关联分析；振动故障；故障诊断

1 研究背景

1.1 桓仁水电站概况

1.2 2#机组稳定性试验结果

桓仁水电站2#机组在2012年进行了B类检修，检修后的运行过程中经常出现上导轴承瓦温度偏高的状况。为解决上述问题，需要对2#机组进行稳定性参数分析。由于桓仁水电站没有振摆监测设备，稳定性参数有现场试验测试的方法获得。试验内容包括转速试验、励磁试验和负荷试验。对稳定性试验的数据进行分析获得如下结论：试验过程中2#机组的上导摆度值维持在400 μm以上，超出二级警示值，其余部位的振动、摆度、压力以及压力脉动值均处于正常范围。根据相关研究结论，水电机组运行过程中的振动情况比较常见，且原因复杂多样，经常是几种因素叠加或相互抵消的结果。

2 故障诊断方案设计

桓仁水电站机组具备一定的状态监测功能[3]，但是WST-PLC型实时监控系统不具备故障自动分析功能。因此，应当选用一种合适的故障诊断方法，提出解决电站故障诊断的具体方案。

2.1 灰色关联理论诊断法

我国著名学者邓聚龙教授于1982年提出灰色关联理论，其优势是对数据样本的要求不高，在变量个数较多时计算工作量较小，获取信息与其他方法相比更为丰富等[4]。灰色关联理论诊断法的主要计算步骤如下[5]：

设系统的参考模式向量矩阵为X(R)，其表达式如下：

(1)

设系统待检模式向量矩阵为

(2)

今天的第二张照片是我的家乡，嘉善姚庄的桃源新村。10年前，这里作为嘉兴市“两分两换”的首批试点，率先实施这项新的土地改革政策。所谓的“两分两换”，就是把农民的宅基地和承包地分开，搬迁和土地流转分开，以宅基地置换城镇房产，以土地承包经营权置换社会保障。

(3)

式中:ξ为分辨系数，用ξ∈[0,1]表示，ξ取0.5。显然，不同的ξ值只影响关联系数的绝对值，而不影响其排列顺序。

(4)

2.2 故障诊断方案设计

桓仁水电站水电机组状态监测系统具有实时监测功能，可以获得准确的实时监测数据，但是并无机组振摆监测系统。根据水电机组稳定性理论分析，水电机组的振动和摆幅指标可以直观反映运行的稳定性，是机组稳定性监测的核心指标[6]。因此，结合故障诊断理论的相关成果，结合桓仁水电站的实际情况，设计出基于灰色关联分析的故障诊断方案。

(1)由于桓仁水电站无振摆监测功能，选取瓦屋山电站 1#机组的稳定性试验测试数据作为故障样本提取参数。

(2)依据灰色故障诊断法的数学算法进行分析计算。

(3)将灰色关联分析结果的故障实例样本作为桓仁水电站故障诊断特征样本，并在后续振动诊断过程中以该样本为基础逐步建立自身的故障样本库。

故障诊断方案的设计流程图如图1所示。

图1 故障诊断方案流程示意图

3 故障诊断方案在2#机组实际应用与效果分析

根据灰色关联理论诊断法和相应的故障诊断方案，选择桓仁水库2#机组的上导摆动、尾水管进口压力脉动、上机架振动、下机架振动、顶盖下压力脉动以及蜗壳进口压力等六个典型因素进行灰色关联分析，将分析结果与检修实际故障对比，分析方案本身的应用效果[7]。

3.1 以尾水管进口压力脉动为特征序列的分析结果

设尾水管进口压力脉动为特征序列[X0]，选取其余五个因素组成相关因素序列[X1,X2,…,X5]，利用公式(4)计算求出上导摆动、尾水管进口压力脉动、上机架振动、下机架振动、顶盖下压力脉动以及蜗壳进口压力等六个典型因素的灰色关联情况，计算结果如表1所示。由表格中的数据可知，尾水管进口压力脉动与上导摆度的灰色关联度最大，为0.72，说明尾水管压力脉动对上导摆度的影响最敏感；对蜗壳进口压力的影响次之，灰色关联度为0.69。因此，可以反推2#机组在上导轴承位置可能存在某种故障。

表1 以尾水管进口压力脉动为特征序列的灰色关联程度表

3.2 以顶盖下压力脉动为特征序列的分析结果

计算与分析显示，2#机组在上导轴承位置可能存在某种故障。为了进一步验证上述分析结果的准确性，特选取顶盖下压力脉动为特征序列进行灰色关联分析。设顶盖下压力脉动为特征序列[X0]，选取其余五个因素组成相关因素序列[X1,X2,…,X5]，利用公式(4)计算求出六个典型因素的灰色关联情况，计算结果如表2所示。计算结果显示，2#机组的顶盖下压力脉动对上机架振动、下机架振动以及上导摆动的影响排在前三位，灰色关联度分别为0.96、0.92、0.74，对尾水管进口压力脉动的影响排在最后，灰色关联度为0.60。显然，上机架振动、下机架振动以及上导摆动均属于机组的上部结构，而相关研究结论显示顶盖脉动压力与机组的轴向水推力波动存在直接关联[8]，因此，可以反推机组的主轴上部可能存在较大的偏移。

表2 以顶盖下压力脉动为特征序列的灰色关联程度表

3.3 以蜗壳进口压力为特征序列的分析结果

计算与分析显示，2#机组的主轴上部可能存在较大的偏移。为了验证分析结果的准确性，特选取蜗壳进口压力脉动为特征序列进行灰色关联分析。设蜗壳进口压力为特征序列[X0]，其余五个因素组成相关因素序列[X1,X2,…,X5]，利用公式(4)计算求出六个典型因素的灰色关联情况，计算结果如表3所示。计算结果显示，2#机组蜗壳进口压力对上导摆度的灰色关联度最大为0.77，说明其对上导摆度的影响最为敏感，其次是对上机架上部结构的影响，灰色关联度为0.73。此次分析结果进一步说明前两次计算分析结论的准确性。

表3 以蜗壳进口压力脉动为特征序列的灰色关联程度表

3.4 分析结果的实际效果验证

结合桓仁水电站2#机组稳定性试验后的B类检修情况验证诊断方案的实际效果。桓仁水电站2#机组属于悬式机组，其推力轴承位于上导轴承上。根据立式水利发电机组轴系稳定性理论，结合其构造特点对该机组的轴系运行进行分析，桓仁水电站2#机组上导轴承处的“三个中心”相对于下部有明显的位置偏移，可能出现的偏离情况如图2所示，从而造成整个轴系不能理想运行。因此，影响桓仁水电站2#机组稳定运行的主要原因是上导轴承故障进而主轴线上部偏移。由故障诊断方案获得的结论与实际检修中的处理结果完全一致。由此可见，本文提出的故障诊断方案准确可靠，具有较强的实用性。

图2 “三个中心”偏离示意图

4 结 论

结合桓仁水电站水电机组的运行实际，对机组故障诊断技术进行了探究。针对该电站2#机组的上导瓦温度偏高的情况，基于机组振动机理和灰色关联故障诊断法，提出了一种故障诊断方案，并得到如下结论：

(1)根据桓仁水电站计算及监控系统的故障诊断缺陷，利用灰色关联故障诊断法，提出了一种完善机组振动稳定性分析的故障诊断方案。

(2)经过三次选取不同的特征序列，对桓仁水电站2#机振动故障进行分析，结论与实际检修处理结果一致，说明故障诊断方案准确可靠，具有较强的实用性，在后续故障诊断工作中可以利用此次故障特征样本。

[1] 刘力,邹浩.浑江梯级水电站设计洪水复核分析[J].东北水利水电,2016(8):32-34.

[2] 张松松,朱宏鹏,金杰,等.桓仁水电站大坝坝基扬压力与渗流监测分析[J].水利科技与经济,2014(2):118-120，123.

[3] 刘晟,王波.桓仁发电厂计算机监控系统更新改造[J].水电厂自动化,2006(4):86-89.

[4] 毛冬焰.在“灰”色的世界里探索──邓聚龙教授访谈[J].统计与决策,1995(2):6-9.

[5] 刘海艳,郑慧娟,刘果.基于仿射不变线矩和改进关联度分析的水电机组轴心轨迹自动识别研究[J].水电与抽水蓄能,2016(2):14-17.

[6] Bo-Suk Yanga,Dong-Soo Limb.Andy Chit Chiow Tanc.An expert system for vibration fault diagnosis of rotating machinery using decision tree and decision table [J].Expert Systems with Applications,2005(28):735-742.

[7] 曹登峰,潘罗平,周叶,等.基于灰色联分析的水电机组振动影响敏感因子探究[J].水电厂自动化,2013(3):37-38，42.

[8] Peter W Tsea,Wen-xian Yangb,H Y Tama.Machine fault diagnosis through an effective exact wavelet analysis[J].Journal of Sound and Vibration, 2004(277):1005-1024.

Vibration fault diagnosis scheme of hydraulic generating unit based on grey relational analysis

YU Haitao

(LiaoningNorthwestWaterSupplyCo.,Ltd.，Shenyang110003，China)

Aiming at the computer monitoring system function defect of unit vibration fault diagnosis of Huanren Hydropower Station in Liaoning Province, a fault diagnosis scheme of hydraulic generating unit based on grey relational analysis was proposed. It is proved that the diagnosis scheme has a good application effect and can effectively improve the unit maintenance efficiency of Huanren Hydropower Station.

grey relational analysis; vibration fault; fault diagnosis

于海涛(1975-)，男，辽宁桓仁人，工程师， 主要从事水电站机组安装、检修与维护工作。E-mail：yht046@163.com。

TM623.7

A

2096-0506(2017)02-0064-04