智能水电厂主设备状态监测与状态检修技术浅析

潘伟峰，孙尔军，朱传古

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市 210003）

智能水电厂主设备状态监测与状态检修技术浅析

潘伟峰，孙尔军，朱传古

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市 210003）

智能水电厂主设备状态监测与状态检修是实现水电机组、变压器等主设备运行性态在线精确测量、健康状态评估及状态检修的技术保证，本文通过介绍智能水电厂及其设备状态在线监测与状态检修决策评估体系架构，完整阐述其三大应用组件——安全I区机组振摆保护、安全II区设备状态监测及管理信息大区状态检修决策支持的设备组成及关键功能部署要求，可为智能水电厂及常规水电厂主设备状态监测与状态检修各相关应用子系统的规划设计和建设改造提供借鉴。

智能水电厂；振摆保护；状态在线监测分析；状态检修决策支持；一体化管控平台；设备状态综合报告；DL/T 860

0 引言

水轮发电机组、电力变压器等主设备耗资巨大，其运行性态直接决定着水电厂及电网的安全性及调节能力。尤其是作为大型旋转设备的水轮发电机组，集“水、机、电”于一体，既承受相对缓慢的复杂非恒定水力冲击，又承受快速瞬变交流电磁场影响，故障种类及机理十分复杂，其运行性态在线精确测量及健康状态评估难度巨大。

研究水电机组监测、诊断与状态检修技术，建立相应异常预警、状态分析诊断与决策评估系统是当今水电运行保障技术发展的必然趋势，也是水电厂实施“状态检修”的重要保证。

智能水电厂“以信息数字化、通信网络化、集成标准化、运管一体化、业务互动化、运行最优化、决策智能化”为特征，可以实现“生产运行安全可靠、经济高效、友好互动”的水电厂发展目标，已成为当前研究应用的热点。

作为智能水电厂集成标准化及决策智能化的重要体现，设备状态在线监测与状态检修决策评估智能应用组件应实现以下主要目标：

（1）防止突发事故，保证机组运行安全。

（2）新投产或大修后试运行过程发现问题，优化机组特性。

（3）机组正常运行过程避开非正常状态运行，延长机组寿命。

（4）提高设备运行监测分析和健康诊断评估水平，为电厂技术监督、技改和状态检修的实施提供重要技术支撑。

1 智能水电厂设备状态在线监测与状态检修决策评估体系架构

DL/T 1547—2016《智能水电厂技术导则》[1]已于2016年1月发布，其系统架构如图1所示。

从图1（标粗虚线方框部分）可以看出，设备状态在线监测与状态检修决策评估应用组件主要包括以下三个部分：

（1）处于安全Ⅰ区的机组振摆保护单元。

（2）处于安全Ⅱ区的主设备状态监测单元以及状态在线监测分析高级应用软件。

（3）处于管理信息大区的主设备状态检修决策支持高级应用软件。

与此对应，提炼出智能水电厂设备状态在线监测与状态检修决策评估系统架构，如图2所示。

图1 智能水电厂系统架构图Fig. 1 System architecture of smart hydropower plant

图2 智能水电厂设备状态在线监测与状态检修决策评估系统架构Fig. 2 System architecture of equipments online monitoring and condition based maintenance decision &evaluation in smart hydropower plant

横跨安全Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的一体化管控平台、数据中心及其标准化数据同步通信总线为整个智能水电厂设备状态在线监测与状态检修决策评估智能应用组件的功能实现搭建了完整的数据传输高速公路及海量数据应用仓库，厂站层与单元层之间的信息交互应采用智能水电厂DL/T 860-MMS（IEC 61850-MMS）[2]标准数据通信总线。

2 机组振摆保护技术

2.1 设备组成及功能要求

随着俄罗斯萨扬水电站“8·17”事故的发生，作为水电站安全反措的关键技术手段之一，国内各大电源公司如国网新源和华能澜沧江公司均要求新建电站配置机组振摆保护装置，以便随时监控机组运行状态，发现机组长时间非安全区域运行引起的异常故障征兆，避免严重事故发生，保障机组安全稳定运行。

作为安全Ⅰ区的运行设备，智能水电厂机组振摆保护单元处于电厂单元层，用以实现机组运行过程中振摆测值的在线监视、越限报警及机组状态异常越限停机信号自动输出功能。

每台机组配置一套振摆保护单元及相应传感器，与传统机组状态监测测点丰富全面不同，其主要测点[3]为固定部件的结构振动及主轴摆度。

鉴于当前业内尚未具备过程层接入要求的智能型传感器产品，振摆保护单元仍采用传统I/O电缆与常规振动、摆度传感器相连，完成信号的采集计算与特征提取，通过内置的算法逻辑策略，判断机组当前运行状态，并通过厂站层MMS网发出振摆越限告警或保护停机信号；同时，振摆保护单元将机组振摆特征数据及当前运行状态等信息通过厂站层MMS网上传给安全Ⅰ区的一体化管控平台。

需要注意的是，当前现状下，智能水电厂机组振摆保护单元应同时保留传统开关量动作、振摆特征值4～20mA模拟量输出信号以及传感器原始信号的隔离缓冲输出接口。

机组振摆保护单元保持独立运行，当其发出越限停机动作信号后，为了避免甩负荷，一般由机组现地控制单元执行解列停机或负荷调整流程，而不直接动作于出口断路器。

2.2 机组振摆越限停机流程

机组振摆越限停机功能流程如图3所示，其报警及跳闸信号延时及定值整定应考虑水电机组正常开停机、额定负荷运行、振动区运行、甩负荷等不同运行工况特征。为了准确获知机组实时工况状态，振摆保护单元还应通过厂站层DL/T 860—MMS网或传统模拟量/开关量输入方式获取机组有功、转速、出口断路器位置、泵工况等信号。

关于机组振动、摆度报警阀值及停机阀值的设定，可参照GB/T 6075.5、GB/T 11348.5、GB/T 8564、GB/T 32584、GB/T 7894、GB/T 15468、GB/T 18482及DL/T 507等标准，结合各机组的安装或运行情况，经过一段时间历史数据的统计，采用专家、设备厂家和运维人员讨论的形式确认告警阈值和保护阈值。

图3 水轮发电机组振摆越限停机功能流程图Fig. 3 Vibration & swing over limit stopping alarm function flow chart of hydro generator sets

3 设备状态监测技术

3.1 设备组成

水电厂设备状态监测主要由水轮发电机组状态监测系统及变电设备在线监测系统组成，通过对机组状态监测量以及变电设备某个或多个状态的参数进行自动、实时、连续的监视和测量，来实现水轮发电机组及变电主设备主要部件的运行状态的在线监测、越限告警、专项分析与辅助诊断，一般由各类传感器、现地状态监测采集分析单元、上位机单元及相应网络设备组成。

智能水电厂设备状态监测所有软硬件设备均处于安全Ⅱ区，主要由处于单元层的机组状态监测数据采集单元、变电设备状态监测单元，以及处于厂站层的状态在线监测分析应用软件组成。

同样，基于目前市面上尚未有具备过程层接入要求的智能型状态监测传感器产品的现状，各类现地状态监测单元仍采用传统I/O电缆与常规传感器相连，将采集、计算、分析后的各类状态监测数据，通过厂站层MMS网上传给安全Ⅱ区的一体化管控平台。

机组状态监测单元主要采集振动、摆度、压力脉动、空气间隙、磁通密度、定子局放等状态监测量信号；需要注意的是，对于安全Ⅰ区振摆保护单元已安装的机组振动、摆度传感器信号，可采取由振摆保护单元的传感器原始信号的缓冲输出或专用信号隔离放大器获取，而不必再单独配置一套振摆传感器，尤其对于已建成的水电站智能化改造项目。

变电设备状态监测单元主要包括：变压器/电抗器状态监测单元、断路器/GIS状态监测单元及电容性设备/避雷器状态监测单元等，如图2所示。变压器/电抗器状态监测单元主要采集分析油中溶解气体、局部放电以及铁芯电流等信号，断路器/GIS状态监测单元主要采集分析SF6气体密度及微水、GIS室SF6气体泄漏、断路器机械特性、GIS局部放电等信号，电容性设备/避雷器状态监测单元主要采集电容型设备及金属氧化物避雷器绝缘状态参数。

3.2 软件应用架构

有别于传统的水电厂机组及变电设备状态监测上位机软硬件系统的独立部署，智能水电厂设备状态在线监测上位机软硬件系统应基于厂站层安全Ⅱ区的一体化管控平台软硬件系统进行统一部署。厂站层的状态在线监测分析应用软件应作为一体化管控平台安全Ⅱ区的一个功能应用组件进行设计和部署，其软件应用架构及其功能部署如图4所示。

部署于一体化平台的状态在线监测分析软件仅实现各类专业应用组件及高级应用组件，其基础应用及基础服务由一体化平台统一提供，不同前端监测单元所采集的数据由一体化平台数据中心实现统一数据管理及与其他系统间的统一数据共享，采用基于DL/T 860技术要求的标准化通信接口。

图4 基于一体化管控平台的状态在线监测分析软件应用架构及功能部署图Fig. 4 Application architecture and function deployment diagram of condition monitoring and analysis software based on Integrated management & control platform

图5 智能水电厂设备状态在线监测分析软件主要功能框图Fig. 5 Primary function block diagram of equipment condition monitoring and analysis software in smart hydropower plant

3.3 软件功能要求

智能水电厂设备状态在线监测分析应用软件应对水电厂设备的状态监测参量、过程量参数以及相应的工况参数进行实时监测，对监测数据进行长期存储、管理、综合分析，反映机组长期运行状态变化趋势，以数值、图形、表格、曲线和文字等形式进行显示和描述，并对水电厂设备异常状态进行预警和报警，其主要状态监测分析功能如图5所示。

4 状态检修决策支持技术

4.1 软件业务功能要求

作为管理信息大区主设备状态检修的高级应用软件，智能水电厂主设备状态检修决策支持系统[4]通过一体化管控平台统一的数据服务总线及汇总存储接口，实现计算机监控系统、现地在线监测装置/系统、生产管理系统等外部系统的数据访问，获取其反映设备健康状态的在线、离线特征数据及静态参数，结合设备管理对象建模[5]，实现设备数据存储、诊断分析、状态评价、风险评估[6]、检修决策维护建议和设备健康状态综合报告自动生成等功能，并将分析结论及决策建议传输给一体化管控平台，为水电厂设备状态检修提供决策支持。

一个完整的智能水电厂主设备状态检修决策支持系统功能模块应包括：数据获取、数据处理、监测预警、状态分析、状态诊断、状态评价、状态预测、风险评估及决策建议，其软件业务功能框图如图6所示。

图6 智能水电厂状态检修决策系统软件业务框图Fig. 6 Software function block diagram of condition based maintenance decision supporting system in smart hydropower plant

4.2 设备状态综合报告

为了对水电设备检修建议及设备检修维护计划的制定提供实用化的决策支持，最大限度地改善水电主设备检修过度和不足的问题，智能水电厂状态检修决策系统应能自动生成反映电站各主要设备状态分析、诊断、评估结果的综合报告，根据各主要设备状态量的数值和变化趋势，对其进行诊断分析、状态评价和状态评估，并最终得出设备的状态评价、风险评估、趋势分析、故障诊断及维修决策结果，对设备当前的健康状态进行多维度在线量化评估，从而构建满足于电厂全寿命周期资料管理体系的设备健康档案，对正常状态的设备提供延迟维修的建议，对异常状态的设备提供针对性的及时检修及缺陷处理策略。

图7 水电机组状态综合报告典型组成Fig. 7 Typical composition of comprehensive hydropower unit state report

设备状态综合报告组成内容应包括设备状态在线监测分析结果、专家系统诊断分析结果、设备状态评价结果和设备风险评估结果等。设备状态在线监测分析结果应包括机组稳定性状态分析、变压器油色谱状态分析、断路器SF6特性等，典型机组状态综合报告组成如图7所示。

作为设备定期体检健康档案及系统最终的输出成果，设备状态综合报告可由一体化管控平台统一存储管理，以方便生产管理系统等外部信息系统查阅调用，从而实现智能水电厂状态检修决策评估相关信息的有效互通互联。

5 结束语

作为智能水电厂集成标准化及决策智能化的主要体现之一，智能水电厂主设备状态监测与状态检修立足于智能水电厂一体化管控平台、数据中心及其高速数据总线的基础应用；通过部署横跨安全Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区机组振摆保护、设备状态监测及状态检修决策支持三大专业应用组件，构建统一的水电厂主设备状态监测、故障诊断及状态检修决策评估信息平台；通过发电机、水轮机、变压器、断路器等主设备统一设备对象、数据接入和状态评价评估建模，构筑设备状态主题数据中心，实现水电主设备状态数据的采集处理、特征计算、监测预警、统一汇总和存储，以及设备健康状态分析、故障诊断、状态评价、风险评估、趋势预测和检修决策建议，可为水电站设备的安全运行、异常预警及设备状态检修的实行提供全面技术手段。

[1] DL/T 1547—2016，智能水电厂技术导则. 北京：中国电力出版社，2016.DL/T 1547—2016，Technical Guide for Smart Hydropower Plant. Beijing： China Electric Power Press，2016.

[2] 彭志强，朱辰. IEC 61850在智能水电厂应用的相关技术.水电自动化与大坝监测，2011（04）：6-8.PENG Zhiqiang，ZHU Chen. Technical Research About Application of Intelligent Hydropower Plant Based on IEC61850.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2011（04）： 6-8.

[3] 夏洲，邰圣平，蒋克文，曹一凡. 水电厂机组振摆保护系统的设计和保护策略的探讨. 水电自动化与大坝监测，2013，37（04）：18.XIA Zhou，TAI Shengping，JIANG Kewen，CAO Yifan.Vibration Protection System Design and Protection Strategies Discussed for Hydropower Unit. Hydropower Automation and Dam Monitoring，2013，37（04）： 18.

[4] 潘伟峰，赵连辉，朱传古. 水电厂在线监测分析诊断与状态检修决策评估应用研究. 水电自动化与大坝监测，2012，36（05）：1.PAN Weifeng，ZHAO Lianhui，ZHU Chuangu. Application Research on Assistant Decision and Evaluation for Condition Monitoring and Condition Based Maintenance in Hydropower Plant. Hydropower Automation and Dam Monitoring，2012，36（05）： 1.

[5] 潘伟峰，麻志成，朱传古.水电主设备状态评价建模关键技术研究.水电站机电技术，2016，39（08）：53-54.PAN Weifeng，MA Zhicheng，ZHU Chuangu. Research on Key Modeling Technologies of State Evaluation for Hydropower Main Equipments. Mechanical & electrical Technique of Hydropower Station，2016，39（08）： 53-54.

[6] 郭壁垒，李冰，常禹.基于状态评价的水电厂设备风险评估系统[J].计算机应用，2013，33（S2）：105-107.GUO Bilei，LI Bing，CHANG Yu. Risk assessment system of hydropower plant based on condition evaluation. Journal of Computer Applications，2013，33（S2）： 105-107.

2017-04-24

2017-05-25

潘伟峰（1977—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：水电厂主设备状态监测与状态检修、水电厂自动化。E-mail：panweifeng@sgepri.sgcc.com.cn

孙尔军（1978—），男，硕士，工程师，主要研究方向：水电厂自动化及水电机组状态监测检修。E-mail：sunerjun@sgepri.sgcc.com.cn

朱传古（1982—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：水电厂自动化及水电机组状态监测检修。

Brief Discussion on Condition Monitoring and Condition Based Maintenance Technology of Primary Equipments in Smart Hydropower Plant

PAN Weifeng，SUN Erjun，ZHU Chuangu
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China）

Condition monitoring and condition based maintenance of primary equipments in smart hydropower plant could provide the technical assurance of accurately online running state measurement，health state assessment and condition based maintenance for primary equipments such as turbine，generator，transformer，etc. This paper introduces the architecture of smart hydropower plant and its online equipments monitoring，condition based maintenance decision & evaluation components，elaborates the system composition and key function deployment requirements of its three main application components： over limit protection of Unit vibration，equipments condition monitoring and condition based maintenance decision supporting wholely. Thus，it also provides a comprehensive reference for planning，designing，constructing and reforming the correlated application subsystems of primary equipments’ condition monitoring and condition based maintenance in smart hydropower plant and general hydropower plant.

smart hydropower plant； vibration protection；condition monitoring and analysis； condition based maintenance decision supporting； integrated management & control platform；comprehensive equipment state report； DL/T 860

TK71

A学科代码：570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.006