沙河抽水蓄能电站机组振摆监测保护系统国产化改进及应用

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(1.江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213300; 2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

水电作为清洁能源，在现代能源生产中占有极为重要地位。水轮机和发电机，合称为水电机组，是水力发电厂的关键设备。近年来，随着对水电站安全运行的要求逐步提高，水电机组状态监测也越来越受到用户重视。

水电机组状态监测的主要内容是振摆(振动和摆度，简称振摆)监测及保护[1]。水电机组产生机械振动的原因很多，除了水电机组产品缺陷、安装缺陷、运维不当等原因外，负荷异常也可能产生较大振动。振动是一个多因素、多维度的合成作用的效果。

1 工程及监测设施概况

江苏沙河抽水蓄能电站总装机容量为100MW，包含2台50MW水电机组，每台机组安装有一套水电机组振摆监测系统，具体情况如下：水轮机振摆监测点设有水导X轴摆度、水导Y轴摆度、尾水管振动、顶盖振动共4个监测点，通过JM公司数显装置实现监测与保护功能。发电机振摆设有上机架振动3点、下机架振动3点、上导摆度2点、下导摆动2点共10个监测点，通过VC4000在线监测装置实现监测与保护功能。

该系统运行多年，主要存在以下问题：现有振摆监测缺乏后台分析系统，分析功能欠缺；装置记录振摆数据不完整，故障时不能触发录波，给分析带来困难；监测保护功能不完善。某些测点在开停机过程中测量数据失真，严重偏离实际，只能退出运行。

为此，需要研制一套新的系统，以提高电站水电机组稳定性监测水平，保障电站主要设备安全稳定运行。

2 水电机组振摆监测保护系统构成

水电机组振摆监测保护系统，一般由前置振动和摆度传感器、振摆监测保护装置、振摆监测保护后台软件几部分组成[2-4](见图1)。

图1 振摆监测保护系统结构

2.1 现地安装振摆监测保护装置及工控机

装置负责信号采集、数据预存储、保护计算；工控机安装振摆监测就地分析软件，接收保护装置的数据，负责单台发电机组的振摆保护数据存储、数据显示(波形、报文等)、数据分析(具备简单的振动分析功能)。监测保护装置可进行报警或跳闸继电器输出，预留接口，后期可接至机组监控系统。

2.2 中控室安装状态监测服务器

接收该站多台水电机组的振摆数据，构建数据库，完成大容量数据存储、数据检索、数据分析显示、专家系统等功能建设；上位机后台软件可对水轮发电机组的振动、摆度、轴向位移、压力脉动等状态监测参量以及相应的工况参数和过程量参数进行实时采集和监测，并能以结构图、棒图、表格和曲线等形式进行显示，实时动态显示所监测的数据和状态，机组信息和状态一目了然。包括实时波形图、轴心轨迹、空间轴线、日趋势图等展示形式。

后台软件还具备高级分析等离线功能：提供时域波形分析、频域分析、轴心轨迹图、空间轴线图、瀑布图、趋势分析多种专业分析手段，分析机组的运行状态；提供相关性分析、瀑布图分析、连续波形等专业分析工具用于分析和评价机组在启停机、甩负荷、变励磁、变负荷等过渡过程中的状态。

振摆监测系统各传感器位置和类型的配置，遵循国家标准和行业标准[5]的相关规定。

3 振摆监测保护装置关键技术

3.1 浮动门槛越限判别

根据现场统计数据，可知在不同工况下，振动的数值差别很大，如水电机组落入振动区时，其振摆数据将会大幅提升；一旦跨越振动区，整个机组运行会比较稳定，振摆数据大大降低。此时，如果采用单一固定门槛，则在保证可靠性的前提下，某些工况下振摆越限定值的灵敏度将会大大降低。为此，需要对振摆越限判据进行优化。

优化后的报警判据采用非固定动作门槛值，根据水电机组的工况选择一种振动动作门槛计算方法，并计算出动作门槛值。其中，工况量可以为转速和功率中的任意一种。

3.1.1 转速工况

当水电机组的转速在较大范围内波动时(比如水电机组在启机过程中，选取转速为工况量)，设备的振动信号在转速Si处出现了一个极大值，为躲过这个极大值，在转速Si的两边选择了Si-1和Si+1两个转速点，并拟合了2条曲线将振动信号的最大值包络进来。

在水电机组的转速最小值S0到转速最大值Sm范围内，将转速划分成ψ段，其中第i段的动作门槛方程如下：

Vset.float_i=aiS+biSi-1

(1)

式中Vset.float_i——第i段折线动作门槛；

S——旋转设备实测的转速；

Si-1，Si——第i段折线两端对应的转速值，通常由旋转设备振动信号随转速的振动特性决定；

ai——第i段折线浮动系数；

bi——第i段折线振动越限起始门槛。

式(1)对应的基于转速工况的振动特征量动作曲线见图2。

图2 基于转速工况的特征量动作曲线

3.1.2 功率工况

当水电机组的功率在较大范围内波动时(此时选取功率为工况量)，设备的振动信号在功率Pi处出现了一个极大值，为躲过这个极大值，在功率Pi的两边选择了Pi-1和Pi+1两个功率点，并拟合了2条曲线将振动信号的最大值包络进来。

在水电机组的功率最小值P0到功率最大值Pm范围内，将功率划分成ψ段，其中第j段的动作门槛方程如下：

Vset.float_j=cjP+djPj-1

(2)

式中Vset.float_j——第j段折线动作门槛；

p——旋转设备实测的功率；

Pj-1，Pj——第j段折线两端对应的功率值，由旋转设备振动信号随功率的振动特性决定；

cj——第j段折线浮动系数；

dj——第j段折线振动越限起始门槛。

式(2)对应的基于功率工况的振动特征量动作曲线见图3。

图3 基于功率工况的特征量工作曲线

3.2 基于相关性的通道自检

基于相关性的通道自检，其步骤为：振动监测保护装置依据各通道对应测点的位置和水电机组特性，获得各通道的相关系数，根据工程经验设定其权值；振动监测保护装置实时监测各通道的振动数据，并检查其变化趋势是否符合通道相关性约束；某个通道振动信号异常增大或减小，其相关的其他通道振动信号无任何变化，连续多次，则可判定该通道异常，包括传感器的异常和装置采样通道的异常。

3.2.1 相关系数设定

振动监测保护装置依据各通道对应测点的位置和旋转设备特性，获得各通道的相关系数，根据工程经验设定其权值。以测点A的X向通道相关系数的设定举例，设定过程如下：

(3)

式中Ki——测点i的X方向测点和测点A的X方向相关系数，取其测得信号一段时间T内的平均值、最大值、最小值的比率系数最大值；

Vipp.ave.x，Vipp.max.x，Vipp.min.x——时间T内测点i的X方向信号最大值，最小值和平均值；

i——为测点序号，取值从1到N。

3.2.2 通道异常判别

振动监测保护装置实时监测各通道的振摆数据，并检查其变化趋势是否符合通道相关性约束。具体如下：

(4)

式中Y函数——测点A的X向振摆信号受到的相关通道约束，由测点A的-Y向振摆信号变化值|ΔVpp.ave.Y|及测点i的X向振摆信号变化值|ΔVipp.ave.X|决定；

K0，Ki——测点A的-Y方向和测点i的X方向的相关系数；

β0，βi——测点A的-Y方向和测点i的X方向的权重系数，i取值从1到N。

某个通道振摆信号异常增大或减小，超过其相邻通道的相关性约束，连续多次，则可判定该通道异常，提示运行人员进行相关处理。

|ΔVpp.X|≥Y

(5)

n≥nset

(6)

式中 |ΔVpp.X|——测点A的X方向振摆信号变化值；

N——超过限值范围的次数；

nset——越限次数定值。

3.3 基于工况识别的通道自检

基于工况识别的通道自检，其过程如下：

振动监测保护装置检索各测点历史振动数据，根据工程经验设定各测点振动信号的正常阈值范围；振动监测保护装置检测水电机组当前辅助触点及运行状态信号，准确判别其运行工况；水电机组处于不同运行工况时，实时检测其振动数值是否超出各测点传感器对应的振动信号正常阈值范围，灵敏反应振动信号的通道异常，包括传感器的异常和装置采样通道的异常。

3.3.1 振动信号阈值设定

检索各测点历史振动数据，根据工程经验设定其振动信号的正常阈值范围。

(7)

Vpp.set1=Vpp.ave-k×Vpp.ave

(8)

式中Vpp.i——某一运行工况某一时刻下，测点对应的历史振动信号值；

Vpp.ave——测点在某一运行工况下历史振动信号的平均值；

Vpp.const——测点对应的振动信号某一运行工况下的固有值；

k——偏离均值的系数，一般取0.1～0.2；

Vpp.set1——某一运行工况下，根据历史数据获得的测点振动信号阈值。

3.3.2 运行工况识别

水电机组振动监测保护装置根据各种运行参数和辅助触点位置，准确识别水电机组的运行工况。

a.导叶处于关闭位置且无励磁电压，则水电机组处于静止状态。

b.导叶打开，水轮机转速变化，则水电机组处于空载无励变转速工况。

c.导叶打开，水轮机转速达到额定转速，励磁电压变化，则水电机组处于空载额定转速变励磁工况。

d.水轮机转速达到额定转速，励磁电压额定，机端断路器或主变高压侧开关处于合闸位置，有功功率变化，则水电机组处于带负荷变负荷工况。

e.导叶关闭，励磁电压额定，机端断路器或主变高压侧开关处于合闸位置，有功功率为一较小的负值，无功功率大范围变化，则水电机组处于调相运行工况。

其流程见图4。

图4 运行工况判别流程

3.3.3 通道异常判别

实时检测各测点的振动信号，并结合运行参数确定水电机组当前的运行工况，再与历史数据库中对应运行工况下同一测点振动信号正常阈值进行比较，连续多次超出正常范围则发出“测点X振动通道异常”报警，提示运行人员处理。

Vpp.k

(9)

n≥nset

(10)

式中Vpp.k——某运行工况下测点的振动信号实测值；

n——某运行工况下低于限值的次数；

nset——越限次数定值。

某工况下，测点信号小于振动信号下限值，连续多次，则装置判定该振动监测通道异常。

4 结 语

该机组振摆监测保护系统基于南瑞继保新一代继电保护系统硬件平台开发，综合应用了浮动门槛判据，基于相关性和工况识别的振摆监测保护通道异常自检方法等，提高了装置进行振动故障监测的可靠性和灵敏度；后台分析软件功能完备，操作简便，减少了分析工作量，提高了现场故障分析工作效率。

该系统已在江苏沙河抽水蓄能电站投入实际运行一年多。2017年7月21日16时11分左右2号机组导水叶故障时，水电机组振摆监测保护系统正确动作，借助后台系统的分析功能，快速查明了故障原因。

[1] 刘晓亭，冯辅周.水电机组运行设备监测诊断技术及应用[M].北京:中国水利水电出版社，2010.

[2] 张炜,甄辉.在线监测技术在平班水轮发电机组的应用[J].水电自动化与大坝监测，2010，34(3):26-29.

[3] 李天智，张英.三峡左岸电站机组状态监测故障诊断系统分析[J].水电自动化与大坝监测，2007，31(2)：29-32.

[4] 朱浩，徐建松，郑慧娟.水轮机组模块化状态监测装置[J].水电自动化与大坝监测，2011，35(3)：37-40.

[5] GB/T 28570—2012水轮发电机组状态在线监测系统技术导则[S].北京：中国标准出版社，2012.

[6] DL/T 1197—2012水轮发电机组状态在线监测系统技术条件[S].北京：中国电力出版社，2012.