大型泵站设备远程状态监测系统的研究与开发

(1.南水北调江苏水源公司，江苏省泵站工程技术研究中心，江苏 南京 210098；2.河海大学能源及电气学院，江苏 南京 210098)

大型泵站所具有的潜在安全问题既是一个复杂的技术问题，也是一个日益突出的公共安全问题，受到国家、社会的广泛关注。截至2014年底，我国已拥有大、中、小型固定灌排泵站50余万座，其中大型泵站共383座(江苏250余座)，装机总功率达449万kW；承担防洪排涝的泵站有269座，装机总功率222万kW。但与如此巨大的数量相比，目前我国大型泵站的安全管理技术水平还十分落后，自动化程度不高,监测分析滞后,评价手段单一，难以实时掌握泵站安全状态。为此，我国泵站机组正逐步实现“无人值班、少人值守”的管理模式，为了减少停机时间、降低维修费用，泵站机组检修模式正在逐步从“计划检修”向“状态检修”过渡。

状态监测是“状态检修”的重要组成部分，指的是通过自动化的仪表装置自动采集、显示设备的各种运行状态信息，并进行状态参数的越限报警。目前，设备状态监测的研究已经在国内逐步开展[1]，其中火电机组[2-3]、风力发电机组[4-5]、水电机组[6-7]等大型旋转机械的状态监测研究已取得一定的成果，与泵站机组具有诸多相似性的水电机组，已经广泛采用机组振动、摆度、绝缘等状态参数的在线监测[8-10]。从已开发和应用的水电机组状态监测系统来看，普遍具有较好的监测和分析功能。但是，由于大型泵站机组其自身所具有的特点，这些系统并不能完全适用于泵站机组，目前对大型泵站机组设备远程状态监测的研究仍然处于探索阶段[11-12]。

针对大型泵站机组自身的特点，为了满足泵站监测的需要，研发了一套泵站设备远程状态检测系统，以数据采集卡、信号调理电路和各类高精度传感器为硬件设备，准确测量水力机组的振动、摆度、压力脉动、定转子气隙、发电机(电机)磁场强度等物理量，同时获取计算机监控系统的相关监测数据信息，为机组建立功能全面、实用性强的故障诊断分析系统提供数据基础。

1 监测系统结构及组成

监测系统结构图(见图1)是按照全监测内容绘制的厂站侧监测系统网络拓扑图和系统结构组成图,整个系统是基于B/S模式。

a.监测系统由上下位机两部分组成，上位机系统包括数据服务器、WEB/应用服务器、网络设备，下位机系统由现地盘柜和传感器组成。

b.安装在机组各部位的传感器将各种物理信号转化为电信号，传送到各状态监测子系统，各子系统将这些信号采集和处理，得到反映机组运行状态的各种特征参数、曲线、图表等，统一存储到状态数据服务器。

c.数据服务器还会自动运行分析和诊断软件，定期提供状态检查日志、状态发展趋势，自动存储用于跟踪分析的监测数据等。

d. WEB应用服务器主要用来发布数据服务器中的数据、分析结果、诊断结果，以满足电站侧用户对监测的需要，包括与本地或者远程的监测、分析、诊断、维护工作站的交互。同时，还要定期向远程监测中心监测数据、趋势以及有故障的实时数据等。

图1 监测系统结构

e.工程师站完成在线监测系统的维护、数据管理等功能。

厂站侧Web/应用服务器，通过专用网络通道向集控中心远程监测中心网络中的监测中心通信服务器传送数据。

f.网间通信采用光纤及超5类双绞线实现连接。

为保证各个网段之间的连通性以及支持Internet或者Intranet，通信协议使用TCP/IP。

g.在厂站侧，任何接入泵站局域网的用户终端都可以通过WEB/应用服务器访问在线监测系统的全部实时数据和历史数据，实现监测、分析诊断。

h.监控系统或现场仪表与数据服务器通过RS485/RS232接口或者以以太网方式连接，由监控系统采集的流量、温度、压力、水位等信号送给本监测系统，完成统一的分析诊断。

2 基本监测内容

2.1 机组运行稳定性监测

2.1.1 机组运行稳定性监测

监测内容包括以下几个方面：

a.各导轴承摆度：上导摆度、下导摆度(或推力轴承摆度、法兰摆度)、水导摆度。

b.机架和结构振动：含上机架水平振动及垂直振动、定子基座水平振动和垂直振动、下机架水平振动及垂直振动、顶盖水平振动及垂直振动。

c.压力及压力脉动：含蜗壳进口压力及压力脉动、导叶出口压力及压力脉动、顶盖下压力及压力脉动、尾水管进口压力及压力脉动。

2.1.2 定转子空气间隙监测

监测内容包括各磁极气隙、定子圆度、转子圆度、定转子相对偏心、最小气隙、最大气隙等。

应用于磁极松动检查、定转子变形检查、定转子移位检查、磁轭浮动判定、气隙不均匀量化评价。

2.1.3 定转子间磁场强度监测

监测内容包括磁极的磁场强度、磁场不均匀度。

应用于磁回路故障判定、匝间短路判定、磁极松动判定、磁轭浮动判定。

2.1.4 机组运行工况参数

监测内容包括机组有功功率、无功功率、机组励磁电流、电压、导叶接力器行程、桨叶开度、机组出口断路器位置信号。

2.2 系统测点选择

以洪泽湖泵站设备运行状态监测为例，系统测点及其位置介绍如下。

2.2.1 传感器/变送器测点

机组振动摆度/压力监测测点见表1，机组定转子空气间隙监测测点见表2，定转子间磁场强度监测测点见表3。

表1 机组振动摆度/压力监测测点

表2 机组定转子空气间隙监测测点

表3 定转子间磁场强度监测测点

2.2.2 测点布置图

测点布置如图2所示。

图2 测点布置图

2.2.3 需要从监控系统或现场仪表输出的参数

包括油温、瓦温、上游水位、下游水位、定子温度等；这些信号对某些状态的监测也是至关重要的，这些参数一般情况下由监控系统负责采集，在线监测系统可通过与监控系统的通信获得这些信息。

3 实验及结果分析

根据上述研发思路，布置好监测点和传感器，完成远程泵站状态监测系统的设计，并通过一系列的实验测试了系统的功能性和稳定性。将转速信号和振动信号分别送入计算机，经过计算机的处理与分析，得到了信号波形图、频谱图、瀑布图、趋势图和轴心轨迹图，如图3～图7所示。

通过图3～图7分析研判，可以看到机组在稳定运行。该在线监测系统提供丰富直观的、可组态的多个监测画面，从不同的角度，分层次展现机组的状态信息，满足了大型泵站状态监测系统的基本要求。

4 结 论

该泵站机组状态监测系统对象包括机组的振动、摆度、压力脉动、能量与效率、发电机气隙、局部放电、磁通量、线棒振动以及机组各导轴承瓦温、油温、定子温度等参数。泵站机组安全运行监测技术利用监测设备和评估手段，对泵站机组的运行状态进行监测，实时了解机组的运行参数、当前工作状况，对机组运行状态进行评估，并及时发现故障隐患，对异常状态报警，为机组的故障分析、性能评估、安全工作提供信息和准备基础数据。

图3 监控系统的波形图

图4 监控系统的频谱图

图5 监控系统的瀑布图

图6 监控系统的趋势图

图7 监控系统的轴心轨迹图