基于智能诊断平台的发电机组故障诊断模块研究

孟繁欣 ，王振羽 ，张 蕾 ，左 建 ，寇鸣礼

（丰满大坝重建工程建设局，吉林省吉林市 132108）

0 引言

“中国制造2025”战略明确了“智能装备”“智能服务”“工业软件和大数据”“工业互联网”等关键技术的发展方向，发电公司对“无人值班”（少人值守）有迫切的需求，因此开发基于大数据的机组远程运维智能服务支持系统，打造智能电站，建立快速反映运维系统，开创以信息深度自感知、智慧优化自决策为特征的电站运维管理新模式是新时代电站的重要任务之一。

目前国内发电厂大都在使用基于状态监测系统的智能诊断平台进行故障诊断与运维管理。在实际运用中，发现这类系统多是停留在“状态监测[1]”水平，仅能在机组发生故障的时候发出警报，提示故障位置。对潜在故障源的预测、故障原因的分析等能力较弱，也不能提出检修维护策略。随着电网和发电厂的安全稳定运行、规范化、标准化和精细化管理水平的不断提高，发电厂对如何在原有的智能诊断平台基础上提高远程运维智能服务能力的需求越发迫切。

本项研究基于丰满水电站已建成的智能诊断平台，研发与该智能诊断平台完全匹配的故障诊断模块，将这些模块嵌入智能诊断平台，利用智能诊断平台已有的机组数据进行发电机组关键部件的故障诊断[2]和检修决策支持[3]，发电厂通过智能诊断平台对故障诊断模块进行管理并得到相应的服务，以此提升智能诊断平台的故障诊断能力。提高机组的运行质量，保障机组安全可靠运行，提高发电厂运维管理能力，满足电网和发电厂的安全稳定运行、规范化、标准化和精细化管理水平的不断提高的需求。

1 丰满水电站智能诊断平台现状及需求

丰满水电站智能诊断平台于2015年开始开发，2019年开始投运，建成状态监测、故障诊断等系统。包含数据采集、数据格式化及存储、故障诊断、状态评估、检修决策和各种数据结果展示。

平台设计为开放式平台，其主系统基于 B/S 架构进行开发，平台以指标、诊断、维修三大应用主题进行整体规划。智能诊断平台界面首页见图1。

该发电厂希望在其智能诊断平台已实现功能的基础上，不断升级、提高其故障诊断、状态评估功能的深度、广度，提高检修决策水平。随着整个平台技术水平的不断提高，帮助发电厂早日实现发电机组状态检修的追求。

2 研究内容

本项研究的故障诊断模块必须基于丰满水电站智能诊断平台进行开发，提供与丰满水电站智能诊断平台完全匹配的故障诊断模块；开发数据接口，实现数据稳定传输、准确读取，保证安全性；融合各类专家知识建立专家知识库[4]，为机组提供科学的诊断依据；运用统计分析[5]、关联分析[6]、决策树[7]分析等技术开发故障诊断模块；模块自动生成故障报告，为现场运维人员提供决策建议，故障报告包括：故障、征兆、维修建议等重要信息，并在智能诊断平台上发布。

充分利用丰满水电站智能诊断平台采集的该发电厂水电机组现有的测点信息，针对发电机组的关键部件，设定完善的诊断模块。根据丰满水电站的需求，有针对性的研发故障诊断模块包括：发电机通风、冷却故障诊断模块,发电机局部放电故障诊断模块,发电机轴电流故障诊断模块,发电机气隙故障诊断模块,机组轴承故障诊断模块,机组振动故障诊断模块,发电机短路故障诊断模块,机组润滑系统故障诊断模块,机组轴系稳定性诊断模块,发电机零序电流保护故障诊断模块,发电机定子铁心故障诊断模块,发电机定子线棒故障诊断模块,机组密封故障诊断模块,导水机构故障诊断模块,水力系统故障诊断模块,机组油、气、水系统故障诊断模块。

图1 丰满智能诊断平台界面首页Figure 1 The homepage of intelligent diagnosis platform interface

3 技术方案

3.1 核心诊断模块功能说明

通过发电设备生产厂家与相关专业技术专家的多年以来的专家经验和诊断知识储备，参照相关标准、技术规范，作为技术支撑，形成故障案例，并通过统计分析、关联分析、决策树分析等具体的诊断技术进行故障案例的转化，实现了通过这些故障案例、算法模型对发电机组关键部件进行计算机自动的故障诊断功能[9][10]，共开发9个故障诊断模块，其设计应用技术方案简要说明如下：

（1）发电机通风、冷却故障诊断模块。根据冷却器冷风温度、进出口水温差、流量、压力等信号，诊断漏水、堵塞故障。

（2）发电机局部放电故障诊断模块。根据中性点端安装电容型局部放电耦合单元的输出信号，诊断定子绕组绝缘故障。

（3）发电机轴电流故障诊断模块。根据轴电流监测点的监测数据，诊断发电机轴承绝缘损坏或受污染、轴电流检测系统受磁场干扰故障。

（4）发电机气隙故障诊断模块。根据气隙监测点的监测数据及气隙分布情况，诊断转子圆度及偏心（建议增加气隙传感器）。

（5）机组轴承故障诊断模块。根据轴承瓦温、瓦温差、轴承冷却器进出口水温、流量等，诊断轴承瓦温整体偏高、轴承瓦温差大、管路阻塞或泄漏。

（6）机组振动故障诊断模块。根据定子机座振动情况、噪声变化等，诊断定子铁心是否松动、基础螺栓松动。

（7）发电机短路故障诊断模块。根据转子一点接地信号相关监测数据实时变化情况，诊断转子绕组及引线局部位置接地、励磁系统元件接地等相关故障。

（8）机组润滑系统故障诊断模块。根据上导瓦温、油温等相关的监测参数变化，诊断管道、管道过滤器堵塞、油箱油泄漏等相关故障。

（9）机组轴系稳定性诊断模块。根据导轴承摆度、机架振动、气隙分布、导瓦温度等，诊断导瓦间隙偏大、转动部分质量不平衡。

（10）发电机零序电流保护故障诊断模块。根据零序电流、零序电流保护开光等相关的监测数据变化，诊断发电机三相负荷不平衡超标、发电机不对称短路等相关故障。

（11）发电机定子铁心故障诊断模块。根据定子铁心温度、冷却器冷风及热风温度等，诊断定子铁心局部温升高和整体温升高故障。

（12）发电机定子线棒故障诊断模块。根据定子线棒温度、冷却器冷风及热风温度等，诊断定子线棒局部和整体温升高。

（13）机组密封故障诊断模块。根据顶盖排水泵启停信号、顶盖液位报警信号、润滑水流量及压力信号等，诊断润滑水流量、压力不符合要求、密封块磨损严重、导叶轴径密封失效。

（14）导水机构故障诊断模块。根据水导轴承瓦温、油温等信号，诊断水导轴承故障。

（15）水力系统故障诊断模块。根据导轴承摆度、顶盖及机架振动、机组停机时间、剪断销剪断信号等，诊断剪断销故障。

（16）机组油、气、水系统故障诊断模块。中压空压机故障诊断模块基于中压空压机运行信号测点，通过分析运行信号时间间隔和机组状态参量，实现判断空压机异常和系统漏气、压力开关定值异常。

3.2 诊断模块管理

诊断程序采用多线程模式，根据设定的诊断周期，运行诊断算法。系统管理员可以通过RESTfull接口，可以对诊断模块参数进行管理和配置。这些参数包括：

（1）主程序管理参数，包括主数据库的地址、用户名、密码等，报告数据库地址，用户名、密码等，诊断数据来源设置，PDF生成的相关参数等。

（2）数据接口的参数，包括数据库地址、取用时间间隔，从数据库中取测点数据错误时的重试次数、等待时间、时间间隔等。

（3）故障诊断健康值参数[8]，例如在上机架连接松动故障诊断模块中主要应用了上导摆度峰峰值健康值，上机架峰峰值健康值，这两个参数在数据库健康值表中得以配置和更改，在程序运行时候直接初始化该参数，在诊断模块中直接应用健康值。

3.3 数据接入和诊断模块运行

数据传输使用丰满水电站发电厂智能诊断平台提供的数据接口获取振动和常规慢变量数据。将获取到的数据存入诊断平台数据库中，故障诊断模块通过诊断平台提供的数据接口获取数据源，数据源可分为实时数据和历史数据两种数据源，诊断模块依据内部算法推理故障发生情况，将诊断结果存入诊断平台中，以供其他应用获取故障诊断结果信息。智能诊断平台结构图如图2所示。

诊断结果存放在故障诊断数据库中，包括相应的故障名称、故障发生时间、故障发生的原因及其概率、故障处理方法等故障报告所包含的信息，以及故障报告的相应信息。

诊断结果的发布，将故障报告存放在丰满水电站智能诊断平台提供的数据库表中，由平台根据需求调用报告显示。故障诊断报告样式见图3。

4 程序测试

4.1 测试环境

处理器：Pentium(R)Dual-Core E5800(3.2GHz)；

内存：4GB;

磁盘空间：500GB;

带宽：10Mbps。

图2 智能诊断平台结构图Figure 2 Intelligent diagnosis platform structure

图3 故障诊断报告Figure 3 Fault diagnosis report

4.2 测试方法综述

本系统采用黑盒测试技术； 本系统测试过程中将不会采用测试工具。本系统测试包括：

（1）功能测试：测试各功能是否有缺陷；

（2）性能测试：测试系统在一定环境下的性能数据。

4.3 测试结论

（1）功能性。

本系统极大地满足机组运行实际业务流程需求，正确地实现了发电机组关键部位的故障诊断功能，如：发电机轴电流、发电机局部放电、发电机气隙、机组轴承、机组振动、发电机短路、机组润滑系统、机组轴系稳定性、发电机零序电流保护等。

（2）易用性。

该系统实现了易用性：

（1）便捷的输出方式，自动读取数据库数据，减少了人工数据输入的工作量及出错率。

（2）实时的故障报告展示功能。

（3）系统资源占用较小。

在设计应用方案中，分各个功能项评估了系统资源占用，实际运行得到资源占用情况：

（1）测试环境：i5-8400,8g内存win10-64位jdk8.0。

（2）CPU资源占用，不超过30%；内存占用，不超过768M。

5 结束语

本文简述了基于丰满水电站智能诊断平台，研发与智能诊断平台完全匹配的故障诊断模块，通过这些模块可实现对运行中的发电机组关键部件实时故障诊断，自动形成机组诊断报告、处理建议及机组运行建议，保证机组经济安全可靠运行。

通过针对丰满水电站智能诊断平台进行相应故障诊断模块的研发与应用。故障诊断模块针对不同故障独立开发、修改、运行。通过数据接口快速将不同的故障诊断模块部署到智能诊断平台，通过新增的故障诊断模块在智能诊断平台已有的发电机组状态监测与故障诊断功能的基础上，不断提高平台的故障诊断水平，促进发电机组的运维服务技术由“状态监测”向“智能化故障诊断”提升，从而提升机组的运行质量，保障机组安全可靠运行。

这些故障诊断模块经过有针对性的二次开发后，通过开发相应的数据接口，可快速应用到其他发电厂使用的发电机组智能诊断平台。相比升级平台的方式，在快速提高平台技术水平的同时，还能节约大量的人力、物力。

故障诊断模块的研发可以灵活、快速的提高智能诊断平台技术水平，考虑到目前国内的发电厂都普遍开始使用智能诊断平台并对平台的技术水平的不断提高有确切的需求，具有很广泛的市场应用前景。