向家坝水电站状态监测系统设计与应用

罗 云，吴 想，李时华

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南省长沙市 410014）

0 引言

向家坝水电站是金沙江下游河段规划的最下游一个梯级电站，坝址位于四川省宜宾县和云南省水富县交界的金沙江下游河段上。电站左岸坝后厂房和右岸地下厂房各布置4台混流式水轮发电机组，单机容量均为800MW，为目前已投运的单机容量最大的水轮机组。左、右岸厂房发电机与变压器均采用单元接线，左、右岸开关站为500kV户内GIS型式，均采用3/2接线。左岸主变压器和GIS之间直接连接，右岸主变压器和GIS之间采用500kV高压电缆连接。

1 水电站状态监测系统现状

随着我国的水电资源的大规模开发，涌现出一批大型、巨型水电站，水电站主要设备的故障对电网的影响也越来越大，因此实时监测和预防设备故障的状态监测系统也越来越受到重视。特别是在2009年8月俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站事故以后，机组在线监测系统受到业界高度关注[1]。

近年来，高速处理器、嵌入式架构等硬件设备技术的快速发展和成本的大幅降低，为状态监测系统的发展创造了有利条件，水电站主要设备的状态监测系统产品也越来越多，各产品的理论基础、侧重点和功能等方面也各有特点。从目前的情况来看，有一些状态监测产品得到了广泛的应用，并在安装调试、设备运行过程中发挥了相应的作用，如机组振动摆度监测系统[2]、变压器油中溶解气体监测系统[3]等，为大型水电站电气设备全方位实施状态监测打下了良好基础。

2 向家坝水电站状态监测系统总体结构

2.1 主要监测内容

向家坝水电站状态监测的主要对象包括水轮发电机组、主变压器、GIS设备、高压电缆等。针对电站内各种设备的特性及可能出现的故障，状态监测主要包含以下监测内容：

(1)水轮机发电机组：压力脉动、振动、摆度、发电机局部放电、发电机定转子气隙、气隙磁场强度；

(2)主变压器：油中溶解气体；

(3)GIS设备：SF6气体泄漏、GIS局部放电；

(4)高压电缆：局部放电、线芯温度、护套接地电流。

2.2 系统的层次及网络结构

状态监测系统采用分层、分布式结构，由厂站层和现地层二部分组成。厂站层分为数据监测网和数据发布网，设立历史数据服务器、映像数据服务器、磁盘阵列柜、分析站、Web服务器等，现地层设置机组、主变压器、GIS、高压电缆等设备的数据采集单元。

状态监测系统分设在左岸坝后厂房、右岸地下厂房、右岸地面开关站三个分区，各个分区之间组成主干网，主干网使用千兆以太环网，传输介质采用单模光纤，网络通信协议使用TCP/IP协议。厂站层和现地层之间采用星形交换式以太网连接，传输速率为100/1000Mbps。现地层各监测单元内部各数据采集装置之间通信采用现场总线或网络通信。向家坝状态监测系统总体结构如图1所示。

图1 向家坝状态监测系统总体结构图Figure 1 Overall structure diagram of Xiangjiaba condition monitoring system

2.3 系统监测方式

向家坝水电站状态监测系统监测方式分为三种：现地监测、厂站监测和远程监测。

(1)现地监测方式：通过现地监测柜、采集箱人机界面或移动工作站对单台设备进行状态数据监测。

(2)厂站监测方式：通过工程师工作站或移动工作站对电站所有设备进行状态数据监测。

(3)远程监测方式：通过Web服务器以网页、Web服务等形式对电站所有设备进行状态数据监测。用户也可以在电厂内部信息网、远程诊断中心或从外部以VPN或拨号方式进入电厂内部信息网后实现远程监测。

2.4 系统的安全防护

根据电力系统网络安全防护相关要求，水电站状态监测系统属于生产控制大区的非控制区（安全Ⅱ区），系统与控制系统通信时，应采取有效的逻辑隔离措施，向家坝状态监测系统数据监测网与监控系统通信网络中设置了硬件防火墙。另外，向家坝状态监测系统设置了位于管理信息大区（安全Ⅲ区）的数据发布网，主要用于与MIS系统、远程诊断中心通信，数据发布网与数据监测网之间设置了正、反向安全隔离装置。

2.5 系统供电与对时

为保证现地层设备工作可靠性，现地层设备采用交直流双供电模式，分别从电站400V厂用电系统和220V直流系统取电。

另外，为保证监测数据的同步性，现地层监测设备从电站时钟系统中以PPM、IRIG-B、NTP多种方式从电站时钟系统中获取时钟同步信号。

3 向家坝状态监测系统的构成与实现

3.1 主设备在线监测趋势分析系统

主设备在线监测趋势分析系统除采集监控系统用于状态分析的数据外，还采集和存储机组状态监测（含振动、摆度、气隙、压力脉动）、发电机局部放电监测系统、高压电缆局部放电监测系统、GIS局部放电监测系统、主变压器油中溶解气体监测系统的相关数据，并对历史数据进行分析处理，实现状态监测趋势的图形化分析，并生成相关分析报告和报表。

主设备状态在线监测趋势分析系统主要节点包括趋势分析服务器集群、通信服务器、Web服务器、映像数据服务器集群、分析工作站、网络安全设备及相应的软件等。系统在右岸计算机室布置3面机柜，在左岸计算机室布置1面机柜。

3.2 机组振摆监测系统

每台机组设有一套振动摆度监测系统，对机组振动摆度、压力脉动、定转子气隙、磁场强度等进行在线监测。

系统对机组以下部位振动摆度进行测量：上机架X/Y向水平振动、上机架Z向垂直振动、下机架X/Y向水平振动、下机架Z向垂直振动、顶盖X/Y向水平振动、顶盖Z向垂直振动、定子铁芯振动、定子机座X/Y向水平振动、定子机座Z向垂直振动、上导X/Y向摆度、下导X/Y向摆度、水导X/Y向摆度、键相、抬机量等。

系统对机组以下部位水力参数进行测量，包括：蜗壳压力脉动、转轮下方0.3D2压力脉动、转轮下方1.0D2压力脉动、肘管45°上下游凹凸侧压力脉动、尾水扩散段出口压力脉动、转轮与导叶间压力脉动等。

系统在每台机组设置8个定转子空气间隙传感器和1个磁场强度传感器，空气间隙传感器分上下两层安装，用于测量气隙均匀度、转子圆度、转子偏心等。

每个测量点均有4～20mA或0～5V模拟量送至机组振摆监测盘柜，振摆监测系统上送振动、摆度、抬机量、压力脉动、气隙实时数据及特征值至主设备在线监测趋势分析系统，报警接点输出至计算机监控系统。

3.3 发电机局部放电监测系统

发电机局部放电在线监测系统由局放耦合器、局放监测仪、局放数据服务器、局部放电监测分析软件等组成。

目前在水轮发电机的局部放电监测应用较多的传感器有多种[4]，如电容耦合器、电流互感器、定子槽耦合器等，向家坝水电站使用的是电容耦合传感器。

向家坝每台机组装设6个局放耦合器，每相装设两个，其中一个安装在发电机出口汇流板上，另一个安装在离相封闭母线内，为保证来自机组内部局放信号和来自外部的噪声信号能够得以区分，两个局放耦合器安装距离不超过2m。局放耦合器采用纯云母制作，再用环氧树脂模铸而成，其云母厚度为80mm，电容为80pF，额定电压为25kV。每台机组设置1台局部放电监测仪，局放耦合器通过射频同轴电缆将局放信号传送到局放监测仪。局部放电监测仪在40～350MHz高频范围内监测局放信号，通过噪声分离、相位分析等技术计算放电指标，上送指标数据至数据服务器。局部放电监测报警信号上送至监控系统。

3.4 高压电缆局部放电监测系统

在高压电缆局部放电监测领域应用较多的技术有差分法、方向耦合法、电磁耦合法、超高频电容耦合法、超高频电感耦合法、超声波耦合法等[5],其中应用广泛，安装方便的是电磁耦合法。

向家坝水电站高压电缆局部放电监测系统使用的是高频电流互感器，采用电磁耦合监测技术。局部放电监测系统由监测主机、现地监测装置、信号复接器、高频CT传感器等组成。

向家坝电站共有4回500kV电缆线路，共12根XLPE高压电缆。每条高压电缆装设1个高频CT传感器，CT传感器为环状穿心CT，安装在高压电缆金属外护套直接接地处，传感器带宽为50kHz～20MHz，额定容量5VA。每6只耦合器经过1台复接器连接到现地监测装置，共2台复接器。现地监测装置采样速度为100M/s，采样带宽为30kHz～250MHz，每个通道采样间隔不大于30min，每次采样时间不少于20ms，系统对放电量检测灵敏度不小于5pC。

3.5 GIS局部放电监测系统

GIS局部放电检测技术分为常规脉冲电流检测、超声波检测、超高频检测等方法[6]，其中，超高频技术在实时在线监测产品中应用较多[7-9]。向家坝左、右岸电站各设置1套GIS局部放电监测系统，采用了超高频检测技术。系统包括GIS局放监测主机、超高频传感器、光电转换单元等。

局部放电信号由安装在GIS气室内部的传感器提取，再通过超高频同轴电缆传送到光电转换单元，每台光电转换单元汇接GIS的 U、V、W三相共三个传感器所采集的超高频信号，并进行滤波，过滤掉无线电干扰信号或与外部空气绝缘设备接口处而来的外部放电信号。光电转换单元将超高频脉冲信号的进行数字化处理并转换成光信号，再通过光纤将信号传送到监测主机。

传感器采集信号频率范围为500～1500MHz,数据化处理采样周期20μs，系统最低检测灵敏度为10pC，监控主机具有单周期局部放电分析和趋势分析功能，以二维或三维形式显示，对局部放电数据采用了多级神经网络、遗传算法和模糊逻辑多种技术进行分析和统计，报警信号送至电站计算机监控系统。

3.6 变压器油中溶解气体监测系统

变压器油中溶解气体监测包括单组分气体、多组分气体、总可燃气体以及全组分气体的监测。目前采用的全组分在线监测技术主要有在线色谱技术以及光谱技术。其中，在线色谱技术的发展相对较成熟，实用化程度较高,应用范围最广[10]，基于光声光谱技术的产品也应用较多[11]。

向家坝水电站共设一套主变压器油中溶解气体监测系统，采用的是在线色谱技术，系统主要包括数据处理服务器、数据采集单元等。

每台主变压器配置1台数据采集单元，采用气相色谱原理对变压器油中溶解气体进行在线监测。变压器油通过油路循环单元到油气分离装置，油气分离装置快速分离油中溶解气体至气室，内置的微型气泵把分离出来的气样输送到电磁六通阀的定量管内，并自动进样，在载气推动下，混合的样气经过色谱柱分离，顺序进入广谱型半导体纳米晶传感器，出来的信号通过A/D转换器后进行色谱数据采集，采集装置监测变压器油中溶解的氢气(H2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、乙烷（C2H6）六种气体成分。数据处理服务器对所有数据进行采集、存储、监测和诊断，对气体浓度、绝对产气速率、相对产气速率进行计算，使用三比值分析、趋势图分析、大卫三角形法等进行诊断。

4 状态监测系统的设备分析与诊断

4.1 设备分析与诊断方法

水电站各种设备的构成、运行机制、失效模式各不相同，针对设备的监测方式、分析方法、故障诊断一直是状态监测领域的研究重点，向家坝电站状态监测系统中使用的有特征值分析法、专家知识库法、趋势分析法等。

(1)特征值分析法。使用特定的计算方法对监测信号进行数值分析，提取与故障相关的信号分量。如机组振摆监测中的时域-频域变化法、气隙监测中的转子圆度计算、变压器油中溶解气体监测中的三比值法等，均能非常有效的进行定量计算和分析，诊断出故障原因。

(2)专家知识库法。利用已经积累的经验数据构建专家知识库，可对一些常见的故障或性能降低的情况予以诊断，具有比较明显的效果。如发电机局部放电监测中建立的专家知识库，收集了各种放电类型的放电次数、放电幅值、放电相位图谱，以及各种机组的放电数据，监测数据通过与专家知识库进行比对，可以诊断出故障类型及故障部位。

(3)趋势分析法。设备的失效和故障往往是一个长期的过程，对设备监测数据进行长时间区域的趋势分析是一个通用手段，特别是同种工况下的趋势分析非常有效。向家坝水电站设立专门的趋势分析系统，可对振动摆度、气隙、压力脉动、局部放电、油色谱数据等进行不同工况下的趋势分析，判别设备的健康状况，预测发展走向。

状态监测系统中也还有其它多种分析诊断方法，如故障树法、神经网络、模糊逻辑等[12]。总的来说，水电厂内设备故障情况比较复杂，特别是机组的故障与一般旋转机械相比有其特殊性，需要考虑机械、流体、电磁等多方面的受力和耦合，对其进行全面的故障诊断具有相当大的难度。

4.2 诊断信号

系统诊断信号分为三类：预警信号、报警信号和停机信号。向家坝状态监测系统对选定的参数如监测量、性能指标、特指量、统计量或其逻辑组合进行分析，要求提高警觉时，给出预警信号；要求采取纠正行动时，给出报警信号，并输出继电器报警接点；要求停机检查时，设备应经过延时后输出停机信号，并输出继电器停机接点。

5 结束语

在大型水电厂开展计算机设备状态监测系统的应用研究，具有显著的社会效益和经济效益。现代通信技术、计算机技术的和传感技术的高速发展，使得大型水电站全方位状态监测能够得以实现。在今后相当长一段时间内，传感技术、水电厂各设备故障或失效机理的研究以及如何使用诊断技术实现故障定位是重点研究方向。

在当前大型水电站设计之初，应当为水电站状态监测系统的设计做出充分考虑，避免重要设备投运后对状态监测实施造成困难，也可以减少日后改造所带来的资金浪费和不安全因素。

向家坝水电站实施的状态监测系统相对全面，设备先进，在电站的调试、试运行以及商业运行过程中，都起到了相当重要的保障作用，值得其他电站参考。