机组状态监测与故障诊断系统在永泰抽水蓄能电站的应用

福建永泰闽投抽水蓄能有限公司 杨文平

随着科学技术与水电事业的快速发展，抽水蓄能发电技术得到迅猛发展。抽水蓄能电站在电力系统中具有削峰填谷、调频调相、启动迅速、运行灵活、可靠等特点，所承担的机组任务较多，在电力系统中所做出的贡献也越来越大[1]。为增加机组正常运行和减少设备检修的时间，当前国内大中型水电站正朝向“无人值守”或“少人值守”，设备实现从“定期检修”到“预防性检修”的方向发展。因此，在抽水蓄能电站建立一套能够实现机组的振动、摆度、压力脉动以及发电电动机空气间隙、局部放电等参数的监测与故障诊断系统，对电站的安全稳定运行和预防性检修是具有重要指导作用的。

1 系统组成

永泰抽水蓄能电站机组的状态监测与故障诊断系统网络结构如图1所示，主要组成设备有传感器、数据采集单元、网络设备、服务器、系统软件等。系统构成主要分为三层：现地层。数据采集单元、数据采集保护单元等；电站层。数据服务器、工程师站、网络设备等；集控层。前端设备、监控平台、监控客户端、网络传输、监控中心等部分组成。

系统中4台机组各自配备了数据采集站，数据采集站主要有振动、摆度、压力脉动数据采集箱VRS8000V、发电电动机的气隙磁通局放数据采集箱VRS8000G、机组振摆保护监测装置PMS-300以及传感器电源等辅助设备。传感器将物理信号（如振动、摆度、压力脉动、工况参数等）转化为电信号，上传至数据采集系统，对原始数据进行特征量提取，将能够反映机组运行的特征参数、曲线和图表，通过在线监测网络（TCP/IP协议）存放至状态数据服务器中。

关于数据的分析、管理和存储，状态数据服务器承担主要作用。不仅能够对实时数据与历史数据进行管理和存储，而且还能对不同特征的数据进行分析和诊断，同时承担了电站Web服务器与历史/准实时数据管理平台Ⅱ区接口机（数据最终发送至设备状态评价中心）的数据通信。

Web服务器的主要作用是实现机组状态监测系统与电站生产管理系统的通信，便于运行人员的数据浏览与查询。为保证数据的安全传输，在Web服务器与电站生产管理系统间增设了网络单向隔离装置。同时Web服务器还能与500kV主变压器在线监测设备、GIS（Gas Insulated Substation）气体绝缘变电站的在线监测设备以及500kV电缆在线监测设备进行数据通信，满足500kV主变压器在线监测设备以DL/T860通信协议与机组状态监测系统进行数据交换。

工程师工作站负责发布状态数据服务器中的各种数据及分析诊断结果，并供现场工程师监测和分析机组的有关信息；机组状态监测系统能通过Web服务器和电力调度数据网建立与机组远程诊断中心的通信连接，实现远程实时监测与分析诊断功能。

2 状态监测

2.1 监测点的选择

水力机组结构主要由机械、水力和电气三大部分组成，机械监测部分主要是对机组机械设备的水平、垂直振动与摆度监测，水力监测部分主要是对机组设备所受水力影响的脉动压力监测，而电气监测部分主要对发电电动机的电气信号进行监测[2]。其监测点展示如图1。对于每部分监测点的选择各不相同，从以下三个方面对检测点进行选择：振动、摆度监测。监测点有发电机上机架与下机架的X、Y、Z向振动、水轮机顶盖与定子机座的X、Y、Z向振动、发电机上、下、水导轴承的X、Y向摆度、发电机定子铁芯振动等；水力监测。主要参量为压力脉动，其测点位置主要有尾水管进口、蜗壳进口、尾水管肘管、导叶与转轮进口间等；电气监测。监测点主要有发电电动机的局部放电、GIS、电缆、主变压器等。

图1 机组测点分布图

2.2 传感器的选择

表1 各台机组测点传感器配置表

2.3 信号监测

传感器将采集信号上传至各个子系统中，在子系统进行数据处理，以此提取出各测量点的特征参数，实现相关测点的状态监测，由VRS8000监测系统进行状态参数展示，实现实时工况远程监测的目的。分别从机械、水力、电气三个方面展示其监测系统的应用情况。

机械监测。主要包含了机组的摆度、振动的实时状态数据，由图2中可看出上、下与水导的X、Y轴摆度以及机架、顶盖X、Y、Z向的振动情况，在监测界面设置了各参量的报警指示灯，当实时值超出设定预警值时，将发出报警信号提示运行人员；水力监测。其脉动压力信号测点主要有转轮与顶盖间、尾水管进口、导叶与转轮进口、尾水管肘管、蜗壳进口、转轮与底环/泄流环间等（图3）；电气监测。主要有发电电动机的局部放电、GIS、电缆与主变压器的状态监测。

图2 机械参数状态监测

图3 水力参数状态监测图

3 系统功能

系统功能实现所采用的是VRS8000系统监测分析软件VRS8000V/G-M，该软件包含了整个系统的所有监测、分析与诊断功能。机组状态监测与故障诊断系统的功能主要是保证机组安全、稳定运行以及指导预防性检修机组设备。除系统监测功能的应用，其余功能主要从五方面进行描述。

数据分析。该功能主要是将采集到的实时数据通过相关分析算法进行数据分析，以曲线与图表的方式进行展示，将机组运行状态信息实时的展现出来[3]，以帮助运行人员分析机组的运行状况以及发现故障。在永泰抽水蓄能机组的数据分析方法主要有：时域信号、功率谱、轴心轨迹图、极坐标图分析、多轴心轨迹图、空间轴线、瀑布图分析、级联图分析、时间趋势图分析等，诸类分析方法用于机组运行在暂态、稳态与过渡过程的状态分析（图4）。

图4 数据分析展示图

故障报警。在检测信号超过预设值时系统出现报警提示，预设值的选取与机组工况相关。报警功能根据发电耗能、抽水蓄能等实时工况将机组不同运行状态的负荷、水头以及导叶开度等分为不同工况，分别设定独立的报警值，将机组的报警信号准确反应出来[4]。并且对外输出无源硬接点报警信号以方便提示运行人员。

智能诊断。针对于水轮机与发电机的故障工况，该系统提供了可进行自动分析诊断的专家系统，专门用于机组运行状态的在线智能诊断。故障诊断系统的组成有故障参数量化分析功能、报警预警平台、自动诊断知识库、在线自动诊断程序、分析诊断工具和诊断规程等。首先在报警平台能够实现状态变化的在线自动捕获，并将在线自动诊断程序进行触发；然后通过自诊断程序能够自动提取故障诊断专家库，最后根据自动诊断知识库的诊断规程实现自动诊断，并自动生成诊断报告[5]。

数据管理。机组运行的实时数据对于机组运行、状态分析和故障诊断是极为重要的，因此建立良好的数据管理系统有益于机组的安全稳定运行。永泰抽水蓄能监测分析与故障诊断的数据库可实现数据的不间断存储，同时最大限度的存储历史数据4年。对超过4年的数据，系统可提供数据备份软件进行自动和人工备份，系统存储量可根据硬盘容量进行扩展，同时提供了黑匣子记录功能与机组试验数据的存储功能，确保试验数据的长期保留[6]。

状态报告与事故追忆。运行人员可通过该系统的状态报告及时、准确的了解机组的运行工况，并能作出快速、正确的操作指令。永泰抽水蓄能电站所采用的VRS8000机组状态监测及振摆监测系统支持状态报告的自动制作与生成。状态报告主要反映了机组的动稳态特性与机组设备的实时运行工况，增加运行人员的快速决策的效能，减少繁杂的状态检查和指令操作。系统的事故追忆功能主要是利用故障录波仪的故障录波文件，将文件解析后得到故障数据。通过VRS8000状态监测系统所录制的事故数据，可将其数据用于事后分析其发生原因，避免事故的再次发生，该功能对于事故可靠预防有重要作用。其中所有的自动录波和手动录波都满足高密度数据采集要求。

其他功能。除上述功能外，永泰机组状态监测分析故障诊断系统还具有数据通信功能、北斗对时功能等。在系统中的功能实现是基于各部分子系统的状态监测和软件实现，区别在于硬件结构与软件算法的不同。数据通信功能具备数据服务器与电站管理信息系统单向通信与将机组状态监测及振摆监测系统所测量到的机组状态数据传输至电站生产管理系统，不仅提高了电站的数据信息管理能力，而且还满足了电站生产管理系统对通信接口的软件和硬件要求；系统的北斗对时功能是针对电站内所有设备均采用标准时钟。可与监控系统合用北斗卫星接收系统，具备串口、NTP等对时方式，状态监测子站间地对时误差≤1ms。

综上，当前我国水电机组倾向于大容量、高水头的发展，使得电力系统综合控制也愈加复杂。同时抽水蓄能电站机组正由传统的计划检修、定期维护的运维方式逐渐转变为预防性维修，为抽水蓄能电站建立一套状态监测分析故障诊断系统已成为水利行业的发展所需，其极大地降低了机组的运维成本，提高了电站的自动化管理水平。