故障诊断与预警技术在多梯级提灌泵站联合调度中的应用与实践

史中兴，梁兆健，王应平

(1.甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 景泰 730400；2.甘肃陇原信息科技有限公司，甘肃 兰州 730101；3.甘肃省膜科学技术研究院有限公司，甘肃 兰州 730101)

本篇论文选取的实践目标是多梯级提灌泵站计算机检测控制系统的综合调度和运行情况的优化，选择大型双吸式离心水泵机组的工作原理作为切入点，对各个机组运行状态下呈现的表象进行统计，对有效的信息进行全面分析，进行知识库的构建，促进机组故障的检测应对能力以及提前示警有效性的提升。

1 高压电动机的故障机理分析

在各类水利项目以及农业灌溉排水当中，大型双吸式离心水泵机组获得了大量的使用，是提灌泵组的重要设备，其运行效率、安全性和稳定性提升是泵站管理的重要内容。但是，因为水泵机组使用时间较长，运行当中面临复杂的变化，容易发生各种风险问题。研究表明，风险问题的出现集中在对水泵进行驱动的高压电动机上，比如绝缘失效、转子断裂、定子温度反常、气隙偏离中心等，这些风险问题不仅影响了高压电动机的工作状态，还对水泵机组的稳定性存在影响。可以看出，针对大型双吸式离心水泵机组中的压力较大的电动机可能出现的故障风险开展成因分析并提高示警的准确性，对于故障风险的清除、突发事故的应对、安全生产的保障存在积极的现实意义。

要想对电动机可能出现的风险事故进行预防，需要先对电动机可能出现的故障情况进行全面的分析。主要是对电动机的生产技术、电动机工作情况以及维修技术等信息以及经验开展研究：

绕组匝间短路。该类型的故障产生的后果严重程度不同，较轻的会造成导线的断开，严重时会造成铁心槽口位置发生融化，可能使得铁芯无法再次使用，需要对其进行更换，该类故障的成因较为复杂。

电动机具有很高的温度。作为将电能向机械能转变的设备，电动机在工作时会出现能量的损耗，损耗包括机械损耗、铜损耗以及贴损耗等不同类型，损耗会转变成热量，造成电动机温度的提升，一般情况下，温度低于一定的数值。引起电动机具有过高温度的成因较多，比如电动机或者电源品质、荷载等存在反常，都会造成电动机具有很高的温度，该情况长时间存在会使得温度高于绝缘材料的温度临界值，造成绝缘失效，影响电动机的使用时间。

电机扫膛。电动机扫膛指的是其在运行过程中转子和定子铁芯发生摩擦，主要包括虚扫和实扫两种类型，扫膛会在转子和定子表层产生痕迹。实扫指的是帖子和定子铁芯发生摩擦，表明两者之间的气隙不够统一，严重情况下会造成铁芯温度提升，造成绝缘失效，引起绕组匝间出现接地或者短路。虚扫指的是定子和转子铁芯未出现实际的摩擦，是两者之间的浸瘤清理不干净或者电动机中存在杂物引起。。

轴承温度过高。电动机通常利用滚珠轴承作为传送端，利用滚珠轴承作为非传动端，温度过高是转动中较为多见的故障。轴承温度过高会造成润滑脂浓度降低发生泄漏，严重的话会使轴承发生损坏。

电动机空载电流过大。空载电流通常含有两个分量，也就是空载电流和空载激磁电流，电流的存在跟电动机的设计方案、生产质量和导磁物质的使用存在关联。空载电流的大小通常是满载电流的15%-20%。电动机在出售以前要进行空载电流的检测，假如电流数值过大，需要对成因进行检查和处理。

三相电流不平衡。在三相电压存在对称关系的情况下，异步电动机工作在特定电压下，空载电流的每个相跟三项均值间的偏差均小于均值的5%。假如三相电压平衡性较差，或者电动机出现故障，会引起三相电流平衡性较差。不但会造成电动机温度提高，还会造成磁场平衡性失效，引起机身出现振动。为了保证三相电流的平衡，需要保证三相电压的平衡，有关标准提出三相电流最高和最低数值差跟均值的比值低于或者等于1%。

异步电动机转子传导链条出现断裂。电动机在工作时，假如矩形和梯形铜排导条发生断裂，就会造成转子温度提升，使得电动机过热。导条发生多处断裂，会造成磁拉力平衡性降低造成电动机大幅振动，如果较为严重，导条会出现融化造成定子绕组端发生燃烧损毁，出现击穿问题。导条发生断裂的成因通常是导条固定不紧，在电动机工作时，导条因为受到热应力或者离心力的影响而出现疲劳，如果超过临界值就会出现断裂。

轴伸断裂。轴伸断裂的成因较多，包括材料质量较差、轴伸受到均匀性较差的压力或者存在尖角使得应力过于集中等。例如电动机因为填料多少不固定，造成轴伸存在太大的扭矩引起疲老而出现断裂。水泵电动机的传动通常采用皮带轮，因为轴线存在较差或者带轮存在太大的张力，长时间使用会造成疲劳引起断裂。在进行制造过程中，尖角的存在使得应力过于集中也会造成轴伸的断裂。

2 多梯级提灌泵站联合调度存在的问题及解决思路

因为梯级泵站输水工程具有很高的复杂度，在工作时需要应对各种工艺难点，通常会因为不合理的决策引起电力或者水量的损耗，影响了工作目标的实现。当前，我国梯级泵站系统在工作中面临的主要问题包括：(1)一些泵站工作中频繁进行开关机。机组无法调节的泵站在工作时因为流量匹配不合理或者工作状况的变化，流量和水位也会出现改变，使得机组需要多次进行开关机以保证流量和水位符合有关需求。机组的频繁关机和停机会造成设备出现严重的损耗，使得工作成本提升。(2)一些泵站工作效率不高。因为输水时工作状态会发生变化，泵站进行调度时无法依据扬程和流量的变化对机组工作计划开展调整，造成其无法达到最高的运行效率，引起泵站工作效率不高，提高了输水成本。

而且，双吸式离心水泵机组存在各种复杂的故障，故障的成因、内容和原理的复杂度和模糊性无法找到有效的数学模型进行匹配，也无法通过对确定性的评估实现对故障性质的分析。

本次项目基于故障诊断常规手段，提出利用模糊专家系统针对设备使用情况开展分析，从而有效结合故障确定技术跟人工智能，推动故障诊断精准度的提升。

(1)依据双吸式离心水泵机组发生振动故障的特征，提出了一种以神经网络、模糊逻辑以及专家系统为基础的混合故障诊断手段：对于故障提前预兆的模糊性问题，利用模糊集有关理论对故障提前预兆开展模糊处理；

(2)对于专家领域内的有关知识存在不确定性的情况，以及以模糊形式规范为基础的故障确认专家系统具有规则推理不匹配和效率不高的情况，考虑到神经网络存在很强的差错包容能力和并行应对能力，将模糊神经网络引进到专家系统当中；

(3)考虑到双吸式离心水泵机组存在故障预警多且成因复杂这一情况，依据造成机组振动的三个不同种类的源头，进行了三个故障确认子故障模糊神经网络的构建。利用仿真对模糊神经网络在机组振动故障确认专家系统中进行应用的可操作性进行验证。

全面的对大型梯级泵站的情况进行考量，对梯级泵站的流量变化时水力瞬间的改变进行计算，进行动态调度调整模型的构建，主要的控制对象是系统抽水成本的降低，决策目标的选择时流量的配给，结合顺便流和优化调整等有关理论，构建了以机组故障处理和抽水成本降低为主要目标的动态优化调整模型，并通过粒子群算法的分析，全面的针对抽水成本跟机组故障处理成本和开关频率之间的关联进行分析，为大型梯级泵站工作状况的管理奠定了基础，并以此为基础实现了机组运行状态和故障预警软件的研发，其功能主要有资料收集、数据分析、工作状态监控、故障预警、振动研究、故障处理等。保证了设备能够发挥出预设的最优功能，进行了设备维护制度的编制，在特定环境中不断的对设备使用潜力进行发掘，提高其使用年限，促进设备使用成本的下降。通过故障成因研究、性能检测等，为机组设计的优化、结构的调整和工作状况提供有效的资料和数据。

图1 智能泵站联合调度决策系统结构图

3 在线监测预警与联合调度的应用与实践

作为我们国家重要的粮食生产基地，景电灌区内的电力提水灌溉工程具有流量大、扬程高等特点，43座泵站的装机总量达到了270 MW，是保证提输水任务有效落实的基础，所以保证水泵机组高效稳定安全的使用具有非常重要的意义。

本次项目研究的高压电动机动态监控系统主要的方向是故障的示警，利用非侵入式在线监控和检测方法，设定的检测指标包括电动机绝缘部件的电阻和温度、区域性放电、电动机的电流、电压以及振动情况等，通过对有关的特征参数进行整理，对其特有的属性进行分析，从而明确示警指标；利用本文所述的故障示警手段，完成了工作状态评价和故障示警功能；通过故障示警软件和数据库的设计，保证其能够完成电动机工作状态的动态监测、故障的示警和明确，实现了对故障出现有效管理的目标。

4 应用效果

本次研究取得的结论和完成的目标主要包括:

(1)利用远程实现了对机组工作状态的动态监控，使调度人员可以掌握有效的资料，实现对机组调度的优化，避免了泵站频繁的开关机，减少了水和能量的损耗。

(2)实现了对泵站机组温度变化的动态监视，使得调度人员能够更好的掌握机组工作状态，便于快速进行检修，以免机组运行状态受到影响。

(3)完成了调度的远程管理。使得机组开机和关机操作能够快速得到相应，保证了高远程提灌工程工作的稳定性和安全性。

(4)实现了对电量信号的远程动态监控和测量，对自动化保护功能进行了完善，提高了设备运行的安全性。

(5)完成了调度决策相匹配的软件设计，促进了供水系统工作效率和安全性的提升。

5 结语

梯级泵站工程运行和管理优化相关研究较为复杂，其涉及的学科较多，包括电机学、控制学、统筹学、水力学、工程学等。而且，梯级泵站工程在运行时会联合倒虹吸、明渠、管路通道、渐变段等建筑物共同利用，距离较远的调水工程需要跨度较大的输水管和线路，工作状况较为复杂，并且受到环境、地质和调度人员主观因素的影响，在调水时会出现各种不同的以外状况，本文结合有关的研究资料，对梯级泵站工程的工作状态进行了分析，得出了许多的参考意见和成果，然而还有很多问题需要进一步开展研究和探索。