（电气工程专业论文）桓仁电站水力发电机组状态监测与诊断分析研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 本项目通过对水电机组的运行稳定性、气蚀、空气间隙及局部放电的在线 监测，同时联合计算机监控系统的监测信息及m i s 系统的综合信息，建立功能 较为完备的跟踪分析系统，提供报警、预警、状态分析、性能评价、诊断分析 等一系列工具和手段，为机组的安全运行，优化调度和检修指导提供有力的技 术支持。论文分析了水电机组状态监测和诊断分析系统的设计方案、工程实施 和工程应用，提供了多种数据分析方法和状态报告的制作方法，为在线监测和 状态检修提供一种有实用价值的崭新的技术和管理模式。 关键词：水电机组，状态监测，诊断分析 a b s t r a c t t h i sp r o j e c tt h r o u g ht h eo p e r a t i o no ft h eh y d r o p o w e r g e n e r a t i n gu n i t ss t a b i l i t y , c a v i t a t i o n ，a i rg a pa n dt h ep a r t i a ld i s c h a r g eo n l i n em o n i t o r i n g ，c o m p u t e rm o n i t o r i n g s y s t e m a tt h es a m et i m et h ej o i n tm o n i t o r i n go fi n f o r m a t i o na n dm i si n t e g r a t e d l n f o r m a t i o n s y s t e m ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ef u n c t i o n a la n a l y s i so fam o r e c o m p r e h e n s i v et r a c k i n gs y s t e mt op r o v i d ea l a r m ，e a r l yw a r n i n g ，a n a l y s i s ， p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，f a u l td i a g n o s i s ，s u c ha sas e r i e so ft o o l sa n di n s t r u m e n t s f o rt h es a f e o p e r a t i o no fg e n e r a t i n g u n i t s ，a n do p t i m i z et h es c h e d u l i n ga n d m a i n t e n a n c et op r o v i d ee f f e c t i v eg u i d a n c et ot e c h n i c a ls u p p o r t p a p e ra n a l y z e st h e h y d r o p o w e rg e n e r a t i n gu n i t sa n a l y s i so fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s t i c s y s t e md e s i g n ，p r o j e c ti m p l e m e n t a t i o na n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，p r o v i d e sa w i d er a n g eo fd a t aa n a l y s i sm e t h o d sa n dt h ep r o d u c t i o nm e t h o d so fs t a t u sr e p o r t s f o rt h eo n l i n em o n i t o r i n ga n dc o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c et op r o v i d eau s e f u ln e w t e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n tm o d e b a ih o n gl i a n g ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y p r o f l ih em i n g k e yw o r d s ：h y d r o e i e c t r i c g e n e r a t i n g u n i t s ，c o n d i t i o n m o n i t o r i n g ， d i a g n o s t i ca n a l y s i s 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 本项目通过对水电机组的运行稳定性、气蚀、空气间隙及局部放电的在线 监测，同时联合计算机监控系统的监测信息及m i s 系统的综合信息，建立功能 较为完备的跟踪分析系统，提供报警、预警、状态分析、性能评价、诊断分析 等一系列工具和手段，为机组的安全运行，优化调度和检修指导提供有力的技 术支持。论文分析了水电机组状态监测和诊断分析系统的设计方案、工程实施 和工程应用，提供了多种数据分析方法和状态报告的制作方法，为在线监测和 状态检修提供一种有实用价值的崭新的技术和管理模式。 关键词：水电机组，状态监测，诊断分析 a b s t r a c t t h i sp r o j e c tt h r o u g ht h eo p e r a t i o no ft h eh y d r o p o w e r g e n e r a t i n gu n i t ss t a b i l i t y , c a v i t a t i o n ，a i rg a pa n dt h ep a r t i a ld i s c h a r g eo n l i n em o n i t o r i n g ，c o m p u t e rm o n i t o r i n g s y s t e m a tt h es a m et i m et h ej o i n tm o n i t o r i n go fi n f o r m a t i o na n dm i si n t e g r a t e d l n f o r m a t i o n s y s t e m ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ef u n c t i o n a la n a l y s i so fam o r e c o m p r e h e n s i v et r a c k i n gs y s t e mt op r o v i d ea l a r m ，e a r l yw a r n i n g ，a n a l y s i s ， p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，f a u l td i a g n o s i s ，s u c ha sas e r i e so ft o o l sa n di n s t r u m e n t s f o rt h es a f e o p e r a t i o no fg e n e r a t i n g u n i t s ，a n do p t i m i z et h es c h e d u l i n ga n d m a i n t e n a n c et op r o v i d ee f f e c t i v eg u i d a n c et ot e c h n i c a ls u p p o r t p a p e ra n a l y z e st h e h y d r o p o w e rg e n e r a t i n gu n i t sa n a l y s i so fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s t i c s y s t e md e s i g n ，p r o j e c ti m p l e m e n t a t i o na n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，p r o v i d e sa w i d er a n g eo fd a t aa n a l y s i sm e t h o d sa n dt h ep r o d u c t i o nm e t h o d so fs t a t u sr e p o r t s f o rt h eo n l i n em o n i t o r i n ga n dc o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c et op r o v i d eau s e f u ln e w t e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n tm o d e b a ih o n gl i a n g ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y p r o f l ih em i n g k e yw o r d s ：h y d r o e i e c t r i c g e n e r a t i n g u n i t s ，c o n d i t i o n m o n i t o r i n g ， d i a g n o s t i ca n a l y s i s 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文桓仁电站水力发电机组状态监测与诊 断分析研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：剥铂 耀。二1 儿i l 导师签名：竺! n 日期：兰! ! 仝：j t o 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章水电机组状态监测与诊断分析系统综述 1 1项目背景 状态监测和诊断分析技术发展到今天，已成为一门独立的跨学科的综合信息处 理技术，它是以可靠性理论、信息论、控制论和系统论为理论基础，以现代测试仪 器和计算机为技术手段，结合各种诊断对象的特殊规律而逐步形成的一门新兴学 科。它大体上由三个环节组成：一是故障机理研究，例如以电气、机械部件失效的 腐蚀、蠕变、疲劳、氧化、断裂、磨损等理化原因的研究；二是故障诊断信息学的 研究，它主要研究故障信号的采集、选择、处理与分析工程，如通过传感器采集设 备运行中的信号( 如振动、转速) ，经过时域与频域上的分析处理来评价识别设备 所处的状态或故障；三是诊断逻辑与数学原理方面的研究，主要是通过逻辑方法、 模型方法、推论方法及人工智能方法，根据可获取的故障特征来确定下一步的检测 部位，最终分析判断故障发生的部位和产生故障的原因。【l 】 由于机组在线监测和诊断分析在水电站日益受到重视，近年来，国内外学者对 水电机组故障做了较为深入的研究，将故障诊断领域中一些新的理论和方法引入水 电机组的监测与诊断中，取得了一些成果。目前，无论在理论研究还是在工程实践 方面，水电机组状态监测系统都成为热点领域，具有良好的发展前景。 目前，国内针对水力机组开展状态监测与诊断技术的呼声越来越高，不少单位 和电厂已经认识到科学的设备状态检修能够合理地制订检修计划，节约维修开支， 减少非计划停机时间，提高设备的可用率，从而提升发电企业的竞争力。 分析起来，在水电行业有计划的开展状态监测与诊断工作的必要性和紧迫性主 要体现在以下几个方面： 近年来，水轮发电机组和抽水蓄能机组的设计越来越向高水头、高转速、高效 率、大容量方向发展，设计实践中趋向使用高强度的材料，构件更加灵活，刚 度裕度的减小和机组尺寸的增加，必然会带来更多的问题。 水轮机组的振动多是由于水力、电磁、机械等因素耦合作用的结果，振动机理 比较复杂，直观判断和简单的测试常常难以找到本质原因；有些故障与运行参 数有关，出现的偶然性较大，数据不易捕捉。在线状态监测与诊断系统的使用， 可及时记录故障信息，分析产生异常振动的本质原因。【2 】 大型水利枢纽工程的兴建使得水力发电机组在整个电网中的所占比重越来越 大，单机容量增加，年平均发电时间延长，检修时间缩短，一旦因事故停机， 华北电力大学工程硕士学位论文 造成的经济损失极为严重。 电网调度中越来越强调水电机组的调峰作用，这就要求水电站的水轮发电机组 在其整个出力范围内具有充分的可调性，了解和掌握机组的真实运行工况和运 行性能，对于指导机组优化运行，合理安排检修措施，扩大可用负荷区的范围 等，有着非常重要的意义。 无人值班，少人职守；减人增效，降低维修成本，创一流电站；厂网分家，竞 价上网等一系列符合市场经济规律的现代管理和维修模式的形成和建立，迫切 需要强有力的技术支持手段。 状态检修涉及到的技术领域既广泛又复杂，单靠少数人的努力不可能实现状态 检修的宏伟计划，应当依靠社会化的技术联系和技术支持，远程诊断正是为了 满足这种行业需要而建立的技术手段。【3 1 近些年来，不少水电厂陆续安装了国内外的一些状态监测设备和软件，由于选 型、培训、调试等很多环节缺乏对该类系统的深刻认识，系统的作用没有得到 真正发挥，反而给现场的使用和管理带来负担。如何选择恰当的状态监测对象， 如何有计划的逐步开展状态监测工作，多个厂家的系统如何集成等问题，成为 开展状态监测工作之前需要认真考虑的问题。 为此，在现有机组运行设备的基础上，研究实施设备的实时监测及诊断分析系 统，建立预测维护理论系统与维护实施系统，实现水电厂机运行设备监测、维护、 高效管理，是十分迫切的任务，有着非常重要的意义。 1 2 水电机组监测与诊断国内外研究现状 水电机组主、辅设备的在线监测与诊断主要有以下几方面： 1 2 1 水轮机转轮气蚀监测与诊断 水轮机转轮气蚀破坏是一个亟待解决的问题，因此对水轮机气蚀的监测与诊断 就显得十分必要。 气蚀的测试与诊断有两个途径可供选取：一是从气蚀的表征入手，如测量过流 部件压力、水压脉动、振动、噪声等；二是从气蚀的后果入手，如造成叶片的磨蚀 损坏，水轮机效率下降等。但完善的办法应是表征和后果的结合。【4 】 近几年，国外在水轮机气蚀方面做了大量的研究工作，如美国电力研究所 ( e p r i ) 、加拿大魁北克水力研究所( i r e q ) 和美国声学o r e 股份有限公司等，他 们基于声传播原理开发出一些产品，应用加速度传感器测量声强，这些产品可以监 2 华北电力大学工程硕士学位论文 测气蚀发生和发展的过程，并用建立的相对标准来评判水轮机气蚀的严重程度，该 系统在美国许多水电站应用，取得了良好的效果。 1 2 2 发电机的监测与诊断 主要包括发电机定、转子气隙监测和发电机定子绝缘监测。 发电机气隙监测：运行中的发电机，其气隙的均匀性将直接影响电气特性和机 械性能的稳定。目前，我国水轮发电机空气间隙的测量水平还较低，一般都是在机 组安装调整过程中，用塞尺对气隙作定点静态测量，而对运行中发电机的气隙监测 还很少见。实际上，对运行中发电机的气隙监测目前已经有成熟的气隙监测系统产 品。 发电机定子绝缘监测：迄今为止，一致认为绝缘不良是电机事故率最高的部分， 现在广泛应用的检测方法有直观检查法、测量绝缘电阻法、测量绝缘泄漏电流法、 高电压试验法、测损失角法和局部放电法；其中局部放电法是一种较为先进的方法。 目前，世界上已有数百个用户装有局部放电分析系统，已被证明是一种非常有效的 诊断工具。 1 2 3 轴承监测与诊断 轴承是水电机组的承力和接触部件，是转动体和固定体的相关分界。由于摩擦 生热，温度监测是轴承的主要诊断手段，其监测目的是预知瓦温并防止烧瓦，但这 种监测传感器的传统安装方式是插入到瓦体内，实际检测的是瓦体温度而不是瓦面 温度。因此在实际使用中往往因传感器的监测值不能及时、准确反映瓦面温度而导 致烧瓦。现在，大多数电站更换为塑料瓦，其热传导更慢，而测量方式未作改变， 使得这种监测方法的效果更差。所以，除进一步改善瓦温的监测方式外，采取综合 监测其他参数，从而预知瓦温升高来防止烧瓦也较为重要。【5 】 由于轴承的温度与润滑冷却效果也有直接关系，因此，监视油温和冷却水温也 很有必要。另一方面，由于轴承受力的好坏还反映在主轴摆度上，故轴承的诊断常 辅以机组振动、摆度的监测。此外，还存在甩油、漏油、冷却水管破坏的可能，所 以油位的监视也是必要的。 近年来，国内外很多单位都研制出了监测轴瓦温度、油膜温度和厚度、轴承压 力的仪器，能有效监测轴瓦的工作状态，同时对轴瓦所发生的故障进行诊断。 1 2 4 转动部件的监测与诊断 转动部件包括发电机转子、主轴和水轮机转轮，既有发电机部件也有水轮机部 华北电力大学工程硕士学位论文 件。其目的和内容也是建立在“旋转运动”点上的，即诊断转动部件和施力约束部 件的运动状态、故障部位、发展趋势和对策等。监测的参数有：摆度( 主轴及上导、 下导、水导摆度) 、振动( 机架和顶盖振动) 。辅以转速、压力脉动、机组水头及导 叶开度的监视。【6 l 1 2 5 辅助设备的监测与诊断 辅助设备的作用表面上不如主设备重要，事实上如果辅助设备出了问题照样会 造成机组停机，甚至引发事故，因此辅助设备的诊断也很重要。 1 3 主要研究方法 1 3 1 故障树分析法 故障树分析法是逻辑诊断法中一种最成熟的可靠性分析方法，它不失为一种简 单可靠而又行之有效的系统诊断分析方法。 然而通常的故障树分析法都要求系统的底事件和顶事件是一个确定性的事件， 即要么发生故障要么正常，才能确定顶事件是否处于正常状态。然而对于非确定性 的模糊事件构成的故障树，用传统的故障树分析方法就显得无能为力了。【7 】 1 3 2 模糊理论 模糊诊断不需要建立精确的数学模型，适当运用隶属函数和模糊规则，进行模 糊推理就可以实现模糊诊断的智能化。 但是，对于复杂的诊断系统，要建立正确的模糊规则和隶属函数是非常困难的， 而且需要花费很长的时间。另外由于系统的复杂性、耦合性，由时域、频域特征空 间至故障模式空间的映射关系往往存在着较强的非线性，此时隶属函数形状不规 则，只能利用规范的隶属函数形状来加以近似处理，使得非线性系统的诊断结果不 够理想。【8 】 1 3 3 小波分析 小波分析的应用，为人们分析信号的局部特性提供了很好的数学工具，它有“数 学显微镜”的美称，它的时间频率窗的大小是随信号分解尺度的变化而变化的，它 在频谱的高频部分有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，而在低频段则有较低 的时间分辨率和较高的频率分辨率。【9 】 而小波包通过对分解信号在不同尺度上的分解与重构，能得到原信号在不同频 4 华北电力大学工程硕士学位论文 段上分布的详细信息，以及信号发生突变的时间点。基于小波包分析的这种特性， 通过对振动信号的小波包分析，就能够对振动系统进行诊断分析，及时发现系统故 障发生的时间及频率谱能量。【1 0 1 毫无疑问，小波分析在振动信号分析方面的应用受到了广泛的重视，其作用是 不容忽视的，值得进行深入的研究。 1 3 4 专家系统 专家系统诊断利用了专家积累的丰富实践经验，能模仿专家分析问题和解决问 题的思路，而且能够解释自己的推理过程，解释结论是如何获得的。无论是在理论 上还是在工程上应用都很广泛。 然而它也有不易克服的缺陷，如知识获取的“瓶颈问题。一方面由于专家知 识有一定局限性，另一方面由于专家知识表述规则化有相当大的难度，两者造成了 诊断知识库的不完备，表现为当遇到一个没有相关规则与之对应的新故障时，系统 显得无能为力。还有，系统缺乏自学习和自完善能力，现行的诊断专家系统在运行 过程中不能从诊断的实例中获得新的知识，系统的求解能力完全局限于知识库中仅 有的规则。【1 1 】 1 3 5 人工神经网络 人工神经网络方法是一种全新的、有前景的诊断分析方法。在知识获取上，不 需要由知识工程师整理、总结以及消化领域专家的知识，只需要用领域专家解决问 题的实例或范例来训练神经网络，其知识获取具有更高的效率。 神经网络的知识推理是通过神经元之间的相互作用实现的，从总体上讲，神经 网络的推理是并行的，速度快。在神经网络中，允许输入偏离学习样本，只要输入 模式接近于某一样本的输入模式，则输出也会接近学习样本的输出模式，这种性质 使a n n 具有联想记忆能力，在许多领域的诊断分析系统中得到了应用。【1 2 】 但是，神经网络不能充分利用许多特定领域中专家的宝贵经验，只利用一些明 确的诊断分析实例，而且需要有足够的学习样本，才能保证诊断的可靠性，限制了 它在诊断领域的广泛应用。 1 3 6 混合智能诊断方法 目前，为了克服现有的智能诊断方法的局限性，人们正致力于研究一种更强大 的混合智能诊断方法。如将a n n 与专家系统相结合，用神经网络来解决专家系统的 知识获取；将模糊理论与a n n 相结合，可以采用模糊方法来处理a n n 的输出以显示 5 华北电力大学工程硕士学位论文 最后结果，并且对推理做出解释，而且模糊系统能够给操作人员提供语言量的输出； 还有将遗传算法与神经网络相结合、模糊理论与专家系统相结合、模糊理论、专家 系统和神经网络三者相结合的混合智能诊断方法的探讨等。【l 3 】 可以看出，充分利用各种诊断方法的优点，将多种诊断方法综合来解决不确定 性问题已得到共识，将会有很好的应用前景。 1 4 主要研究成果 国内水电机组监测与诊断技术的研究和实施自2 0 世纪9 0 年代以来发展较快， 也引起了各方面的重视。诊断分析系统在个别单项诊断技术上有些突破，主要限于 机组稳定状态的监测与分析，但目前功能齐全的诊断系统尚未得到系统的开发。 南京工学院和南京无线电仪器厂等单位研制生产的n w 6 2 3 1 振动分析仪可用于 机组振动在线监测；天津市中环电力仪器公司生产的以f f t 分析为基础的t d 4 0 7 0 系列诊断分析仪和重庆大学研制的c d m s 信号处理诊断分析及振动分析系统，均比 较适用于水电站机组稳定性的分析。 华中科技大学研制的水轮发电机组状态监测、诊断及综合试验分析系统及h s j 型系列多功能水力机械监测分析系统已经成功地应用n - - 滩、刘家峡、葛洲坝、隔 河岩、五强溪等大型水电厂及十三陵抽水蓄能电厂。 由清华大学、北京奥技异电器技术研究所联合研制的水电机组状态监测分析诊 断系统也成功应用于广州抽水蓄能电厂，青海李家峡电厂，十三陵抽水蓄能电厂， 福建池潭电厂，湖南东江电厂，湖南马迹塘电厂，贵州天生桥电厂，青海龙羊峡电 厂，云南以礼河电厂，云南鲁布革电厂，云南西洱河电厂，甘肃大峡电厂，甘肃小 峡电厂，福建城关电厂，福建水口电厂，吉林丰满电厂，广东电力试验研究院，贵 州电力试验研究所等单位。 除此之外，还有以单片机或单板机为核心的系统，能对机组振动进行简易的监 测与诊断。 1 5 诊断技术的发展趋势 水电机组诊断分析技术与当代前沿科学的融合是其发展方向。其发展趋势应是 传感器的精密化、多维化，诊断理论、诊断模型的多元化，诊断技术的智能化，具 体表现在以下几个方面： 1 与最新信号处理方法相融合。随着小波分析等信号处理方法在诊断领域中的 应用，传统的信号分析技术有了新的突破性进展。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 2 与现代智能方法的融合。随着智能技术的不断发展，采用各种智能方法以及 多种智能方法的综合对机组实施状态的智能监测和故障的智能诊断，将是机组监测 与诊断技术的最终目标。 3 与非线性原理和方法的融合。水电机组在发生故障时，其行为往往表现为非 线性。如转子在不平衡外力的作用下表现出的非线性特征。随着混沌与分形几何方 法的日趋完善，这一类诊断问题必将得到进一步解决。 4 与多传感器信息的融合。为了对水电机组的运行状态有整体的、全面的了解， 必须对机组进行全方位、多角度的监测。因此，可采用多个传感器同时对机组的多 个参数进行监测，然后按照一定的方法对这些信息进行融合处理。 目前，国内用户对水电机组状态监测与诊断分析系统提出进一步的要求，同时 计算机水平和传感器水平不断发展，因此有必要研制新型的水电机组状态监测与诊 断分析系统。中国国电集团也及时发现了这一点，于2 0 0 5 年设立了水电机组状态 监测与诊断分析系统研究和应用的科研项目，并将这一项目委托给和禹水电开发公 司和中能电力科技开发有限公司共同承担。目前已在和禹公司桓仁电站3 号机组安 装了水电机组状态监测与诊断分析系统，并经过了一段时间的运行和应用。这套系 统将机组稳定性分析、气隙测量、气蚀监测和局部放电监测等子系统或装置高度集 成于一体，功能强大，运行可靠，能全面高效的监测水电厂电力设备的健康状况， 在状态监测与诊断领域已达到国内乃至国际先进水平。i l 4 1 1 6 本论文拟完成的主要工作 本论文将在桓仁电站3 号机组安装状态监测和诊断分析系统工程实践的基础上 完成如下工作： 1 研究确定水电机组状态监测与诊断分析系统的设计方案定位和研究方法。 2 详细分析水电机组状态监测与诊断分析系统的设计方案。 3 探讨水电机组状态监测与诊断分析系统的应用。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章水电机组状态监测与诊断分析系统研制方案 2 1 系统建设目标 项目通过对水力机组的运行稳定性、气蚀、空气间隙及局部放电的在线监测， 同时联合计算机监控系统的监测信息及m i s 系统的综合信息，建立功能较为完备的 跟踪分析系统，提供预警、报警、状态分析、性能评价、诊断分析等一系列工具和 手段，为机组的安全运行，优化调度和检修指导提供有力的技术支持。 项目采用基于b s 模式( 三层结构设计) 的i n t e r n e t 技术，使得在计算机网 络可达到的范围内( 包括厂内各主管技术部门，远程分析中心或专家等) ，都可有 效地对机组状态进行监测分析，制作相应的状态报告，支持运行分析中心的建立和 工作。 项目实施过程中，还要同期编写状态报告制作规程，规范和指导系统的使用， 以使在线监测系统经常性长久地发挥作用。这套系统的软件设计为状态报告的制作 提供必要的分析工具，最大限度的降低状态报告的编写难度。 项目的完整实施为在线监测和状态检修提供一种有实用价值的崭新的技术和 管理模式。 2 2 系统监测对象 系统的监测对象归纳为以下几方面： 振动、摆度 轴向窜动、垂直振动 压力及脉动 水力参数( 水头、效率等) 发电机空气间隙 发电机局部放电监测 工况参数( 有功、无功、接力器行程、励磁电压、励磁电流等) 油温、瓦温等( 监控系统输出参数) 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 方案设计原则 开放性，便于系统的逐步扩展( 包括硬件和软件) ； 充分利用p c 的软硬件资源； 高可靠性的软硬件系统及自诊断功能； 能与其它系统兼容和信息共享； 针对薄弱环节确定监测参数。同时在充分分析机组设备运行特点和常见故障 的基础上，有针对性地进行了传感器布置、选用合理的分析方法，保证系统 的实用性； 为状态检修提供系统的、直接的技术数据和报告，实现性能评价、指导检修 和优化调度的目的。 2 4 系统应遵循的主要现行技术标准和规程规范 i e c 2 5 5 - 2 1 - 3静电放电试验 g b 3 0 4 7 1 面板、架和柜基本尺寸系列 d l t 5 5 6 - 9 4水轮发电机组振动监测装置设置导则 g b t i1 8 0 5 1 9 9 9 水轮发电机组自动化元件( 装置) 及其系统基本技术条件 d l t 6 1 9 1 9 9 7水电厂机组自动化元件及其系统运行维护与检修试验规程 d l t 8 6 2 2 0 0 4水电厂非电量变送器、传感器运行管理与检修规程 g b l l 9 2 0 - 1 9 8 9电站电气部分集中控制装置通用技术条件 g b t 1 4 5 9 8 9辐射电磁场干扰试验 g b l 9 1 包装贮运图示标志 国电发( 2 0 0 2 )水电厂开展设备状态检修工作的指导意见( 国家电力公司总 5 0 8 号经理工作部) 2 5 系统的功能定位 在线状态监测系统不应该狭义地理解成为只是针对故障的分析和诊断，不能只 是出了故障才有用。在强调系统实用功能的前提下，通过不断地改进和完善，水电 机组状态监测和分析系统在现场发挥了越来越多的作用。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 总体上看，水电机组状态监测和分析系统的功能主要体现在安全运行、指导检 修和优化调度三个方面。具体而言，可以帮助用户解决如下一些问题： 完备的在线数据记录 水电机组状态监测和分析系统按照一定的存储策略实现有效状态信息的在线 自动记录，包括过渡过程、稳态过程、故障数据和工况参数发生变化时等各种信息； 并可以通过各种方式进行回放，为系统分析和诊断提供完备有效的历史数据和便捷 的查询、使用办法。在线数据记录是状态监测系统的各项功能的根基。 机组状态变化的检查( 状态突变的发现) 机组在运行期间，如果在同样的条件下运行状态发生了变化，无论如何都是值 得关注的一件事情。水电机组状态监测和分析系统的预警功能可以自动捕获状态的 突变，并以日志的形式迅速通知用户；同时，水电机组状态监测和分析系统的趋势 分析功能为用户提供了人工检查状态变化的工具和手段。状态的突变往往预示着故 障或缺陷的产生。所以，状态变化的捕获就意味着故障的及时、及早发现。 故障、缺陷的分析和诊断 无论是通过预警功能发现了故障，还是通过性能分析找到了缺陷，都需要进一 步挖掘引起这些问题的直接原因。水电机组状态监测和分析系统提供了丰富、直观 的分析和诊断工具，用户可以利用它们进行全面、细致的数据剖析，快速准确的定 位故障原因。 机组性能分析 在过去掌握机组性能的主要方法是通过一系列的现场试验，如：甩负荷试验， 变励磁试验，变负荷试验，变转速试验，相对、绝对效率试验( 现场提供流量数据) 等。水电机组状态监测和分析系统能够准确、稳定地记录各种在线运行数据，通过 系统提供的一些性能分析工具，可以快速生成各种性能图表或曲线，形成诸如：振 动一负荷曲线、振动一水头曲线、过渡过程曲线等大量性能数据，从而替代了常规的 现场试验，为用户了解和掌握机组的特性提供了极为方便的手段。 机组的精细检修 通过大量的现场测试数据，我们发现很多正在运行的机组没有达到最优状态， 有些机组通过一些精确调整，可以明显改善机组的运行状况，有效地延长机组运行 寿命，降低事故率。例如，有些机组通过动平衡，修正大轴直线度，调整轴承间隙 和同心度等，可以进一步降低机组的振动和摆度，减少疲劳损伤，延长机组寿命。 利用水电机组状态监测和分析系统在线记录的数据和丰富直观的分析诊断工 华北电力大学工程硕士学位论文 具，可以定量给出各种因素对振动摆度的影响，确定不平衡质量在哪个方向，主轴 连接法兰哪个位置应当刮研，轴瓦应当向哪个方向调整等问题，避免“拆了又装 的无谓工作，真正达到“越修越好 的目的。这就是所谓的“精细检修 概念，也 正是水电机组状态监测和分析系统的应用重点。 检修效果的评价 随着电力系统的改革，各电厂都在积极开展减人增效的工作。不少电厂的机组 大修工作都由外单位承包，因此，如何对检修效果进行评价，无论从商务角度还是 技术角度都有着非常重要的意义。 从前述功能的介绍可以看出，利用水电机组状态监测和分析系统记录的状态数 据，可以分别生成检修前和检修后的各种性能曲线、参数等分析结果，从而科学、 量化地评价检修效果，达到整机验收的目的，为电厂的检修管理提供全面的技术支 持。 指导机组的优化运行 水电机组状态监测和分析系统通过对机组运行性能的在线跟踪分析，可以让用 户掌握不稳定负荷区等运行工况，通过调整负荷避开危险区运行，保障机组寿命； 也可以利用效率曲线等性能测试结果，合理调度机组，优化经济指标。 利用现有装置提供尽可能多的实用功能 水电机组状态监测和分析系统的设计并没有局限于常规意义的状态监测系统， 它同时也是一个功能强大的测试系统，支持各种现场试验任务的数据采集和分析。 系统在测点和硬件系统支持的情况下，不断为水电机组状态监测和分析系统添加新 的实用功能，努力提高系统的使用价值，随着软件系统的不断升级，水电机组状态 监测和分析系统的功能也会愈加完善。 网络化远程诊断功能 由于采用网络化设计，水电机组状态监测和分析系统的上述所有用户功能都可 以在i n t e r n e t i n t e r a n e t 上使用，这与先用电话线传输数据，再进行数据分析的 系统有着本质的区别。水电机组状态监测和分析系统是将分析诊断技术与网络技 术完全融合的系统，用户在远程和现地使用该系统，功能和界面是完全相同的。 远程分析和诊断对状态检修的管理模式和技术手段有着极为深远的影响，一直 是状态监测行业的技术追求。在水电机组状态监测和分析系统中，对远程用户的支 持是系统的项基本功能，这一技术进步会带给行业巨大效益。 状态报告的定期制作 华北电力大学工程硕士学位论文 状态监测是一个新兴的技术领域，大家都在不断的探索和尝试。系统研制是一 个漫长的过程，如何使用系统则是更为艰巨的任务。经过多年的实践，我们认为， 只有按照一个既定的规程，定期的利用系统分析结果，制作内容全面的状态报告， 才能充分体现系统的价值，真正解决现场的实际问题，才能摆脱状态监测系统可有 可无的尴尬局面，使在线监测行业走入良性发展的轨道。【l 5 l 为此，水电机组状态监测和分析系统的一个潜在的设计意图就是支持状态报告 的定期制作。在水电机组状态监测和分析系统的推广过程中需要不断研讨利用本系 统制作状态报告的内容和规程，这是水电机组状态监测和分析系统标准服务的一部 分，是使状态监测系统在现场充分发挥作用的重要保障。 2 6 方案的技术、功能特点 不同于其它状态监测及诊断分析系统，水电机组状态监测和分析强化了系统在 网络化，故障预警，在线跟踪分析，状态分析报告等方面的功能，有着显著的实用 意义，逐渐成为机组日常运行、维护、调试必不可少的技术平台。 系统的设计构想是通过实用有效的功能定位和开放式的构成体系，实现对设备 运行状态的全面监测，揭示机组状态的变化趋势和故障本质，最终为预测性维护体 制提供系统化的技术手段。 系统是面向全状态监测而设计的，在其硬件和软件系统的设计上充分考虑了这 一发展。具体实现时又分步、分块有计划的逐步完成，先难后易，从主机的稳定性 着手，逐步扩展功能，最终实现全状态监测的目的。 真正的i n t e r n e t i n t r a n e t 系统 计算机技术的发展为状态监测技术的发展注入了新的活力。 i n t e r n e t i n t r a n e t 、数据库、网络技术、编程技术、p c 平台的软硬件资源等计算 机技术为状态监测提供了坚实的平台和宏大的发展空间，充分利用当今主流的计算 机技术，会带来低成本、高可靠、易维护、操作便利等一系列好处，达到事半功倍 的效果。 水电机组状态监测和分析系统是将计算机技术与诊断理论完美融合的先进系 统，是真正的i n t e r n e t i n t r a n e t 系统。这样就为社会化状态检修管理模式构造了 i n t e r n e t i n t r a n e t 网络系统，同时充分利用电厂已经建立的计算机局域网络平台 或m i s 系统资源。 独特的自适应预警技术 预警技术是由水电机组状态监测和分析系统独创的项关键技术，它可以在机 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 组运行期间捕捉状态变化的蛛丝马迹，在出现状态参数超标报警之前，提前发现故 障隐患。 预警技术与报警技术有着本质的区别。报警是将测量参数与给定的阀值进行比 较，越限后报警。报警是实现机组保护的重要手段，但并不能为故障的分析和判断 提供更详细的信息，也不适用于对早期故障的识别。 水电机组状态监测和分析系统的状态预警采用海量样本高速匹配算法。机组运 行一段时间后，系统会利用大量的全波形信号自适应生成一个样本集，水电机组状 态监测和分析系统将当前时刻的信道信号波形与同工况下的样本集进行比较，如果 变化超出许可范围，既向用户发出预警信息。 预警对于信号的变化非常敏感，只要机组的状态变化可以反映到传感器输出信 号的波形、幅值、频谱成分的有效改变，都可以被水电机组状态监测和分析系统的 预警系统捕获，发出预警提示。在传感器布置有效的前提下，状态预警可以实现早 期故障或缺陷的无漏检测。 过渡过程的跟踪分析 水轮机组的过渡过程试验是了解机组性能和缺陷的重要手段，由于系统可以对 监测数据做连续高密度采样，从而严格记录了瞬态过程的所有信息，包括启机、停 机、甩负荷、负荷调整等各种过渡过程。只要机组由于事故或其它原因出现过一次 甩负荷，系统就会记录完整的过程，相当于进行了一次现场甩负荷试验。运行人员 可以察看相应的趋势曲线发现事故隐患，评价调速器、励磁系统的性能状态。【l 6 】 过渡过程跟踪分析同时也为机组的调速器、励磁机的状态评价提供了最为全 面、直观的技术数据。 系统的上述功能被称为在线过渡过程跟踪分析功能，它是系统在线自动获得机 组过渡过程参数的重要手段，是机组状态监测和性能评价的必要组成部分。该功能 同时为机组现场测试提供了便捷的技术途径。 稳态过程的跟踪分析 在状态监测与诊断系统中增加性能测试功能是十分必要的。行业内标准的做法 是通过有计划的现场测试来获得必要的性能曲线。这种做法往往需要较大的现场工 作量，例如做一族水头一振动曲线，对于水头变化较慢的水电厂，往往要做一年的 现场试验，才能获得所有的水头数据，得到完整的性能曲线。在安装了本系统后情 况就大不一样了，只要系统在线运行足够的时间，在这段时间内各种水头都出现过， 就会通过历史数据的检索和滤波处理，自动拟合出某一出力下的水头一振动曲线， 或者是水头一负荷一振动三维曲面。对其它性能曲线，如效率曲线也是一样，只要 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 所需要的工况点运行时曾经出现过，就可以出现在性能曲线上。对于没有出现过的 工况点，可以人为安排机组在指定工况下运行，以加速获得性能曲线的过程。【l 7 】 系统的上述功能被称为稳态性能跟踪测试功能，它是系统在线自动获得状态信 息的重要手段，同时为机组现场测试提供了便捷的技术途径。 损伤统计 机组的各个部件在不同幅值和频率的交变应力作用下其寿命是不同的。一台机 组在设计工况附近，振动平稳，压力脉动较小，可以运行很多年。如果运行在振动 和压力脉动都很大的负荷区，会加速出现较严重的事故。因此，机组部件的运行寿 命与机组的运行工况或运行调度有关，损伤统计就是对这种关联性的量化算法。它 是通过在线监测机组部件所受的交变应力的大小和频率，经过一定时间的累加和统 计，得到反映机组寿命损伤情况的损伤强度和等效损伤时间。气蚀、泻水锥松脱、 支架疲劳故障、转轮裂纹等都可以通过损伤统计来间接监测。损伤统计是从在线监 测到寿命评估的有效技术途径。 完备的数据纪录 机组的状态检修，必须依靠多年的在线监测资料，分析比较状态的变化，才能 真正发现机组的故障，合理安排小修和大修，为此历史资料的长期存储成为在线监 测系统的基本功能。水电机组状态监测和分析系统采用一整套数据采集与存储策 略，严格保证在运行状态发生变化时及时准确地存储状态资料；状态稳定时也可按 照时间等参数的变化进行在线自动存储；同时时域数据库的设计实现了监测资料的 完整、统一、简洁，可以充分保留机组振动特性的完备信息。硬盘存满后，系统可 进行自动遗忘压缩。下位机同时还保留几个小时的高速采样信息，可作为过渡过程 试验和事故追忆功能使用。 全面支持机组运行状态报告的制作 水电机组状态监测和分析系统支持远程数据下载，并提供与e x c e l 等电子表格 处理程序兼容的数据文件；在用户终端上，水电机组状态监测和分析系统直接支持 大量的图形和数据处理工具。 利用这些工具和手段，用户可以轻松地对在线记录的数据进行分析和整理，形 成多种内容的状态分析报告，例如：甩负荷分析报告，变负荷试验报告，启停机分 析报告，稳定性分析报告，大修评价报告，故障分析报告等。总之，绝大多数现场 测试报告都可以通水电机组状态监测和分析系统轻松制作。定期状态报告的制作是 在线状态监测系统经常性使用的主要方法，支持状态报告的制作是水电机组状态监 测和分析系统实用功能的又一重要体现。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 专业、细腻、直观的分析诊断工具 系统同步、高速采集反映水电机组运行状态特点的摆度、振动、压力脉动、气 隙、磁场强度、温度、功率、转速、水头和接力器行程等各种参数和变量，在软硬 件处理上都充分考虑了水电机组的低频、随机特性，严格保证了测试信号的准确和 可靠。 水电机组的运行状态会随着功率、导叶开度、水头等参数实时变化，因此对水 电机组的分析必须是针对过程的，如一个启停、一个工况或一段时间内的数据，用 一个时刻的数据进行分析就很难得到有效的结果。为此，水电机组状态监测和分析 系统提供了一系列的动态分析工具，如启机分析、停机分析、参数随工况变化关系 曲线等，即使对于常规的频域、时域分析，也都可以进行全过程动态显示。 全组态化设计与生产 水电机组状态监测和分析系统推荐有标准的传感器布置方案，但针对客户的特 殊要求或机组的薄弱环节，传感器布置可以做部分或全部修改，只要满足机理分析 的要求。对于现