水电厂状态监测及故障诊断专家系统

1、水电厂状态监测及故障诊断专家系统李香华 董显 杨大贵（中国长江电力股份有限公司）摘要：本文主要介绍了水电厂状态监测及专家诊断系统的总体结构，以及我厂该系统的实际应用情况。以局部放电为例，着重阐述了其软件部分，通过观测到的波形来说明如何进行故障诊断。关键词：状态监测；故障诊断；专家系统；局部放电引言：据日本新日铁1984年统计,采用状态监测技术当年效益为8.149亿日元。1995年美国电科院与ComEdison电厂合作对10台机组安装了其状态监测设备,经计算,开始2年的经济效益超过1600万美元。从中可以看出，实施状态监测可减少设备不必要停役、降低维修成本、增加可利用时间，从而提高设备运行维修效

2、益。同时，近年来,我国大、中型水电站水轮发电机组事故不断,如广西岩滩水电厂300机组大负荷区振动,李家峡水电站400机组、东江水电厂125机组振动，这些机组在运行区域内都存在着振动工况区。如何及时尽快的发现、解决这些问题是值得深思的一个问题。我们到底能不能可随时掌握设备技术状况和劣化规律，避免突发性事故和控制渐发故障，从儿保证水电厂设备的安全经济运行呢？最后，我国的检修体制也在从计划检修向状态检修过渡，同时这样就必须要有一个包括信息采集、数据处理与分析、处理意见与决策的系统，基于以上问题状态监测及专家诊断技术应运而生。1状态监测系统状态监测系可用来在线、并行、实时地采集反映机组工作状态的各种参

3、数,如机组的振动、摆度、压力脉动等;可对各参数进行在线分析，如时域波形、轴心轨迹、频域图谱等;并可以将有关的参数，如原始数据、快速傅立叶变换数据等，进行存储和分级分类管理;当机组运行出现异常状态时,可及时报警;监测结果可随时打印输出，如每日工况监测报表、异常测点的数据报表等。状态监测系统的结构简图如下：图1 状态监测系统框图2 故障诊断专家系统该系统是状态检修中最关键的环节,它以设备的状态信息监测为基础,根据所得信息量,提取能反映设备运行状态的征兆,并对这些信息进行分析诊断,判断设备是否存在故障,确定故障的原因、位置及性质,得出分析结论,指导维修计划。专家系统一般由实时数据库、专家知识库、推理

4、机组成。专家系统以实时数据库中的各类数据为故障诊断的主要依据,运用专家知识库中存储的大量领域知识和经验,通过模拟人类专家的思维决策过程对信息进行推理和判断,给出相当于专家水平的结论。图2故障诊断专家系统结构简图3 我厂的实际应用我厂主要安装了局部放电、气隙、以及磁场等的在线监测系统。下面主要介绍我厂局部放电的在线监测以及专家诊断系统。我厂与西安交大科技园博源电气有限责任公司共同研制的超高频水轮发电机在线监测系统是基于Labview虚拟仪器程序而开发的。利用双传感器在发电机高压出线端采集放电信号，并且利用脉冲时延鉴别的方法进行抗干扰处理，效果显著。系统的总体结构图下图所示： 图3 发电机局部放电

5、在线监测系统结构框图 从图3中可以看出，发电机局部放电在线监测系统由以下部分组成：硬件部分：l 传感器l 信号调理单元l can总线或网卡通讯单元l 其他辅助单元l 采集卡和数字I/Ol 移动工作站式上位机与下位机机柜软件部分：l 采集功能软件l 数据库软件l 分析功能软件3.1 硬件部分硬件电路主要是要实现信号的实时采集，获取有效的局部放电信息，使整个系统稳定，可靠的工作。硬件部分按照其功能共分为一下几个模块：传感器，信号调理模块，采集和数字I/O，其他辅助电路，can卡或网卡通讯单元，PC机和机柜。（元件、连线等的选择方式就不作具体介绍）3.2 软件部分 局部放电在线监测软件可以实现：服务

6、器/客户机之间对局部放电信号的在线数据采集，局放数据的处理及存贮，对局部放电的谱图显示，对历史局放状况的查询等功能。可实现局部放电测量过程自动化监测，简化工作人员操作，但用户也可以通过手动操作，实现查询、分析等更多功能。3.2.1采集软件本局部放电在线监测控制软件是采用LabVIEW图形编辑软件编制而成。该软件在编写控制面板方面具有强大的功能。本系统有两个控制面板，一块安装在下位机上，直接负责采集控制，另一块安装在上位机上，用来发送采集命令和接受下位机上来的数据，并进行相关控制和数据采集。3.2.2 数据库软件由Microsoft SQL Server 构建的局放数据数据库，可以方便实现数据服

7、务器/客户结构，及升级为数据网络传输。该模块将局放采集信号，诊断及查询的模块联结在一起，对一般用户隐藏，只有拥有高级管理权限的用户可以对其进行数据操作。数据库中存储三部分数据：l 存贮实时局放数据及预处理数据，此数据可生成各种局放的谱图；l 存贮历史局放数据信息及典型局放模式数据信息，根据此数据可以生成局放趋势图，并且实现对历史局放相关参数的查询；l 存贮局放数据，实现对局放警戒值或者出现事故的相关历史数据追踪显示，查询。数据库主要字段含义如下表：表1 原始数据表（olddata）文件名1（原始数据）所在相位（采集数据通道）传感器编号（数据来自）日期/时间（采集开始或结束时间）Filename

8、PhaseSensorDate3.2.3 分析软件分析软件模块也是在Labview的开发平台下完成的，具有友好的界面。其主要功能如下所示：l 测量系统可以检测放电幅值（Qm），相位，次数，极性，放电总量（NQN）等参数；l N-Q图，Q-图，N-，二维及N-Q-三维谱图等显示；l 由局部放电引起的故障预警，报警；l 选定区间放电趋势图及查询历史局部放电数据；Ø 自动分析当采集完毕，程序进入自动分析程序，对采集到的数据进行N-q图、三维图、趋势图的分析，并存储NQN及Qm值。 图4 自动分析程序界面 图5 手动分析程序界面如图4所示，分别列出了ABC三相的正负NQN值和正负Qm值的趋势

9、图。右侧还有预警以及报警指示灯，并且显示出了每一相的最大放电量和最大NQN值的数值。分析完毕，5分钟后程序自动退出LabVIEW环境，这就是采集、分析、显示、存储及退出的全过程。Ø 手动分析在手动程序主界面下点击手动分析按钮，则进入手动分析界面。如图5所示。可以看到，我们可以查看50个工频周期放电图，二维谱图，三位谱图以及放电趋势图。3.3 结果初步分析（1）从Qm及NQN的发展分析绝缘状态：若发现特大放电或Qm，NQN不断增大，变化特快时绝缘接近损坏（击穿）。（2）从谱图分析放电类型：如在NQ谱图中，图6正负极性相似是绝缘内部的放电；图7正极性小而多负极性大而少是线棒端部靠近铁芯处

10、或槽部的放电，图8正极性大而少，负极性小而多是靠近线棒导体边缘气隙的放电。 图6 绝缘内部放电的N-Q图 图7 线棒端部靠近铁芯处或槽部放电的N-Q图图8 靠近线棒导体边缘气隙放电的N-Q图（3）单个放电波形：上升时间t<10ns,为内部气隙放电，如图9；上升时间t>10ns,为槽部放电或端部放电，如图10。 图9 内部气隙放电波形图 图10 槽或端部放电波形图结束语设备状态监测的手段、故障机理研究和诊断知识的获取是一项长期工作,现场经验的积累也有一个漫长的过程。从目前葛洲坝电站的设备先进水平和在线检测手段看，我们对故障信号的状态监测已经比较完善，但对监测到的结果还只能进行初步分析，故障诊断功能还比较薄弱，特别是在智能诊断、充分利用数据和专家知识为大型机组经济安全运行服务方面还相当欠缺。我厂根据自身实际，结合发电机原始设计参数和20多年来的检修实践，正和华中科技大学联合开发一套更加完善的专家系统。相信在不久的将来 ,葛洲坝电厂有能力在状态检修方