2022水电站主设备状态监测与状态检修决策支持系统技术方案

水电站主设备状态监测与状态检修决策支持技术方案目录31375_WPSOffice_Level11水电站主设备状态监测与状态检修决策支持 23996_WPSOffice_Level21.1概述 221607_WPSOffice_Level21.2现状分析 31296_WPSOffice_Level21.3系统结构 527748_WPSOffice_Level21.4系统功能 810027_WPSOffice_Level21.5电厂接入 1420096_WPSOffice_Level21.6外部接口 165042_WPSOffice_Level21.7技术指标 16水电站主设备状态监测与状态检修决策支持概述应在安全II区和管理信息大区一体化管控平台中部署主设备状态检修应用组件，构建xxxxx分公司集控中心主设备状态监测与状态检修决策支持系统，监视主要机电设备（如发电机组、主变、断路器、GIS等）的设备运行情况。系统可通过专用通信通道与各梯级电站的状态监测及分析子系统通信，实时获取各相关设备运行信息。系统应基于一体化管控平台，实现发电机、水轮机、变压器、断路器等主设备状态数据的采集、特征计算、实时监测、自动录波、性能试验记录，为不同设备提供统一数据接入模型和分析诊断模型，构建开放的数据平台、分析平台以及应用架构，存储主设备状态的全寿命周期健康履历，建立灵活开放的状态量模型、专家规则库和算法模型库，采用模糊算法、专家系统及神经网络等算法实现设备的状态分析，实现灵活的算法管理及调用，并融入到一体化管控平台的共享机制及管理体系中，逐步构筑闭环的状态监视、分析展示、技术诊断、评估分析、预警和决策建议、生产维护一体的管理机制和体系。基于目前各梯级电站机组状态监测系统、输变电设备状态监测系统/装置的技术水平不一的现状，系统可分在线监测与及趋势分析、状态检修决策支持两大部分来逐步进行建设。第一步着重于电站状态监测系统的接入，在集控中心主设备状态监测与状态检修决策支持系统中实现各电站主设备的在线监测和趋势分析功能；第二步在集控中心存储了一定的状态监测历史数据后，逐步实现状态检修决策支持系统的状态诊断、状态评估、状态预测、状态预警、风险评估、决策建议等各项高级功能。现状分析实现水力发电主设备的状态检修辅助决策是集控中心建设的重要内容之一，为了达到这个目标，首先需通过各种手段获取现场状态监测设备对象的状态信息。机组状态监测系统技术现状水电厂主要应从两方面对水轮机系统相关物理量和参数展开状态监测：水轮机稳定性及水轮机状态。水轮机稳定性方面：主要包括主轴摆度，机组结构振动、水压力脉动的状态监测；水轮机状态方面：包括水轮机能量效率、水轮机空化与泥沙磨损状态、水轮机主要部件的应力与裂纹的状态监测。目前，水轮机稳定性及在线监测技术相对比较成熟，监测内容主要包括：振动、摆度、压力脉动，主要应用的传感器有：位移传感器、低频振动传感器、压力传感器等，均可以在后续安装。发电机系统主要监测项目包括：发电机定子振动、发电机定子线棒振动、发电机空气气隙与磁场强度、绝缘与局部放电参数、定子线棒温度、定子铁芯温度、转子磁极温度、转子线棒温度等。发电机定子振动和定子线棒振动监测与水轮机稳定性监测同属主机稳定性监测项目，相关物理参数和信号的监测手段和方法相同，监测技术相对比较成熟。水轮发电机定子与转子之间的空气间隙由于制造质量、安装工艺等因素，还有运行时定转子结构部件受到电磁力和离心力的作用，设计选定的气隙值在机组安装、试运行以后往往会发生变化。通过在线监测发电机定、转子间空气间隙，可以及时掌握发电机运行过程中定子的变形趋势和大小，以及转子磁极的松动和结构变形；通过检查气隙不均匀性，可以检验发电机制造、安装和维修质量；由于气隙间隙不均匀会导致磁拉力不平衡，引起振动，故气隙监测还可作为机组振动监测的辅助分析工具。因此对发电机气隙进行监测具有重要的实际应用价值。目前，发电机气隙监测已经成为水电机组状态监测系统的一个重要组成部分，已有成熟实用的产品，在我国大中型水电机组上有广泛的应用。水轮机状态监测方面，水轮机能量效率线监测技术相对比较成熟，监测内容主要为机组流量。在水轮机组的效率在线监测中，对过机流量进行准确和稳定的在线的测量成为关键。多声道超声波流量计采用多声道测流速加权积分测流技术，可较好地解决了流态分布，信号处理和现场安装等技术难题，可较好实现机组绝对流量值精确在线测量。设备现状机组状态监测设备基本安装，xx、xx、xx、xx、xx、xx、xx、xx基本上都安装了机组现地状态监测屏，其中xx和xx使用的是奥技异的PSTA2000水电机组状态监测及分析系统，xx1~4号机使用的是阿尔斯通创维实S8000水轮发电机组状态在线监测系统，xx5号机组、xx1~6号机使用的是华科同安的TN8000水电机组状态在线监测系统。xx使用的是深圳市帝佑电子有限公司DUBZJ-3A监测装置。xx使用的是北京奥海辰科技发展有限公司的TR-8000监测装置。xx使用的是中水科的H9000系统。大部分电站均无状态监测上位机服务器。输变电设备状态监测系统技术现状作为保障电网安全运行的关键技术之一，输变电设备在线监测技术在国家电网公司的应用已经比较广泛，近年来国家电网公司先后颁布了多项输变电设备在线监测系统相关技术和管理企业标准，部分监测系统在某些省电力公司的某些电压等级的设备已经普遍推广使用，如油中溶解气体在线监测、电容性设备介损与电容量监测、氧化锌避雷器泄漏电流监测等，并取得一定的效果。在线监测系统在发现被监测主设备的缺陷方面，发挥了其他手段难以承担的作用，即及时、有效地发现设备缺陷，预防设备的突发性故障，为主设备的安全运行起到了较好的保障作用。另一方面，也存在个别质量不过关的输变电在线监测设备发生的误报、拒报等，给电网的运行管理带来不利影响的事件。输变电设备状态监测主要包括主变监测、断路器监测、GIS监测、容性设备监测等，对变压器油中气体的检测分析是对变压器运行状态进行判断的重要监测手段。变压器在运行中由于种种原因产生的内部故障，如局部过热、放电、绝缘纸老化等都会导致绝缘劣化并产生一定量的气体溶解于油中，不同的故障引起油分解所产生的气体组分也不尽相同，从而可通过分析油中气体组成的含量来判断变压器的内部故障或潜伏性故障。对变压器油中溶解气体采用在线监测方法，能准确地反映变压器的主要状况，使管理人员能随时掌握各站主变的运行状态，以便及时作出决策，预防事故的发生。目前，变压器油中气体检测分析技术成熟可靠，已越来越多地应用在变电站、电站的大中型变压器状态监测。设备现状各梯级电站变电设备在线监测系统相关设备总体安装较少，没有安装输电线路状态在线监测相关设备。xx、xx安装了油中溶解气体含量的主变监测装置，xx安装了SF6气体泄漏监测，其他电站基本没有安装变电监测设备。建设任务及改造建议根据设计，主要开展以下几方面的建设任务及改造建议：新建集控主设备状态监测与状态检修决策支持系统及其设备；在无状态监测上位机系统的电站增加状态监测数据接入设备，在有状态监测上位机系统的电站在上位机系统中增加接入到集控中心的相应软件。各电站的输变电主设备的监测内容并未统一接入电站的状态系统中，在电站今后的改造过程中需逐步把输变电监测内容逐步接入，在厂站层形成一个统一的全厂站状态监测系统。基于“现状分析”节中的状态监测技术现状及各个电站设备现状，建议增加一些电站的变电设备的监测装置。建议具备条件的电站安装主变油中溶解气体含量在线监测设备。建议在没有安装机组状态监测系统的电站，增加状态监测上位机系统、机组振摆及压力脉动传感器前端采集处理设备及其前端采集处理设备。建议各电站安装用来进行机组过机流量及效率监测用的多声路超声波流量计，实现对机组绝对流量值的精确在线测量。系统结构系统结构及组成系统结构集控中心主设备状态监测与状态检修决策支持系统结构如下图所示。状态监测与状态检修决策支持系统利用一体化管控平台与电站水轮机、发电机、变压器、断路器等主设备状态监测系统设备的信息交互接口，实现发变电主设备运行状态数据信息的实时监测及越限告警，并把这些数据在一体化管控平台中进行汇总和存储，实现分析诊断、预测评估等状态检修辅助决策应用功能。图SEQ图\*ARABIC23主设备状态监测与状态检修决策支持系统结构示意图系统组成厂站Ⅱ区接入服务器：各电站状态监测设备采集分析数据接入服务；集控Ⅱ区数据服务器：集控中心主设备状态监测接入数据存储查询服务；集控Ⅱ区应用服务器：集控中心主设备状态监测分析操作访问应用服务；集控管理信息大区数据服务器：集控中心主设备状态检修接入数据存储查询服务；集控管理信息大区应用服务器：集控中心主设备状态检修决策支持操作访问应用服务；工程师站：系统设备模型定义、用户权限管理及数据库维护服务；网络辅助设备：安全网络连接服务。数据流拓扑主设备状态监测及状态检修决策支持系统数据流拓扑如下图所示：图SEQ图\*ARABIC24主设备状态监测与状态检修决策支持系统数据流拓扑图软件功能架构主设备状态监测与状态检修决策支持系统架构如下图所示：图SEQ图\*ARABIC25主设备状态监测与状态检修决策支持系统业务框架一个完整的主设备状态监测与状态检修决策支持系统功能模块包括：数据获取、数据处理、监测预警、状态分析、状态诊断、状态评价、状态预测、风险评估及决策建议。系统通过一体化管控平台数据服务总线技术实现对外部系统数据的访问调用，并完成与监控系统、生产管理系统等其它外部系统的有效信息互通互联。系统功能业务流程系统的数据获取、分析、处理和决策支持的业务流程如下图所示。图SEQ图\*ARABIC26系统状态检修决策支持业务流程图数据获取数据获取模块为系统的输入和外部接口模块。依据状态评价导则和设备相关规程，通过相关接口设计与配置，本模块的主要任务是通过一体化管控平台数据服务总线有效获取计算机监控系统或现地在线监测系统中反映设备健康状态指标的各类基础数据、实时数据、试验数据和其他数据，为进一步的数据处理与判断提供完整的信息资源。数据处理数据处理是对数据获取层获得的分析对象原始数据，根据监测、分析诊断等业务需要进行必要的过滤、换算、组合等数据加工和处理过程，使其成为反映设备健康状况的状态量数据，以供状态检修的状态预警和状态评价使用。状态监测与分析状态分析模块是对利用在线监测的报警模块判断异常后，可采用有针对性的状态分析方法分析设备当前运行状态，为随时掌握设备健康状况提供参考。具体分析方法如下：振动摆度状态监测分析振动摆度状态监测分析模块主要是对振动摆度量进行状态分析，主要包括机组结构主监视图、棒图、波形图等形式实时动态显示所监测设备的状态数据。提供时域波形分析、频域分析、轴心轨迹图、空间轴线图、瀑布图、趋势分析等多种专业分析手段，分析机组稳态数据，以评价机组在稳态运行时的状态；提供相关性分析、瀑布图分析、连续波形等多种分析手段用于分析和评价机组在启停机、甩负荷、变励磁、变负荷等过渡过程中的状态。压力脉动状态监测分析压力脉动状态监测分析模块主要是对压力脉动进行监测，实时显示压力脉动的波形并分析压力脉动的频率成份以及压力脉动随工况的变化情况，分析各压力脉动及其频域特性与负荷、开度之间的关系；监测机组运行过程中尾水压力及压力脉动的大小，分析引起机组异常振动的水力因素，如尾水管压力脉动过大、尾水管涡带。能量特性状态分析能量特性状态分析模块主要获取机组流量、功率、上下游水位等信息，经过计算，实现对机组能量特性的实时监测，显示发电机及水轮机的当前运行工况，进而分析机组能量特性与机组的振动、摆度以及压力脉动等的关系，使使用者可以随时掌握机组特性，有利于机组优化运行；通过长期的数据积累，逐步形成实际的运转特性曲线。发电机气隙状态分析发电机气隙状态监测分析模块主要用来分析定转子气隙的变化趋势，从而对电机定转子性能作出相应判断。通过获取现地机组在线监测装置懂得发电机定转子气隙数据，形成各种图谱，监测各磁极气隙变化趋势，分析判断异常情况或故障，并通过一体化管控平台进行告警输出；通过气隙图实时监测机组运行过程中定转子的最小气隙、最大气隙、平均气隙及其发生的角度和磁极号，给出转子中心和定子中心的偏移量，并模拟磁极周向形貌；真实描述发电机结构情况，以及在机械和电气的影响下的运动情况；分析最小气隙、最大气隙以及平均气隙的趋势，提供丰富的信息，主要监测磁极松动等异常情况。监测包括开机、甩负荷、停机等工况转换过程中各参数及其所反映的发电机定子转子结构的变化过程；显示定转子圆度曲线、磁极形貌、工况转换过渡过程曲线等，分析气隙不均匀性。发电机磁场强度状态分析发电机磁场强度状态监测分析模块主要是获取磁场强度数据并与磁极的气隙测量值对应，以数据表格、棒图、磁场强度比较图等方式进行显示，直观监测磁场强度的变化；形成磁场强度随时间变化的趋势图及磁场强度随负荷等工况变化的“工况-磁场强度”相关趋势图；通过分析各磁极磁通密度的绝对值和相对变化，判断转子绕组匝间短路现象和磁通量不平衡故障。发电机运行参数状态分析发电机运行参数状态分析模块主要是通过一体化管控平台数据总线获取监控系统LCU采集的机组各部位瓦温、油温、油位、定子线圈及铁芯温度、冷却水温度、发电机定子绕组温度、定子电压和电流、转子电压和电流、有功功率和无功功率、负序电流和零序电流，发电机内功角和电势等电气参数，深入分析发电机的运行状态。机组瞬时过程状态分析水轮机组的瞬时过程也称为过渡过程，是了解水轮机组性能的重要窗口。系统具备实时在线自动记录机组启机，停机，甩负荷过程中的全部数据，瞬时分析模块对这些记录数据进行整理、回放和分析。机组优化运行状态分析通过一定时间段数据积累，自动统计各个工况下的参数，并根据这些参数生成实际运行的运转特性曲线图；分析各工况点下的效率、振动、摆度、压力脉动、气隙、磁通量值，可以逐步得到机组运行的良好工况区域，明确危险或不良工况区，从而指导机组尽可能避开危险工况区运行；在机组运行过程中，通过对机组运行数据分析，随时警示机组是否在危险工况点运行，提醒使用者通过调整负荷来避开危险点等措施，保障机组寿命；利用机组实测效率曲线等性能测试结果，合理调度机组，优化经济指标；自动统计某一时间段内的机组运行工况点、各工况累计运行时间和开停机次数，并可自动生成运行报表。性能评估与试验分析利用系统长期自动积累的机组不同工况下的稳态运行数据和试验数据，通过系统提供的各种分析工具，动态评估机组的动、稳态性能；利用多维相关趋势分析功能生成机组稳定性参数和转速、负荷、水头、励磁电流、励磁电压之间的相互关系性能曲线，为了解机组特性和查找故障原因提供直接依据；通过各性能曲线掌握机组不稳定运行工况区和特殊振动区，指导机组优化运行；自动或通过人工辅助完成各种现场试验，如机组稳定性试验（变转速试验、变励磁试验、变负荷试验）、机组启停机试验（机组启机过程、停机过程）、过渡过程试验（扰动试验、超速试验、甩负荷试验）、相对效率试验、水头试验、动平衡试验、电磁不平衡试验、发电机惰性停机测试、盘车轴线测量等。通过系统性能曲线生成工具，使用者不需复杂的操作即可获得机组各种动稳态性能的试验报告和特性曲线。历史趋势分析动态生成饼状图、柱状图，实现状态监测趋势图形化显示；实现温度、液位、压力、振动、流量等过程量的偏差分析、相关量分析、趋势分析，利用直方图、散点图等工具进行分析并给出分析结果；提供电站事故、故障或异常情况历史追溯，方便生产管理人员调用各历史数据曲线并进行直观分析、判断；通过定期趋势分析，及时发现异常，提出预警，做好预控，避免发生设备非停，如通过分析测点数据序列的变化趋势，对油槽设备缓慢漏油、轴瓦损坏造成的瓦温缓慢上升等隐患进行分析；状态报告分析系统提供实用的状态报告功能，便于使用人员方便地了解和掌握机组的运行状态。系统全面支持状态报告的自动制作，全面提供反映机组动稳态特性和机组各部件运行状态变化，使用人员无需繁琐的操作即可得到完整的报告，所有报告采用与Excel、Word等标准处理程序兼容的文件格式存储。报警与预警系统具有报警功能，即当测量得到的参数超过设定限值后发出报警信号，系统提供实时的机组报警信息一览表，从中可方便浏览到机组的报警信息。系统的报警/预警平台应基于一体化管控平台开发，当机组出现报警/预警或系统模块出现故障时，报警平台窗口将自动弹出，并以醒目的颜色变化提示相关人员注意，同时系统根据相关报警信息提供相应的处理意见和可能的故障。系统所有报警事件均会自动存储，用户可以通过事件列表调取事件记录。系统所有报警信息还可以通过一体化管控平台共用的短信平台以短信形式发布到相关人员的手机上。状态预警模块实时监控状态量指标变化，对于超出状态评价导则和设备相关规程规定阈值范围的劣化指标，根据不同的类别和等级及时向一体化管控平台或生产管理决策支持系统传输告警和预警信息，同时启动设备状态诊断模块，辅助分析故障位置和原因。该功能模块需和前端在线监测设备监测报警主要功能进行协调管理，实现功能的同一化,同时需确定设备的相关故障诊断导则。状态诊断状态诊断模块是对状态预警模块发出预警信息或状态评价结果表明健康状态明显下降（可靠性下降状态、缺陷状态、危急状态）的设备，采用状态诊断方法诊断设备可能存在的故障原因和故障部位，为故障处理或状态恢复提供参考。状态评价状态评价模块依据发变电设备状态特征量和状态评价相关导则标准，对反映设备健康状态的各指标项数据进行分析评价，并最终得出设备总体健康状态等级。状态预测状态预测模块利用设备当前和历史状态指标数据，采用时间序列算法对各类连续数据进行趋势预测，预测和评价设备的今后某一时期健康状态发展趋势，并得出将来状态的评价结果。点检定修系统集成系统还应能集成各梯级电厂的点检定修管理系统，对设备说明书、设备图册、设备部署图、设备检修工艺规程、备件制造工艺规程、专用工具图纸、修理质量标准等技术资料导入主设备状态监测与状态检修管理系统实现资源共享，采取科学的、有效的、先进的编码体系来对所有电站的设备进行统一编码和管理，逐步建立广西分公司所辖所有电站统一的检修技术标准、设备维修标准、检修作业标准等标准化体系。决策建议系统具备定期评价机组各部件运行状态，了解哪些部件状态正常，哪些部件异常，决策建议模块以设备状态评价结果为基础，综合考虑风险评估结论，建立设备状态和设备失效风险度二维关系模型，综合优化发变电设备检修次序、检修时间和检修等级安排。当某部件出现异常现象时，利用系统提供的试验分析工具，辅助分析异常原因，指导检修。并依据状态检修导则确立的分级维修标准，确定具体的检修项目和检修时间，最终将建议结果递交设备管理人员或传送到相关的外部生产管理系统进行实施安排。电厂接入系统与电厂状态监测系统或装置的数据交互以以太网通信方式实现，通过一体化管控平台II区高速数据总线实现与机组状态监测系统及变压器油色谱状态监测系统进行数据交互。硬件接口在电站的现地服务器柜内需安装一台状态监测接入服务器，获取电站机组状态监测系统数据后，通过以太网接入电站安全II区交换机，II区交换机接入电站到集控中心的通信通道，一体化管控平台集控中心II区交换机接入集控中心到电站的通信通道，电站现地状态监测系统接入xxxxx分公司集控中心状态监测及状态检修决策支持系统网络接口图如下图所示：图SEQ图\*ARABIC27各电站现地状态监测系统接入状态检修系统网络接口图数据传输协议传输协议采用ModBus_TCP，电站现地状态监测系统为从站，集控中心主设备状态检修系统为主站。数据交换内容平班、xx、xx、xx、百xx、xx、xx、xx和金鸡滩水电站现地机组状态监测系统测点包括：振动、摆度、压力脉动等信号。（注：对于机组振动、摆度、压力脉动、导叶位移、机组转速、机组效率信号，特征数据的传输频率不大于1次/2048个原始样本数据）。机组稳定运行时，对于气隙、磁通量等特征数据的传输频率为1次/32转；机组稳定运行时，对于机组振动、摆度、压力脉动信号，系统采取召唤的方式获取每个通道2048个原始样本数据，召唤频率不大于1次/32转；机组稳定运行时，对于机组气隙及磁通量信号，系统采取召唤的方式获取每个通道2048个原始样本数据，召唤频率不大于1次/1分钟；当系统召唤机组状态监测通道原始样本数据，状态监测设备需保证需传输的多个通道数据为召唤发生当前同一时刻的采样数据，且状态监测设备需将当前一个完整计算样本的键相信号一并上传；需要时，系统可召唤状态监测设备记录的事故追忆数据，且事故发生前后时间跨度可由系统控制；需要时，系统可召唤状态监测设备记录的每次开机到稳定运行、稳定运行到停机数据，且数据时间跨度可由系统控制；需要时，系统可召唤状态监测设备记录的每次甩负荷及机组稳定性试验（开机试验、变转速试验、变励磁试验、停机试验、变负荷试验等）数据，且数据时间跨度可由一体化管控平台控制；在保证网络传输不丢包的前提下，系统召唤上述信号的召唤频率可根据各站现地在线监测接入网实际带宽做灵活调