亭子口水电站机组在线监测系统的组成与功能

邓家东

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 苍溪，628400)



亭子口水电站机组在线监测系统的组成与功能

邓家东

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 苍溪，628400)

介绍亭子口水电站机组在线监测系统结构及组成，通过机组在线监测系统及时掌握机组当前运行状况，提前发现机组缺陷或故障，确保机组安全稳定，为电站实现无人值班，少人值守打下坚实基础。

在线监测 测点布置 振动摆度 机组状态评估 亭子口水电站

1 概述

在水轮发电机组运行过程中，有很多原因都可能造成机组振动和摆度过大甚至超标，有时还可能诱发共振而导致某些部件振动加剧，影响电厂的安全经济运行。对机组运行中的振动情况进行实时的监视、测量与分析是减少机组事故，提高维修效率的有效途径。水轮发电机组在线监测系统实时监视水轮发电机组的运行状态，有助于准确诊断异常状况、及早发现故障隐患、科学制定检修维护计划，避免被迫停机而造成损失。

亭子口水电站总装机规模为1100MW，安装有4台单机额定功率为275MW的混流式水轮发电机组。由于亭子口水电站全年水头变化较大，且机组的振动区域大，所以机组在线监测系统的稳定运行及采集数据的真实性显得尤为重要。

2 系统结构

亭子口水电站机组振动摆度在线监测分析系统，由传感器、数据采集单元、服务器及相关网络设备、软件等组成。整套系统采用分层分布式结构。

每台机设一个机组现地数据采集站，每个数据采集站设备集中组屏，安装在一标准机柜内。数据采集站负责对机组的振动、摆度、压力脉动、抬机量、弹性油箱下沉量、机组工况参数等信号进行数据采集、处理、分析，以图形、图表、曲线等直观的方式在计算机屏幕显示器上显示；同时对相关数据进行特征参数提取，得到机组状态数据，完成机组故障的预警和报警；并将数据通过光纤网络传至状态数据服务器，供进一步的状态监测分析和诊断。

状态数据服务器用于存储和管理从各数据采集箱传送过来的机组实时状态数据、历史状态数据及各特征数据。由于全厂所监测机组的所有状态数据均需存储在状态数据服务器中，因此状态数据服务器应该选用高性能大容量的服务器。状态数据服务器还负责与计算机监控系统和GPS的通讯。在状态数据服务器上可实现对机组状态的监测、分析与诊断，并可实现对系统相关参数的设置。

3 系统组成与功能

3.1 测点布置

3.1.1 机组振动摆度测点布置

根据亭子口水电站机组特点，其振动摆度在线监测分析系统的测点包括机组的振动、摆度、压力脉动等。测点布置如图1所示。

图1 机组测点布置

3.1.2 发电机气隙测点布置

发电机气隙测点的选择和布置，取决于机组设计运行性能、设备结构特点和机组运行规律。根据亭子口水电站机组特点，配置8个气隙传感器，在定子上部和下部分别安装，布置在+X、+Y、-X、-Y方位。其测点布置如图2所示。

图2 发电机气隙测点布置

3.2TN8000数据采集箱配置

TN8000数据采集箱是数据采集站的核心设备，主要负责各种信号的采集、存储和数据处理，并进行实时监测和分析；同时对相关数据进行特征参数提取，得到机组状态数据，完成机组故障的预警；并将数据通过网络传至数据服务器，供进一步的状态监测分析和诊断。

根据亭子口水电站机组的测点配置情况，可确定TN8001振动摆度压力脉动数据采集箱的测量模块配置。包括键相模块1块(1通道/块)，摆度模块1块(8通道/块)，振动模块3块(8通道/块)，压力脉动模块1块(8通道/块)，继电器输出模块1块(16路/块)，模拟量输出模块1块(24路/块)，系统板与存储板各1块。

气隙智能数据采集单元为TN8000数据采集箱，采集模块采用空气间隙测量模块(2通道/块)，采集模块数量可根据发电机空气间隙的测点配置情况确定。为了监测相位及对应的磁极位置，系统还需引入一路键相信号(同步探头)，故采集箱还需配置1块键相模块(1通道/块)，同时还需配置1块系统板、1块存储板、1块模拟量输出模块、1块继电器输出模块。

3.3 基于工况的报警和预警功能

系统报警是一般监测系统都具有的功能，即当测量得到的参数超过设定限值后发出报警信号。由于水轮发电机组的运行工况比较复杂，不同工况下各参数变化很大，用一个限值来判断是否报警显然欠妥，容易产生误报警和漏报警。本系统将根据水轮发电机组的实际运行工况，根据水头、负荷、导叶开度等工况将机组运行状态分成不同工况，各工况单独设定报警值，为机组提供准确的报警信息。

预警是指状态监测系统根据监测到的有关参数的变化，在报警之前提前发现机组缺陷或故障，给出预警提示。本系统将采用趋势预警和样本预警技术，趋势预警指当某一参数在同一工况下变化趋势大于设定值后发出预警提示，样本预警技术采用海量数据比较技术，将当前数据与该工况下样本数据进行比较，发现异常发出预警提示。

基于工况的报警和预警技术可充分满足水轮发电机组运行工况变化频繁的特点，可以有效实现机组异常现象的早期预警提示和故障报警。

TN8000系统自动建立机组在各个运行工况(不同水头和负荷)下的标准样本频谱图和矢量图，在通常的一级报警和二级报警的基础上增加了灵敏的频谱靶图报警和矢量靶图报警，可以及时发现故障的前期征兆。TN8000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。

所有报警和预警信息都可以通过系统提供的空接点输出信号发送给其它系统。

TN8000系统开发了报警/预警平台，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。

发生报警预警时，TN8000系统自动对机组进行诊断，并给出处理意见。

3.4 数据管理和事故追忆

对状态监测系统而言，数据存储和管理策略是需解决的核心技术。状态监测系统数据管理通常采用Oracle、SQLServer等关系型数据库来进行管理，但由于这些关系型数据库设计重点在于解决并发查询性能上，且数据不经任何压缩手段，因此用于存储状态监测系统的大容量数据将会导致数据库可靠性降低、数据读取、存储速度较慢及数据存储量较少。实时数据库适合工业现场拥有大量测点，实时性存储要求较高场合，因而适用于状态监测数据的存储管理。本系统针对逻辑数据库和进口实时数据库的优点，自主开发了具有高效压缩比的InterBase实时数据库，适用于水电机组振动摆度在线监测分析系统的大容量数据存储和管理。

TN8000系统提供强大和完备的数据库管理功能,可存储所有参数的原始数据、特征数据及样本数据。由于TN8000系统采用的实时数据库具有高效的数据压缩技术，可以长期存储机组稳态、过渡过程数据及高密度录波数据，提供黑匣子记录功能，可以毫秒级速度记录机组出现异常信息前后的完整数据，确保机组发生事故时能提供完整、详尽的数据供分析诊断。

由于采用了高效压缩技术，TN8000系统数据库可保留最近2个月内的所有原始数据以及最近4年内经过压缩的原始数据，存储间隔为不间断存储，可最大限度地保证机组所有历史信息不丢失。上述历史数据的保存时间，还可以根据现地服务器的硬盘容量和机组运行特性定制。

黑匣子数据库记录最新1000次事故前后的详细原始数据和特征数据，存储间隔为不间断存储，存储数据时间为事件发生前后30分钟。另外，在历史数据库中，用户还可以找到一个月内所有异常数据的连续记录，从而可以分析更长时间段内事故数据的变化规律。

在开停机过程、变负荷/甩负荷过程、系统波动过程和励磁试验过程中，过渡过程数据库存储机组的所有原始数据和特征数据，系统均可连续高密度采集过渡，并可进行回放和分析。

样本数据库用于存储机组大修前后的原始数据和特征数据、机组发生典型故障前后的原始数据和特征数据、在不同工况下机组正常运行时的标准原始数据和特征数据，供机组状态评估和故障诊断使用。

3.5 故障诊断专家系统

针对水轮发电机组的运行状态，TN8000系统提供了一套分析诊断的专家系统，能对水轮机、发电机和主变等多设备进行故障诊断。该系统是在总结华北电科院几十年来在水轮机、发电机、变压器等设备故障的研究和现场经验的基础上，结合清华大学流体机械与工程研究所(原水轮机教研室)、各大电机制造厂及部分水机专家长期以来在水电机组故障诊断方面的研究成果，开发研制的。当机组发生预警报警时，系统自动调用故障诊断系统进行诊断，并形成故障诊断分析报告。

对水轮机组的故障诊断来说，除了要建立一套先进完备的诊断模型外，更重要的是要建立一套有针对性的故障诊断知识库。我们提供的故障诊断知识库融合了ISO、IEC、GB等国内外有关水轮发电机组性能指标评价标准。同时，我们还将把电站主设备供货厂商在合同中提供的性能保证值融入故障诊断知识库中，充分发挥项目组成员长期以来从事水轮机组研究的理论知识和实践经验，广泛吸收国内外专家的智慧和经验。特别是亭子口水电站实际运行的宝贵经验，建立一套适合亭子口水电站机组特点的故障诊断知识库，为亭子口水电站机组状态检修创造条件。根据亭子口水电站实际运行的情况，以及各种针对机组性能的试验结果，不断补充和完善我们的知识库。

TN8000系统故障诊断专家系统知识库涵盖下列故障：发电机质量不平衡；磁拉力不平衡；水力不平衡；涡带激振；压力脉动过大；大轴弯曲或不对中；三导轴承同心；支撑部件松动或刚度不足；导轴承间隙调整不当；导轴承轴瓦磨损；推力轴承润滑不良；导轴承润滑不良；转动部件摩擦；弹性油箱下沉；导水部件故障；发电机定子铁芯松动；发电机线棒松动；发电机转子匝间短路；发电机转子磁极伸长；发电机定子绝缘恶化；发电机定转子不圆；发电机三相电流不平衡等。

4 小结

在水轮发电机运行过程中，有很多原因都可能造成机组振动和摆度过大甚至超标，严重时危及机组甚至电站的安全。在目前尚无法彻底解决水力机组振动的问题的情况下，水轮发电机组在线监测系统可以对机组振动情况进行实时监测，利用专门的信号分析与处理软件对所测数据进行相应处理，可以为我们寻找和研究机组振动的原因，对机组故障进行及时预测和故障诊断提供可靠的分析依据，从而避免故障的发生或实现机组的安全可靠运行。

〔1〕魏 然.水轮发电机组状态监测与故障诊断系统研究[D].西安理工大学，2001.

〔2〕潘罗乎，桂中华.水轮发电机组状态监测技术[M].广州：华南理工大学出版社，2008.

■

TK

B

2095-1809(2015)06-0054-03

邓家东(1984-)，男，广西上林县人，本科，助理工程师，从事水电站机组检修与维护。