水轮发电机组低成本监测及优化研究

陆桂明 龚钰婷

摘要：以低成本为目标构建了水轮发电机组的在线监测系统，在机组振动数据的采集、数据传输、数据库建立等系统的软硬件结构上进行设计，将水轮发电机组运行信息可视化，并通过专家系统的诊断与预警功能实施监测。将水轮发电机组运行产生的振动通过传感器转换为电压信号，由数据采集系统采集后统一存储到状态数据库中，通过频域分析和诊断，可自动生成运行状态报表，由主控界面显示，可显示机组振动的频点和幅值、各相关频点幅值的变化曲线等信息。运行人员可以根据上述信息调整机组的运行工况，对于轴流转桨机组还可以微调协联关系，以接近最优工况运行，从而提升机组运行效率。

关键词：水轮发电机组；状态监测；振动；数据采集；专家系统；在线监测

中图分类号：TV742

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.034

水轮发电机组自身部件庞大且结构复杂，在运行时不可避免地存在程度不同的振动和摆度，其来源既有机电方面的因素，也有水力、过水建筑等方面的因素。振动是造成发电机组运行不稳定的重要因素，可以通过分析振动信息发现问题，并辅助提高机组的运行效率。

以往的监控平台在数据采集及分析技术上已经相当成熟，一般都是通过振动信息的频谱分析来确定振动来源，但在解決问题的策略上，由于每座水电站的具体情况不同，因此解决手段也不尽相同。当前关于解决机组优化运行的研究并不太多，且目前此类产品进口及国产价格都比较高，因此笔者在大量试验研究的基础上，提出了一种低成本的机组在线监测系统，可有效提高机组运行效率。

1 系统硬件

1.1 系统总体结构及功能

使用电涡流传感器对机组转轴振动进行测量，低频磁电式振动传感器用于壳体、支架、大轴的水平及其轴向振动的测量，转换振动摆度信号为电流信号：电流信号经信号调理电路进行模拟信号与数字信号的转换：核心控制单元获取数据并通过设计好的数字滤波器滤波：硬件平台通过USB和串口分别与上位机PC进行数据和控制命令交换。系统结构如图l所示。

1.2 系统硬件平台

监测系统由振动监测模块、摆度监测模块、振动传感器、电涡流传感器及框架机箱、电源、显示板、通信端口等组成，具体硬件设施组成情况见表1。

（1）HN808电涡流传感器。是组合前置放大器与电涡流探头结构的一种非接触式的线性传感器，用于测量探头与被测物体的距离，铁氧体吸收探头交变电流产生磁场，随着时间变化，所产生的磁场按照一定的规律发生变化，使得传感器发生电路感应并作出相应处理，从而获得位移量。探头工作温度范围为-30～120℃，电缆工作温度范围为-30～120℃，前置放大器工作温度范围为-30～80℃：频率响应范围为0～10kHz：电源为-24V（DC）或+24V（DC），可根据用户需要设计工作电压；输出电流为4～20mA，负载<500Ω；传感器电阻为2～10Ω（一般为5.4Ω）：最大输出电压约为-22V（-24V电源供电时）；耗电量<20mA；探头电缆长lm；系统电缆长度为探头电缆长度+延长电缆=5+0.5m或9+0.9m。

（2）HN100A低频振动传感器。是根据磁电感应的基本原理将振动信号变为电信号的惯性式传感器。把传感器装置在机器之上，在感应频率范围内，磁铁与线圈作相对运动，磁力线的切割使线圈内能够不断生成感应电压，其信号与被测量物体的振动速度值成正比，然后通过积分放大处理此信号，从而获得位移信号。其主要技术参数如下：频率响应范围为0.5～300.0Hz（-3dB），灵敏度为8+0.4V/mm（或根据用户要求调整），量程为±1mm，线性度<5%，供电电压-24V、+24V或±15V可选，最大输出电压为8V，使用温度范围为-30～80℃，外形尺寸43mm（直径）×122mm（长度）。接线方式如图2所示。

1.3 系统硬件平台功能介绍

笔者研究应用的在线监测传感器主要为电涡流传感器和低频磁电式振动传感器，研究设计了HN-3机组双通道摆度监测装置配接HN808型电涡流传感器与HN-2机组双通道振动监测装置配接HN100A型低频磁电式振动传感器的硬件装置，应用于实时监测运行状态。

HN-3双通道摆度监测装置用于测量振动幅值，连接HN808型电涡流传感器后测量与监控水轮机的大轴或转子的径向相对振动或摆度。HN-2双通道振动装置连接HN100A低频磁电式振动传感器，长期监测绝对振动垂直、水平方向的烈度和幅度，并可报警，其标准的电流输出与DCS、PLC系统连接。两者的主要功能都是监视水轮机等旋转类机械的振动、摆度状态并保护其安全运行。

采集到的数据通过系统处理模块分析处理，获得能够反映机组运行工况的特征参数，再形成各种曲线、图表等显示于人机界面，定期生成状况检查日志并描绘发展趋势，将数据存放到数据库中作为历史数据，为今后水轮发电机组运行状态的预警、问题分析与诊断提供有效而可靠的依据。

2 系统软件设计

2.1 数据库的建立

应用MVC模式（模型一视图一控制）的三层体系结构，构建水轮发电机运行和监测信息数据库，这种MVC三层结构体系不仅有利于系统的工作流程和规则的控制与调整，而且其可视化界面有利于操作管理，便于浏览器访问，维护成本较低。该数据库又分为以下子数据库。

（1）时域信号数据库。时域是真实存在的域，水轮发电机组运行中发生振动，按照时间先后顺序产生相关参数，保存在时域数据库中。保存的时域信号为机组运行状况提供了可拓性的诊断数据。

（2）专家系统知识库。专家系统知识库囊括了工程背景及元级控制、设备结构、设备功能与行为、过程算法、故障机理等方面的知识。水轮发电机组发生故障时，可根据故障特点结合专家知识库进行诊断。

2.2 小波变换与快速傅里叶变换结合的数据处理方法

采用小波变换与快速傅里叶变换相结合的方法研发处理软件，进行数据分析与处理。用小波变换检测出干扰信号的特征及其发生区域，对闪变信号进行快速傅里叶变换，以获取闪变干扰信号的频率和幅值，从而节省运算时间。快速傅里叶变换方法将信号由时域转换为频域，用来监测水轮发电机组振动过程中信号的各个频率点和幅值，便于使用频域图来监测问题处的频率。通过快速傅里叶变换得到调幅波的频率和幅值，从而使处理器节约了快速傅里叶变换的计算时间，在闪变信号未出现时仅进行小波变换，而当闪变信号出现时才启动快速傅里叶变换。系统以128个周期作为一个采样窗口，在计算时只采样每个周期的峰值和谷值这两点，采样频率为100Hz。

2.3 人工神经网络应用系统

利用神经网络对数据库的相关数据进行非线性建模，从而建立机组振动模拟模型，可以模拟机组运行过程中各工况点相关部位的振动值，以指导机组运行。此外，还利用自组织人工神经网络，自动对机组振动进行分类识别，实现对机组运行的智能化指导，解决有关谐波监測的实时性和精度问题。算法设计如下。

假设一个谐波信号为式中：Am、am分别为m次谐波的幅值与相位；f0为基频；t为时间；Ai、ai为频率谐波fi的幅值与相位。

（1）首先采用锁定相位环路技术进行频率跟踪，以f0为基频，各个周波均采样128点，频率厂=128f0，一般波动幅度为（50+0.2）Hz。《电能质量监测设备基本要求》中指出分数次谐波即谐波的分辨率需要达到1/8工频，所以在共计1024个点的周波中采样8个进行快速傅里叶变换，获取1024个点的复数序列Xi（N）（i=1，2，…，1024）。基于这样的假设，锁定相位环路技术能减轻由非同步造成的谐波监测误差，而且因谐波幅值较小，频谱泄漏对谐波测量带来的误差可以忽略，因此使用快速傅里叶变换的复数分析结果不仅能够减少计算量，还能准确得到谐波分量的幅值与相角。

快速傅里叶变换的频谱分辨率f1=f0/8，因此基波分别是频谱的第8、16、…、8k（k=1，2，3，…）个分量，2次到k次谐波幅值Am=|Xm，相角为am=arctanXm（m=8，16，…，8k）。

在时域中减去谐波分量得到谐波分量的和：其采样序列记为x（n）（n=1，2，…，1024）。

（2）用加Hanning窗插值的谐波分析方法监测余下的谐波分量。Hanning窗适用于非周期性的连续信号，使用Hanning窗对采样信号进行截断，窗函数表达式为

这里N=1024。加Hanning窗后进行快速傅里叶变换分析：

频谱分辨率f1仍为f0/8。谐波分量的频率为f，若其并非频谱分辨率f1的整数倍，则有i2.4 可视化系统开发

（1）建立虚拟场景的水电站运行信息可视化系统。第一步，结合水轮发电机组设备零部件特点与三维建模软件特性，选取Pro/E、3dsMax软件建立三维模型：第二步，将三维模型转化为X3D虚拟场景，并利用LOD技术、代码重用技术优化。

（2）实现水轮发电机组运行信息可视化系统的虚拟场景交互。应用程序通过SAI（Scene Authoring In-terface）访问和控制X3D对象，分别实现虚拟场景的内部交互和外部交互。在专门用于和脚本交互的Script节点中利用Java或JavaScript语言编写脚本来扩展X3D功能，在Script节点中设置输入域及输出域，通过路由链接Script节点与另外节点并与脚本程序实现虚拟场景交互。外部交互则是建立链接，通过获取的浏览器对象访问场景对象，然后依次由场景对象访问节点对象，再访问域对象来实现虚拟场景交互。

可视化系统依托水轮发电机组的虚拟场景与运行信息数据库，通过静动态显示机组运行状况，使监测人员能够及时获取实时运行状况。

3 结语

本文研究的水轮发电机组在线监测及优化辅助系统，将水轮发电机组运行产生的振动通过传感器转换成电压信号，由数据采集系统采集后统一存储到状态数据库中，通过频域分析和诊断，可自动生成运行状态报表，由主控界面显示，可显示机组振动的频点和幅值、各相关频点幅值的变化曲线等信息。运行人员可以根据上述信息调整机组的运行工况，对于轴流转桨机组还可以微调协联关系，以接近最优工况运行，从而提升机组运行效率。同时，还可以根据运行状态安排机组检修，达到增加机组发电量及延长机组运行寿命的目标，满足机组安全、稳定、经济、可靠的运行原则，具有重要的技术示范和推广价值。