水电站自动化元件与状态监测及故障诊断技术

刘晓明

摘要：在水电站基础自动化工程中，自动化元件（装置）与辅机设备自动控制单元的选择，各元件与控制单元的运动状态监测，以及元件故障的诊断情况等皆可对其自动化程度产生影响。文中就水电站自动化元件状态的监测以及相关的故障诊断技术进行分析，以供参考。

关键词：自动化元件;状态监测;故障诊断

中图分类号：TV547

文献标识码：A

文章编号：2095-6487（2019）01-0121-02

0引言

在水电站建设与生产经营活动中，水电站基础自动化是一项较为系统的、综合的工程，是水电站能否实现无，人值班的关键。自动化元件是机组开机、运行、停机、事故停机、备用、事故报警所使用的一系列自动化元件或装置。从水轮发电机组的自动化元件组成来看，大致可以分为压力测量、温度测量、液位测量、流量测量、转速测量及过速保护装置等。

1水电站自动化元件概述

在水电站自动化工程中，压力是重要的参数之一，而液位、密度等指标的测量也常需要通过压力的测量实现，因此，与压力测量相关的自动化元件有着较为重要的意义“。就压力计的安装而言，在合理选择压力计的型号、量程（根据水轮发电机组的实际需求选择）的基础之，上，还应当明确取压口的位置。一般而言，取压口的位置应当选择被监测介质流动的直管道上，并确保开孔位置能够使压力信号的走向合理化。此外，为了保证压力计在自动化作业过程中的正常运行，其所选择的取压口应当不存在机械振动等情况，或者相关因素不至于影响压力计的工作状态。在现阶段的压力测量中，智能压力显示仪是一种较为重要的自动化元件，该元件基于先进的微处理器，完成了压力、温度、湿度等多种物理量的监测，在一定程度上实现了智能化控制。

液位测量是测量液体介质在容器中的液面高度的过程，其主要仪表为液位计。实际操作中，考虑到水电站自动化系统的不同需求，液位计的选择也应当尽可能合理化。按照液位计的工作原理，现阶段市售液位计大致可以分为直读式、电容式、射线式、浮力式、雷达式、超声波式等。以电容式液位变送器为例，该元件依照电容、电极面积与两极之间的介电常数相关原理为设计基础，在测量非导电液体时，通过容器壁形成电容两极，借此测量出容器中液位的高度;测量导电液体时，探极线与导电液体构成电容两极，根据电容的改变情况测定液位的改变。

流量测量是水轮发电机组自动化元件中的重要成员，其主要目的是测量明渠或者管道中的流体流量。流量测量的类型相对较多，按照测量原理进行分类，大致可以分为力学仪表、电学仪表、热学仪表、声学仪表、原子物理仪表等;按照流量仪表的结构原理分类，大致可以分为容积式流量计、差压式流量计、冲量式流量计、叶轮式流量计、质量流量计以及电磁流量计等。从流量表的工作状态来看，仪表自身的可靠性与准确性直接关系到流量测量的精度，因此，在选择流量仪表时，应当从仪表的性能、流体的特性、仪表的工作环境、安装的具体条件以及经济成本等角度入手，尽可能选择最合理的仪表。

除上述元件外，与温度测量、位移测量、转速测量以及过速保护相关的自动化元件，以及其他与自动化相关的元件（轴电流监控装置、发电机碳刷除尘器、电磁阀、油混水控制器等），也是水电站自动化元件的重要组成部分，但由于篇幅有限，在此不做赘述。

2水轮发电机组状态在线监测分析技术

在机组运行过程中，采取相应的在线监测技术，能够及时发现水轮发电机组的状态异常，进而查找相应的元件故障，避免带来更为严重的后果。尤其是在破坏性事故的预防方面，有效的状态监测与分析，能够及时发现缺陷与隐患，进而指导机组的运行控制与维护检修工作。基于此，加强水轮发电机组状态的在线监测，即是新时期水电站自动化的重要要求，又是保障机组安全、经济运行的必要条件。

回顾在线监测技术的发展历程，虽然我国在水轮发电机组状态监测领域的研究起步较晚，但得益于相关产品的快速开发以及政府部门给予的大力支持，水电机组状态在线监测与分析技术于水力发电事业中快速推广。加之相关产品的实践应用经验为监测技术的改进与产品的后续开发提供的重要参考，国内的在线监测技术发展势头良好。从水电机组状态在线监测系统的构成来看，大致可以分为数据采集站、传感器、状态数据服务器、工程师工作站、WEB服务器以及相关的网络设备、系统软件等组成部分（见图1）。其中，传感器是整个系统的基础，数据服务器完成各类状态数据的存储与管理，数据采集站负责状态信息的采集、处理与分析，WEB服务器则用于实现系统之间的在线通信。

水轮发电机组状态监测的目标，是及时发现机组运行存在的缺陷或者隐患，基于此，状态监测的参数选取应当从状态监测参量、工况参数、过程量参数等角度考虑。其中，状态监测产量的获取较为简单，只需通过应的自动化元件与现场传感器/信号器即可获取;过程量参数的获取，可借助电站计算机的监控系统获得，并通过WEB服务器、数据服务器提供的通信支持完成数据的传输;而工况参数采集方面，可采用开关量硬接线的方式获取。在明确监测目标后，就需要着手进行测点的选择与布置。实际操作中，需要结合相关的标准，配置合理的状态监测参数。

3水轮发电机组的故障诊断

在完善水輪发电机组的状态监测技术体系的基础之上，要保证机组的正常运行，还需要切实可行的故障诊断技术。就现阶段的设备故障诊断与检修管理来看，状态检修是一种较为重要的模式，能够较好的解决传统检修模式下，定期检修带来的一系列问题（如设备过修等问题）。从状态检修的角度考虑，机组的故障诊断应当从构建相应的设备参数平台、施行系统的状态监测、完善设备故障诊断技术等角度入手进行深入探讨与分析，并结合既往故障诊断、故障检修获得的宝贵经验，参考在线监测系统获得的状态数据，对机组的状态进行正确评估，进而给出符合机组实际工况的故障诊断结果与检修建议。设备故障的隐蔽性、并发性、复杂性以及不确定性一直是故障诊断的难点，同时也是阻碍故障早期诊断的重要因素。鉴于单一诊断方法的能力有限，近年来，相关研究者从综合故障诊断技术的应用角度展开了分析，而电气设备相关的“专家系统”的出现，则为机组的故障诊断提供了重要的工具。一般而言，基于综合故障诊断模型的“专家系统”，能够实现在线状态采集、状态分析、故障诊断、故障统计以及故障处理等功能于一身的自动化、智能化。因此，下一阶段的故障诊断技术研发中，“专家系统”的开发或将扮演重要角色。

4结束语

随着我国的水力发电事业的快速发展以及电力体制改革的不断深入，水轮发电机组的实时状态监测与故障诊断得到了广泛重视。结合机组的实际情况，选取可行的在线状态监测系统，并加强各类“专家系统”的研发，能够为水电站自动化元件的状态监测与故障排查提供重要的路径。

参考文献

[1]王录永，吴明波，李颖.数字化水电站自动化元件解决方案研究[J].水电站机电技术，2018（11）：78-80.

[2]吴家乐，肖东来.浅谈水电站机组在线监测与故障诊断系统应用[J].水电厂自动化，2017（3）：20-22.

[3]李刚，胡红利，李亚妮.风力发电机叶片状态监测与故障诊断技术近况[J].工业仪表与自动化装置，2017（5）：16-20.