机组状态在线监测系统现场检验技术研究及应用

蒋致乐

（国家能源集团科学技术研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 概述

水轮发电机组状态在线监测系统是实时在线监视机组各部位运行状态的监测装置，广泛应用于水电企业，其主要的监测数据为机组的转速、振动、摆度、压力脉动、噪音、工况参数等，为运维人员及时了解设备的运行状态，有针对性地维护设备，减少设备的突发性故障和提高设备运行利用率[1]，提供了帮助。除部分工况参数由其他监控设备提供外，其他数据主要由各种不同的传感器提供，如监测振动的低频速度传感器，监测压力脉动的压力变送器，监测摆度的电涡流传感器等。这些传感器以电流/电压的模拟量输入至数据采集单元，通过AD转换、傅里叶变换等软硬件处理，最终显示为机组的稳定性状态参数。为了保证水电机组安全稳定可靠运行，经常要判断其运行状况是否正常，机组哪一部分可能有故障，是否可以继续运行或者能继续运行多久，状态在线监测系统除提供必要的监测数据外，当监测数据超过机组设计值时，通过内置的报警逻辑，还能提供预警信息[2]。

状态在线监测系统属于水电站自动化设备，定期对自动化设备实施维护和保养，这样可以有效预防在实际生产中突然发生意外事故[3]。按照状态在线监测系统规程的相关要求，需定期对其进行维护和检修[4]。如前所述，该系统主要由终端的传感器部分、数据采集单元和软件组成，其中数据采集单元一般通过屏柜安装在发电机层，拆卸困难。目前对该系统的检验主要集中在传感器部分，数据采集单元检验仅仅是静态检验，检验内容见表1，检验项目不全，不能真实有效检验系统数据的采集和处理功能。某电站新机启动调试过程中，就出现过3个不同厂家的状态监测系统数据不一致，且无法自证各自数据是否可靠的情况，给业主判断机组运行状态带来困扰，因此有必要针对该系统的运行特点，开发一种现场检验的方法和装置，以确保其数据的正确性和可靠性。

表1 在线监测系统性试验

2 现场检验方法介绍

状态在线监测系统的现场检验就是采用模拟机组稳定性参数的标准信号，主要对系统的数据采集精度和频谱分析功能进行检验。

状态在线监测系统主要监测水轮发电机组的运行参数，可供运行单位参考的主要是幅值和频率（包含振动、脉动、噪音等）、平均值（主要是工况参数）。现场检验方法采用动态信号校验幅值和频率的分析功能，采用静态信号校验平均值的采集精度。

2.1 静态检验

电压通道检验：标准信号器输出-2～-18 VDC的标准电压值，与系统采集的电压值进行对比，计算静态精度，检验电压值不少于8个。

电流通道检验：标准信号器输出4～20 mA的标准电流值，与系统采集的电流值进行对比，计算静态精度，检验电流值不少于8个。

2.2 动态检验

水轮发电机组的状态参数，除了幅值外，频率也是重要的参考量，尤其对于故障的分析，频率分析至关重要。传感器的信号输出往往包括几种不同频率的特征信号，状态在线监测系统利用傅里叶变换，将这些信号“分解”为不同频率、不同幅值的状态量，提供给用户进行分析。对于不同厂家的状态在线监测系统，对这些特征信号的采集、分析和处理也是不同的，动态校验就是采用标准的信号发生器，产生电流/电压的正弦波模拟量信号，模拟状态在线监测系统所用的传感器的信号输出，为了解系统对复杂信号的处理方式，用来检验的标准信号还包括不同频率、不同幅值的合成信号。

2.2.1 电压通道检验

（1）采用标准信号器输出偏值电压U0为-10 V的正弦波信号，振幅电压Up-p分别设为0.1 V、0.2 V...1.0 V（间隔步长可根据选用的传感器类型而定），检验该通道的幅值分析功能。

（2）采用经调制的不同频率和不同振幅电压Up-p的合成信号，检验系统的频谱分析功能。合成信号的频率成分至少应包含转频、低频、倍频的组合，合成信号各分量的Up-p范围应包含该设备主要的应用区间。

2.2.2 电流通道检验

（1）采用标准信号器输出偏值电流I0在4～20 mA区间的正弦波电流信号，振幅电流Ip-p分别设为1 mA、2 mA...5 mA（间隔步长可根据选用的传感器类型而定），检验该通道的幅值分析功能。

（2）采用经调制的不同频率和不同振幅电流Ip-p的合成信号，检验系统的频谱分析功能。合成信号的频率成分至少应包含转频、低频、倍频的组合，合成信号各分量的Ip-p范围应包含该设备主要的应用区间。

3 检验装置介绍

结合现场检验方法开发的检验装置，主要由信号发生单元、信号调制单元和信号转换单元3部分组成。信号发生单元采用成熟的函数信号发生器，适应水轮发电机组的频率特点，并注重信号的低频特性。信号调制单元主要由运放器、激励电源组成，可接收3路信号调制单元发送的Up-p、U0信号，经运算放大单元，同相或反相输出，信号可放大，输出电压Uout为输入电压的矢量和。因函数信号发生器仅能输出电压信号，而状态在线监测系统电流通道需要Ip-p、I0信号，信号转换单元是将Up-p、U0转换为Ip-p、I0的装置，主要由可调电位器、电源组成。该装置原理图如图1所示。

图1 水轮发电机组状态在线监测系统现场检验装置原理图

4 检验实例

某电站位于四川省石棉县境内，机组额定转速125 r/min，安装的状态在线监测系统主要测点见表2。其中，电压测点14个，分别采用电涡流传感器和低频速度传感器；电流通道3个，分别采用压力变送器和监控开出的4～20 mA模拟量；开关量通道1个。

表2 某电站机组状态在线监测系统测点表

4.1 静态检验

静态检验前，通过通道的参数率定，将通道参数的一次函数斜率设置为1，截距设置为0。电涡流传感器的输出电压为-2～-18 VDC，中值为-10 VDC，以2 V作为电压间隔进行检验；低频速度传感器的输出电压为-4～-20 VDC，零位值为-12 VDC，也以2 V作为电压间隔进行检验；不管是压力传感器，还是监控的开出模拟量，其输入信号均为4～20 mA的模拟量，以2 mA作为间隔进行检验。以上3种测点分别以上导摆度、上机架振动和有功功率为例，检验数据见表3。

表3 某电站状态在线监测系统静态检验数据表

考虑到水轮发电机组状态工况参数主要用作监视，不参与机组控制，该电站的状态在线监测系统通道的静态精度满足监测需要。

4.2 动态检验

根据2.2所述检验的方法，先进行电压通道的动态检验，以上导X摆度为例，摆度测量采用电涡流位移传感器，中值电压为-10 V，量程为0～2 mm，机组实际运行时上导摆度约为150 μm，主频为2.08 Hz的转频，次频为2倍频，由此拟定该通道的动态检验方案为：偏值电压为-10 V，脉动电压Up-p分别选取-0.5 V、-1.0 V...-3.0 V，频谱分析功能检验的频率值分别为2 Hz、5 Hz，对应幅值分别为-1.5 V、-1.0 V，检验数据见表4和图2。

图2 水轮发电机组状态在线监测系统电压通道录波图（上导摆度）

表4 某电站状态在线监测系统动态检验表（上导摆度）

需要进行电流通道检验的主要是压力脉动测点，以尾水管压力脉动为例，选取的压力传感器量程为0～0.6 MPa，实际运行时，压力平均值约为0.2 MPa，最大脉动幅值约为0.08 MPa，随着机组运行工况的变化，主要的频率分量有转频和低频分量（尾水管低频涡带引起），拟定的检验方案为：偏值电流为10 mA，Ip-p分别选取0.5 mA、1.0 mA...3.0 mA，频谱特性检验的频率值分别为2 Hz、0.5 Hz，对应幅值分别为1.0 mA、2.0 mA，检验数据见表5。

表5 某状态在线监测系统动态检验表（尾水管压力脉动）

实际运行过程中，稳态工况下，水轮发电机组稳定性参数有一定的波动，经运行人员反映，振摆幅值波动量在20 μm左右，折算波动电压值为±0.08 VDC，压力脉动波动量在10 kPa左右，折算波动电流值为±0.13 mA，从表4和表5可以看出，状态在线监测系统幅值分析的误差均较波动量小一个量级，精度满足监测要求。系统对多幅值、多频率合成的信号“分解”精度略低于单频率、单幅值的信号，可能与装置信号合成的精度有关。

总体而言，通过现场检验，该机组状态在线监测系统数据采集精度和频谱分析功能满足监测和分析的要求，软件的数据处理直观、清晰，无特殊的数据处理盲区。

5 结语

文章介绍了一种现场检验水轮发电机组状态在线监测系统的方法，弥补了以前仅对传感器检验而未针对系统的不足。该方法创新性提出了采用合成信号，动态检验系统的幅频分析功能，有利于水电站运维人员掌握状态在线监测系统的特性，提高其数据的可靠性和可分析性。与检验方法配套开发的现场检验装置，通过信号的调制和转换，完全模拟机组稳定性参数的信号特点，为现场检验的方法奠定了物质基础。