设备机理与大数据处理下的水电设备远程智能分析

楼旭东

摘要：随着经济和各行各业的快速发展，实现设备运行数据从安全生产控制大区向生产管理信息区的安全传递、汇聚、管理及应用，建立水轮发电机组及其主要辅助设备故障机理模型与新一代信息技术、大数据分析模型相结合的智能分析、可视化展示、专家集中分析模式，降低信息系统运算资源使用率，提高故障分析预测可靠性和效率，大幅提升设备精细化、精益化管理水平，助力水电厂设备状态评估、机组状态检修质量提升和精品机组打造，为生产管理模式转型升级提供有力的技术支撑。

关键词：水电设备运行机理;计算模型;特征值

引言

随着国家超级大型水电机组的相继投产，其调速器的可靠性未来将会直接决定着电网安全，因此对调速器的可靠性要求未来将达到一个新的高度。机组的稳定运行要求将振动限制在允许的范围之内，由于水轮发电机组结构复杂，引起机组振动及异常的原因很多，主要结构部件强度不够、导轴承故障、轴承甩油和溢油、空化空蚀、卡门涡引起的叶片裂纹等问题。

1常规设备状态分析方式存在的问题

1）常规设备状态分析和评价主要基于离线数据进行，而离线数据类型结构多样，采用人工方式分析，数据处理效率低、实时性差。2）各在线监测数据未形成统一的数据采集、存储、管理及应用平台，数据孤岛效应严重，数据综合利用率较低，难以建立多维度、全方位及较科学的设备分析模型。3）公司运营管理电站点多面广，技能人才分散，不能充分发挥公司专业技术人员群智优势，难以对影响设备安全、检修策划及开停机等重大问题的分析和处理进行有效组织。4）常规设备状态分析方式，不利于设备状态监测由“时间域”向“模型域”、由“实时数据报警”向“状态数据分析预测”转变和设备精细化运维管理提升。5）常规设备状态分析方式，缺乏充分、严密的数理依据，导致机组检修策划和物资准备等缺乏针对性，存在一定欠检修或过检修现象，不利于设备可用率提高和检修成本控制。

2设备机理与大数据处理下的水电设备远程智能分析对策

2.1网络隔离装置

由于机组在线监测系统与电站生产信息管理系统及因特网属于两个不同的安全区，根据电力二次系统安全防护总体规定，在机组在线监测系统与电站生产信息管理系统及因特网之间必须安装网络安全隔离设备。网络安全隔离设备一般安装于机组在线监测系统网络与WEB服务器之间，用于实现机组在线监测系统与电站生产信息管理系统及因特网之间的物理隔离，其中机组在线监测系统网络为内网，电站生产信息管理系统为外网，机组在线监测数据只能由内网向外网单向传送。装置除采用基本的防火墙、代理服务器等安全防护技术之外，还需采用“双机非网”的物理隔离技术，即装置可以阻断网络直接连接。

2.2补偿机组功率给定值

在监控系统中，功率给定与机组发电功率差值计算后经功率调节器作用转换为宽度不等的脉冲增减指令下发至机组调速器，脉冲宽度取决于功率偏差的大小，偏差较大时脉宽越大，偏差较小时脉宽越小，偏差为正时发出增脉冲，偏差为负时发出减脉冲。调速器根据脉冲发出导叶开度给定值增/减阶跃，阶跃持续时间与脉冲宽度一致。导叶开度给定值增/减阶跃经过开度给定积分器计算得到导叶开度计算值，对于一个阶跃信号输入积分环节输出为一个斜坡响应，斜坡响应的变化速率由开度给定积分器时间常数所决定。计算得到的导叶开度计算值作为监控系统功率闭环的开度给定值输入至调速器开度模式，监控功率闭环相当于一个积分调节过程。根据机组调速器的调频特性可知，机组功率变化是先快后慢的过渡过程。若在监控系统中调频功率修正值以阶跃形式输入到功率闭环调节器，在功率闭环调节的积分作用下易造成明显超调。尤其在规模较小的西南交流同步电网中，主力水电机组调速器均采用了小网模式参数，放缓出力调节速度来增强系统超低频振荡阻尼，其调频过程过渡时间是正常大网模式参数下的数倍甚至10倍，若水电站监控系统功率闭环调节速度较快，易导致机组出力调节出现振荡。在不改变功率闭环调节参数的原则下对调频功率修正值适当限速或迟滞，确保与机组调速器的调频特性相协调，可使调频过程更加稳定。

2.3工作人员的专业性

我国小水电站的工作人员上岗前一般是没有经过专业的培训，导致很多工作人员在工作时就会面临专业能力不足、专业性不强的问题。这对水电站的生产运行都产生了很大的影响，而且这种现象较为普遍，小水电站本就十分依赖经济效益，工作人员专业能力的欠缺会给水电站的效益及生存环境都造成很大的限制。在发展水电站自我规模时，一般也会使人员规模扩大。但是由于很多工作人员专业性不强的原因，即使人员规模扩大了，水电站所掌握的有效资源条件和有效专业人员规模依然不会有太大的改善。因此要先致力于将现有的工作人员的专业水平素质提升，才能合理安排工作人员，做到工作人员队伍整体的工作能力和业务水平的提升。如可以减员增效，减少值班人员，分工明确使每个值班人员都有任务可做，不浪费时间。同时对现有人员结构进行及时更新，引进专业人才为水电站注入活力的同时提升专业性和工作效率，以此来提升水电站的经济效益。

2.4数据可视化分析模型建立

1）根据相似工况及相似運行环境下特征数据稳定性较好的特点，建立以特征数据和缓变量为要素的数据趋势监测模型，避免暂态工况对运行数据变化趋势或特征分布的影响，提升故障趋势判断的可靠性，例如定子不圆度预测中，为避免开停机过程和空载过程中机组变转速、变励磁对圆度的影响，在算法模型中利用有功功率、励磁电流限制分析工况。2）根据同一电站水轮发电机组及主辅设备型号相同，机械、水力及电气特性相似的特性，开发设备运行特征数据横向对比模型，提高设备运行异常状态和机组综合性能的快速识别及判断能力。3）针对水轮发电机组及主辅设备等振动、摆度、温度、流量及压力等同类监测点数量较多，且现有计算机监控系统无法在设备运行参数到达故障之前报警的问题，研发同类数据聚合算法及数据展示模型，提高大量同类数据异常变化趋势的监测和感知能力，例如在发电机定子绕组温度监测中，利用均方根等相关算法，将数十个测温数据聚合为一个，减少监测点，降低下一阶段三维算法的数据处理量。

结语

水电站发展过程中进行经济运行所需的基本要求并进行了分析，同时对水电站由于自身性质的原因运行管理的特殊性、特点明确性，根据实际情况提出了一些建议与解决方法，希望能对水电站经济运行的工作人员起到一些帮助作用，推动经济运行工作的顺利开展。对水电站的经济运行管理优化工作早已被相关研究人员注意到，并已提出了一些行之有效的方法，取得了一定的成就。正如前人所作，未来在经济运行管理的实践中还需要研究开发更多的优化措施来解决实践中出现的各式各样的困难，随着新理论新技术的出现，期待未来经济运行研究人员、工作人员能在实践中最快速度地找到更为优秀、符合实际的方案，推动我国水电站工作的发展。

参考文献：

[1]李永春.远程在线监测与故障诊断技术在黄河流域水电开发中的应用与研究[C].2018年中国电机工程学会年会论文集，2018：1-12.

[2]潘熙和，周颖，黄业华.水电机组控制设备远程运营维护系统研究与实践[J].长江科学院院报，2017，34（01）：145-150.