水電廠狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷專家系統(tǒng)

1、水電廠狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷專家系統(tǒng)李香華 董顯 楊大貴（中國長江電力股份有限公司）摘要：本文主要介紹了水電廠狀態(tài)監(jiān)測及專家診斷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，以及我廠該系統(tǒng)的實際應用情況。以局部放電為例，著重闡述了其軟件部分，通過觀測到的波形來說明如何進行故障診斷。關(guān)鍵詞：狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷；專家系統(tǒng)；局部放電引言：據(jù)日本新日鐵1984年統(tǒng)計,采用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)當年效益為8.149億日元。1995年美國電科院與ComEdison電廠合作對10臺機組安裝了其狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備,經(jīng)計算,開始2年的經(jīng)濟效益超過1600萬美元。從中可以看出，實施狀態(tài)監(jiān)測可減少設(shè)備不必要停役、降低維修成本、增加可利用時間，從而提高設(shè)備運行維修效

2、益。同時，近年來,我國大、中型水電站水輪發(fā)電機組事故不斷,如廣西巖灘水電廠300機組大負荷區(qū)振動,李家峽水電站400機組、東江水電廠125機組振動，這些機組在運行區(qū)域內(nèi)都存在著振動工況區(qū)。如何及時盡快的發(fā)現(xiàn)、解決這些問題是值得深思的一個問題。我們到底能不能可隨時掌握設(shè)備技術(shù)狀況和劣化規(guī)律，避免突發(fā)性事故和控制漸發(fā)故障，從兒保證水電廠設(shè)備的安全經(jīng)濟運行呢？最后，我國的檢修體制也在從計劃檢修向狀態(tài)檢修過渡，同時這樣就必須要有一個包括信息采集、數(shù)據(jù)處理與分析、處理意見與決策的系統(tǒng)，基于以上問題狀態(tài)監(jiān)測及專家診斷技術(shù)應運而生。1狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系可用來在線、并行、實時地采集反映機組工作狀態(tài)的各種參

3、數(shù),如機組的振動、擺度、壓力脈動等;可對各參數(shù)進行在線分析，如時域波形、軸心軌跡、頻域圖譜等;并可以將有關(guān)的參數(shù)，如原始數(shù)據(jù)、快速傅立葉變換數(shù)據(jù)等，進行存儲和分級分類管理;當機組運行出現(xiàn)異常狀態(tài)時,可及時報警;監(jiān)測結(jié)果可隨時打印輸出，如每日工況監(jiān)測報表、異常測點的數(shù)據(jù)報表等。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如下：圖1 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框圖2 故障診斷專家系統(tǒng)該系統(tǒng)是狀態(tài)檢修中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),它以設(shè)備的狀態(tài)信息監(jiān)測為基礎(chǔ),根據(jù)所得信息量,提取能反映設(shè)備運行狀態(tài)的征兆,并對這些信息進行分析診斷,判斷設(shè)備是否存在故障,確定故障的原因、位置及性質(zhì),得出分析結(jié)論,指導維修計劃。專家系統(tǒng)一般由實時數(shù)據(jù)庫、專家知識庫、推理

4、機組成。專家系統(tǒng)以實時數(shù)據(jù)庫中的各類數(shù)據(jù)為故障診斷的主要依據(jù),運用專家知識庫中存儲的大量領(lǐng)域知識和經(jīng)驗,通過模擬人類專家的思維決策過程對信息進行推理和判斷,給出相當于專家水平的結(jié)論。圖2故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖3 我廠的實際應用我廠主要安裝了局部放電、氣隙、以及磁場等的在線監(jiān)測系統(tǒng)。下面主要介紹我廠局部放電的在線監(jiān)測以及專家診斷系統(tǒng)。我廠與西安交大科技園博源電氣有限責任公司共同研制的超高頻水輪發(fā)電機在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于Labview虛擬儀器程序而開發(fā)的。利用雙傳感器在發(fā)電機高壓出線端采集放電信號，并且利用脈沖時延鑒別的方法進行抗干擾處理，效果顯著。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖下圖所示： 圖3 發(fā)電機局部放電

5、在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 從圖3中可以看出，發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)由以下部分組成：硬件部分：l 傳感器l 信號調(diào)理單元l can總線或網(wǎng)卡通訊單元l 其他輔助單元l 采集卡和數(shù)字I/Ol 移動工作站式上位機與下位機機柜軟件部分：l 采集功能軟件l 數(shù)據(jù)庫軟件l 分析功能軟件3.1 硬件部分硬件電路主要是要實現(xiàn)信號的實時采集，獲取有效的局部放電信息，使整個系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠的工作。硬件部分按照其功能共分為一下幾個模塊：傳感器，信號調(diào)理模塊，采集和數(shù)字I/O，其他輔助電路，can卡或網(wǎng)卡通訊單元，PC機和機柜。（元件、連線等的選擇方式就不作具體介紹）3.2 軟件部分 局部放電在線監(jiān)測軟件可以實現(xiàn)：服務

6、器/客戶機之間對局部放電信號的在線數(shù)據(jù)采集，局放數(shù)據(jù)的處理及存貯，對局部放電的譜圖顯示，對歷史局放狀況的查詢等功能?？蓪崿F(xiàn)局部放電測量過程自動化監(jiān)測，簡化工作人員操作，但用戶也可以通過手動操作，實現(xiàn)查詢、分析等更多功能。3.2.1采集軟件本局部放電在線監(jiān)測控制軟件是采用LabVIEW圖形編輯軟件編制而成。該軟件在編寫控制面板方面具有強大的功能。本系統(tǒng)有兩個控制面板，一塊安裝在下位機上，直接負責采集控制，另一塊安裝在上位機上，用來發(fā)送采集命令和接受下位機上來的數(shù)據(jù)，并進行相關(guān)控制和數(shù)據(jù)采集。3.2.2 數(shù)據(jù)庫軟件由Microsoft SQL Server 構(gòu)建的局放數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，可以方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)服

7、務器/客戶結(jié)構(gòu)，及升級為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸。該模塊將局放采集信號，診斷及查詢的模塊聯(lián)結(jié)在一起，對一般用戶隱藏，只有擁有高級管理權(quán)限的用戶可以對其進行數(shù)據(jù)操作。數(shù)據(jù)庫中存儲三部分數(shù)據(jù)：l 存貯實時局放數(shù)據(jù)及預處理數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可生成各種局放的譜圖；l 存貯歷史局放數(shù)據(jù)信息及典型局放模式數(shù)據(jù)信息，根據(jù)此數(shù)據(jù)可以生成局放趨勢圖，并且實現(xiàn)對歷史局放相關(guān)參數(shù)的查詢；l 存貯局放數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對局放警戒值或者出現(xiàn)事故的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)追蹤顯示，查詢。數(shù)據(jù)庫主要字段含義如下表：表1 原始數(shù)據(jù)表（olddata）文件名1（原始數(shù)據(jù)）所在相位（采集數(shù)據(jù)通道）傳感器編號（數(shù)據(jù)來自）日期/時間（采集開始或結(jié)束時間）Filename

8、PhaseSensorDate3.2.3 分析軟件分析軟件模塊也是在Labview的開發(fā)平臺下完成的，具有友好的界面。其主要功能如下所示：l 測量系統(tǒng)可以檢測放電幅值（Qm），相位，次數(shù)，極性，放電總量（NQN）等參數(shù)；l N-Q圖，Q-圖，N-，二維及N-Q-三維譜圖等顯示；l 由局部放電引起的故障預警，報警；l 選定區(qū)間放電趨勢圖及查詢歷史局部放電數(shù)據(jù)；Ø 自動分析當采集完畢，程序進入自動分析程序，對采集到的數(shù)據(jù)進行N-q圖、三維圖、趨勢圖的分析，并存儲NQN及Qm值。 圖4 自動分析程序界面 圖5 手動分析程序界面如圖4所示，分別列出了ABC三相的正負NQN值和正負Qm值的趨勢

9、圖。右側(cè)還有預警以及報警指示燈，并且顯示出了每一相的最大放電量和最大NQN值的數(shù)值。分析完畢，5分鐘后程序自動退出LabVIEW環(huán)境，這就是采集、分析、顯示、存儲及退出的全過程。Ø 手動分析在手動程序主界面下點擊手動分析按鈕，則進入手動分析界面。如圖5所示?？梢钥吹剑覀兛梢圆榭?0個工頻周期放電圖，二維譜圖，三位譜圖以及放電趨勢圖。3.3 結(jié)果初步分析（1）從Qm及NQN的發(fā)展分析絕緣狀態(tài)：若發(fā)現(xiàn)特大放電或Qm，NQN不斷增大，變化特快時絕緣接近損壞（擊穿）。（2）從譜圖分析放電類型：如在NQ譜圖中，圖6正負極性相似是絕緣內(nèi)部的放電；圖7正極性小而多負極性大而少是線棒端部靠近鐵芯處

10、或槽部的放電，圖8正極性大而少，負極性小而多是靠近線棒導體邊緣氣隙的放電。 圖6 絕緣內(nèi)部放電的N-Q圖 圖7 線棒端部靠近鐵芯處或槽部放電的N-Q圖圖8 靠近線棒導體邊緣氣隙放電的N-Q圖（3）單個放電波形：上升時間t<10ns,為內(nèi)部氣隙放電，如圖9；上升時間t>10ns,為槽部放電或端部放電，如圖10。 圖9 內(nèi)部氣隙放電波形圖 圖10 槽或端部放電波形圖結(jié)束語設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的手段、故障機理研究和診斷知識的獲取是一項長期工作,現(xiàn)場經(jīng)驗的積累也有一個漫長的過程。從目前葛洲壩電站的設(shè)備先進水平和在線檢測手段看，我們對故障信號的狀態(tài)監(jiān)測已經(jīng)比較完善，但對監(jiān)測到的結(jié)果還只能進行初步分析，故障診斷功能還比較薄弱，特別是在智能診斷、充分利用數(shù)據(jù)和專家知識為大型機組經(jīng)濟安全運行服務方面還相當欠缺。我廠根據(jù)自身實際，結(jié)合發(fā)電機原始設(shè)計參數(shù)和20多年來的檢修實踐，正和華中科技大學聯(lián)合開發(fā)一套更加完善的專家系統(tǒng)。相信在不久的將來 ,葛洲壩電廠有能力在狀態(tài)檢修方