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(shí)際應(yīng)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(jìn)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(jì),采用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)當(dāng)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(jī)組安裝了其狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備,經(jīng)計(jì)算,開始2年的經(jīng)濟(jì)效益超過1600萬美元。從中可以看出，實(shí)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(shí)間，從而提高設(shè)備運(yùn)行維修效

2、益。同時(shí)，近年來,我國大、中型水電站水輪發(fā)電機(jī)組事故不斷,如廣西巖灘水電廠300機(jī)組大負(fù)荷區(qū)振動,李家峽水電站400機(jī)組、東江水電廠125機(jī)組振動，這些機(jī)組在運(yùn)行區(qū)域內(nèi)都存在著振動工況區(qū)。如何及時(shí)盡快的發(fā)現(xiàn)、解決這些問題是值得深思的一個(gè)問題。我們到底能不能可隨時(shí)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(jì)運(yùn)行呢？最后，我國的檢修體制也在從計(jì)劃檢修向狀態(tài)檢修過渡，同時(shí)這樣就必須要有一個(gè)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(yīng)運(yùn)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(shí)時(shí)地采集反映機(jī)組工作狀態(tài)的各種參

3、數(shù),如機(jī)組的振動、擺度、壓力脈動等;可對各參數(shù)進(jìn)行在線分析，如時(shí)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(jìn)行存儲和分級分類管理;當(dāng)機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí),可及時(shí)報(bào)警;監(jiān)測結(jié)果可隨時(shí)打印輸出，如每日工況監(jiān)測報(bào)表、異常測點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)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(yùn)行狀態(tài)的征兆,并對這些信息進(jìn)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(dǎo)維修計(jì)劃。專家系統(tǒng)一般由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、專家知識庫、推理

4、機(jī)組成。專家系統(tǒng)以實(shí)時(shí)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(yùn)用專家知識庫中存儲的大量領(lǐng)域知識和經(jīng)驗(yàn),通過模擬人類專家的思維決策過程對信息進(jìn)行推理和判斷,給出相當(dāng)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(shí)際應(yīng)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(zé)任公司共同研制的超高頻水輪發(fā)電機(jī)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(jī)高壓出線端采集放電信號，并且利用脈沖時(shí)延鑒別的方法進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)與下位機(jī)機(jī)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(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時(shí)采集，獲取有效的局部放電信息，使整個(gè)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(gè)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(jī)和機(jī)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(shí)現(xiàn)：服務(wù)

6、器/客戶機(jī)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?shí)現(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(shí)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(qiáng)大的功能。本系統(tǒng)有兩個(gè)控制面板，一塊安裝在下位機(jī)上，直接負(fù)責(zé)采集控制，另一塊安裝在上位機(jī)上，用來發(fā)送采集命令和接受下位機(jī)上來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服

7、務(wù)器/客戶結(jié)構(gòu)，及升級為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行數(shù)據(jù)操作。數(shù)據(jù)庫中存儲三部分?jǐn)?shù)據(jù)：l 存貯實(shí)時(shí)局放數(shù)據(jù)及預(yù)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(shí)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(shí)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(shí)間（采集開始或結(jié)束時(shí)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(yù)警，報(bào)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(dāng)采集完畢，程序進(jìn)入自動分析程序，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)NQN值和正負(fù)Qm值的趨勢

9、圖。右側(cè)還有預(yù)警以及報(bào)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(diǎn)擊手動分析按鈕，則進(jìn)入手動分析界面。如圖5所示?？梢钥吹?，我們可以查看50個(gè)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(shí)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(fù)極性相似是絕緣內(nèi)部的放電；圖7正極性小而多負(fù)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(fù)極性小而多是靠近線棒導(dǎo)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(dǎo)體邊緣氣隙放電的N-Q圖（3）單個(gè)放電波形：上升時(shí)間t<10ns,為內(nèi)部氣隙放電，如圖9；上升時(shí)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(jī)理研究和診斷知識的獲取是一項(xiàng)長期工作,現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的積累也有一個(gè)漫長的過程。從目前葛洲壩電站的設(shè)備先進(jìn)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(jìn)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(jī)組經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行服務(wù)方面還相當(dāng)欠缺。我廠根據(jù)自身實(shí)際，結(jié)合發(fā)電機(jī)原始設(shè)計(jì)參數(shù)和20多年來的檢修實(shí)踐，正和華中科技大學(xué)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