基于系統(tǒng)集成的水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測

1、.基于系統(tǒng)集成的水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)鄭松遠(yuǎn)（北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司）摘 要 水電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測是多學(xué)科多系統(tǒng)的知識綜合，涉及到國內(nèi)外各種不同專業(yè)公司的監(jiān)測系統(tǒng)，以前這些系統(tǒng)只能獨(dú)立運(yùn)行，無法發(fā)揮應(yīng)有的作用。本文介紹了基于系統(tǒng)集成的TN8000狀態(tài)監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)集成、知識集成、數(shù)據(jù)與知識的集成三方面全面介紹了該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的過程。該系統(tǒng)已應(yīng)用于多個水電廠，現(xiàn)場應(yīng)用表明，這種基于集成的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以滿足水電廠實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測的需要，為水電廠實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修發(fā)揮應(yīng)有的作用。主題詞 水電機(jī)組 系統(tǒng)集成 狀態(tài)監(jiān)測 故障診斷1、概述水電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測涉及機(jī)組的水力特性、機(jī)械特性、設(shè)

2、備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電氣特性，是多學(xué)科多系統(tǒng)的知識綜合，因此，要對水電機(jī)組的有關(guān)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，必然涉及到國內(nèi)外各種不同專業(yè)公司的監(jiān)測系統(tǒng)。前幾年，我國部分水電廠為實(shí)現(xiàn)機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測就購買了大量的監(jiān)測設(shè)備，由于這些設(shè)備屬于不同公司的產(chǎn)品，只能獨(dú)立運(yùn)行，因而無法發(fā)揮應(yīng)有的作用。如何對這些系統(tǒng)進(jìn)行集成，使之成為一個有機(jī)的整體，是狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能否真正投運(yùn)，為狀態(tài)檢修提供輔助決策的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)開發(fā)的一些集成的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，僅限于部分監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成，無法真正滿足水電廠狀態(tài)監(jiān)測的需要。北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司研制開發(fā)的TN8000系統(tǒng)，是以系統(tǒng)集成為基礎(chǔ)開發(fā)的新一代水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)。TN80

3、00系統(tǒng)的集成，不僅包括數(shù)據(jù)的集成，還包括知識的集成，更強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的集成和知識的集成的有機(jī)結(jié)合，以滿足水電廠實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測乃至狀態(tài)檢修的需要。狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)采集箱特征提取預(yù)處理模塊傳 感 器狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)流程12、數(shù)據(jù)集成水電廠的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測參數(shù)的不同，可以分為機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測、能量效率監(jiān)測、推力軸承狀態(tài)監(jiān)測、發(fā)電機(jī)空氣間隙監(jiān)測、發(fā)電機(jī)氣隙磁場強(qiáng)度監(jiān)測、發(fā)電機(jī)絕緣監(jiān)測、諧波監(jiān)測、軸電壓監(jiān)測、主變氣相色譜監(jiān)測、主變套管監(jiān)測、調(diào)速器監(jiān)測、GIS監(jiān)測等等子系統(tǒng)。同時，為了全面分析和監(jiān)測機(jī)組的狀態(tài)，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還必須從監(jiān)控系統(tǒng)中引入相關(guān)的參量。一套完整實(shí)用的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，應(yīng)該將各個子

4、系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行集成整合，實(shí)現(xiàn)資源和數(shù)據(jù)的共享。數(shù)據(jù)的集成主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的傳送、使用和管理上。針對水電廠狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)所配備的子系統(tǒng)和設(shè)備很多的情況，TN8000系統(tǒng)從系統(tǒng)設(shè)計開始就高度重視各個子系統(tǒng)和設(shè)備的集成整合，做到各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或由TN8000系統(tǒng)直接采集或與TN8000通訊，由TN8000系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。TN8000系統(tǒng)集成后的數(shù)據(jù)庫存儲在狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器中，所有子系統(tǒng)的集成工作由狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器來協(xié)調(diào)完成。為便于系統(tǒng)的集成和可擴(kuò)充性，TN8000從設(shè)計開始就對所有子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程進(jìn)行了統(tǒng)一。狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器通訊站通訊接口子系統(tǒng)通訊站集成子系統(tǒng)流程2由TN8

5、000系統(tǒng)直接采集傳感器數(shù)據(jù)的子系統(tǒng)，如機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測、能量效率監(jiān)測、發(fā)電機(jī)空氣間隙監(jiān)測、發(fā)電機(jī)氣隙磁場強(qiáng)度監(jiān)測等系統(tǒng)，統(tǒng)一采用流程1：各狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)完成信號的采集和初步處理工作后，完成狀態(tài)特征提取后，通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以TCP/IP、ODBC協(xié)議將各自有關(guān)數(shù)據(jù)存入到狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中，各個子系統(tǒng)亦可通過ODBC協(xié)議從統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中獲得需要的環(huán)境參數(shù)。對于采用其它公司產(chǎn)品的子系統(tǒng)，如發(fā)電機(jī)絕緣監(jiān)測系統(tǒng)、主變油色譜系統(tǒng)、主變局放系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，統(tǒng)一采用流程2：TN8000系統(tǒng)根據(jù)各子系統(tǒng)提供的通訊規(guī)約，編制針對性的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，安裝在通訊站中，將各子系統(tǒng)采集獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TN8000系統(tǒng)

6、的數(shù)據(jù)存儲格式，通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以TCP/IP、ODBC協(xié)議存入到狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中，用戶可以通過TN8000系統(tǒng)提供的監(jiān)測分析和診斷軟件監(jiān)測分析這些數(shù)據(jù)。通訊接口可以有多種方式，最常見的有采用Modbus協(xié)議的串行通訊、采用ODBC協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、NETDDE或SOCKET方式的以態(tài)網(wǎng)通訊方式。集成在數(shù)據(jù)服務(wù)器中的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，由TN8000系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)，所有子系統(tǒng)的監(jiān)測、分析和診斷功能集中在TN8000系統(tǒng)的程序中，由TN8000系統(tǒng)的程序通過MIS通訊站將有關(guān)信息發(fā)送到各級管理部門。3、知識集成水輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測涉及機(jī)組的水力特性、機(jī)械特性、設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電氣特

7、性，是多學(xué)科多系統(tǒng)的知識綜合。所以，一套實(shí)用的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)必須重視知識的集成，最終應(yīng)該將所有知識構(gòu)成一個整體的知識模型，在一定程度上能夠反映實(shí)際設(shè)備的行為與動態(tài)變化，當(dāng)獲得有效的數(shù)據(jù)后，可以推斷機(jī)組設(shè)備的故障和狀態(tài)。 TN8000系統(tǒng)從多方面強(qiáng)化知識的集成，集成后的知識模型融合在TN8000系統(tǒng)故障診斷知識庫中，以故障樹方式進(jìn)行存儲和管理。TN8000系統(tǒng)的故障診斷知識庫涵蓋了水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、GIS、調(diào)速器以及主要輔助設(shè)備的極大部分故障類型，融合了各高校、設(shè)備制造廠十多年來在水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域的研究成果和積累，充分吸收電科院幾十年來從事水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等

8、設(shè)備現(xiàn)場測試和故障處理方面所積累的豐富經(jīng)驗，深入挖掘各電廠在長期的運(yùn)行維護(hù)實(shí)踐中積累的寶貴經(jīng)驗，使得知識庫更具針對性和實(shí)用性。水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、GIS、調(diào)速器等故障診斷知識庫推理機(jī)知識庫編輯系統(tǒng)輸出結(jié)論和解釋在線或離線監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫監(jiān)控參量數(shù)據(jù)庫巡檢數(shù)據(jù)庫4、數(shù)據(jù)與知識的集成水電廠安裝狀態(tài)監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)的目的是為了實(shí)時掌握設(shè)備的狀態(tài)，為狀態(tài)檢修提供輔助決策。如何將監(jiān)測系統(tǒng)集成獲得的所有數(shù)據(jù)，結(jié)合多方面集成獲得的針對機(jī)組的知識，來推斷機(jī)組設(shè)備的故障和狀態(tài)，為狀態(tài)檢修提供決策，就需要對數(shù)據(jù)與知識進(jìn)行集成。TN8000系統(tǒng)提供的狀態(tài)報告和故障診斷系統(tǒng)就是數(shù)據(jù)與知識集成過程的集中體現(xiàn)。

9、TN8000故障診斷系統(tǒng)主要有五個模塊：知識庫模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、推理機(jī)模塊、知識庫編輯模塊、輸出結(jié)論和解釋模塊，其中數(shù)據(jù)庫模塊存儲集成后數(shù)據(jù)，知識庫模塊存儲故障診斷知識庫，推理機(jī)就是數(shù)據(jù)與知識的集成過程。以某臺水電機(jī)組發(fā)生擺度故障為例。由專家知識可知，造成擺度故障的原因很多，如機(jī)組機(jī)械故障、電磁故障、水力故障或附屬系統(tǒng)故障都會造成擺度故障。附屬系統(tǒng)的故障可通過監(jiān)控系統(tǒng)獲得的潤滑油溫、油位、冷卻水溫及冷卻水流量參數(shù)來判斷；通過穩(wěn)定性監(jiān)測子系統(tǒng)獲得的有關(guān)參數(shù)及機(jī)組有關(guān)工況參數(shù)及過渡過程試驗，可判斷擺度故障是因為機(jī)械故障、電磁故障或水力故障造成；如是機(jī)械故障，可根據(jù)有關(guān)參數(shù)特征判斷是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、

10、大軸彎曲、軸承故障或其它故障；如是電磁故障，要想進(jìn)一步判斷是電磁故障的類型，則可根據(jù)安裝的發(fā)電機(jī)氣隙監(jiān)測系統(tǒng)、磁場監(jiān)測系統(tǒng)、局部放電系統(tǒng)及定子鐵芯振動監(jiān)測系統(tǒng)獲得的詳細(xì)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步判斷是否存在磁拉力不平衡（定轉(zhuǎn)子匝間短路、氣隙不均勻、定轉(zhuǎn)子不圓、三相不平衡）、定子鐵芯松動或合縫松動；如存在水力故障，可結(jié)合振動、擺度、壓力脈動特征及能量效率特性，來進(jìn)一步判斷是否存在渦帶激振、水力不平衡及其它相關(guān)故障。這種充分利用各個監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)，有機(jī)結(jié)合各領(lǐng)域的知識，準(zhǔn)確判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)及故障的分析方法，可以充分滿足水電廠實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測乃至狀態(tài)檢修的需要。5 結(jié)語過去幾年的實(shí)踐表明，水電廠在實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測時，如果僅安裝大量的監(jiān)測設(shè)備而沒有一個系統(tǒng)集成的綜合平臺，則不可能發(fā)揮狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)有的作用。因此，對于國內(nèi)正在計劃安裝狀態(tài)監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)的大中型水電廠來說，系統(tǒng)集成應(yīng)該作為規(guī)劃和選型監(jiān)測系統(tǒng)的前提條件，即在實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測時，應(yīng)該選用具有系統(tǒng)集成綜合平臺的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。同時，電廠在采購各種監(jiān)測子系統(tǒng)時必須要求這些系統(tǒng)預(yù)留與其它系統(tǒng)的通訊接口及通訊規(guī)約，為今后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成提供方便。本文以TN8000系統(tǒng)為例從數(shù)據(jù)集成、信息集成以及數(shù)據(jù)與信息的集成三方面