文章编号:1 671.4768(2006)O3 0004—05 水轮发电机组状态监测与故障诊断系统研究 武 桦,王小宇,张 丽 (西安理工大学水利水电学院,西安710048) 摘要:本文设计了水轮发电机组状态监测与故障诊断系统的结构,并针对此结构设计了相 应的硬件与软件。该系统可以实时记录机组运行中的振动、摆度等数据,并以图形和表格的形 式反映给用户。本系统还包含故障诊断专家系统,系统能根据所测数据及时诊断出机组的故 障,并自动生成报告。该系统已在索风营等多个电站投入运行,结果表明该系统能准确反映机 组运行情况,对机组故障做出准确的诊断。 关键词:水轮机发电机组;状态监测;故障诊断;专家系统 中图分类号:TM737 文献标识码:B 1引言 水轮发电机组单机容量的增大,及“无人值 班,少人职守”的推广实施,客观上对发电机组 的运行与检修提出了高要求。预防性计划检修与 2系统结构 水轮发电机组振动在线监测的结构从物理上 来划分可以分为:机械测量、数据采集、监测与分 析、网络传输四个部分。从功能上来划分,又可以 事后维修相结合的检修体制已不能满足现代化电 厂管理的需求[1q]。作为大型回转机械,水电机 分为数据采集、状态监测、故障诊断三部分。 状态监测部分的任务是在前端数据采集的基 础上,对机组的状态进行判断和分类,给出机组的 组具有其特殊性,如起停频繁,振动部位广泛, 同时受水、电、磁等多种因素的影响。这些使得水 轮发电机组的诊断技术相对于核电、火电机组发 展得较慢。 状态报告。具体内容包括:信号的简单分析工作, 如时序分析,统计分析等;数据的快速傅里叶分析 及谱分析;机组的启停工况分析;正常运行工况分 析;各种监视图形的显示,如棒图、频谱分析图、轴 心轨迹图等;机组状态的显示;机组的状态报告与 打印;趋势分析;机组日常报告管理等;与分析诊 断的通信协调。分析诊断部分首先对于在状态监 测送来的信号进行进一步详细的分析,包括信号 先进的状态监测与故障诊断技术能对整个机 组进行综合监测、分析、诊断与决策。它不仅可以 早期发现故障,避免恶性事故的发生,还可以从 根本上解决目前设备定期维修中维修不足和维修 过剩的问题[4 ]。据统计,水轮发电机组约有80% 的故障或事故都在振动信号中有所反映,振动、 摆度的超标威胁着机组的安全运行。智能化在线 监测分析诊断系统跟踪监视水电机组的运行状态 并及时地提供故障报告,对安全生产、决策参考 具有重要的实际意义[6 ]。 收稿日期:2006—06—16 滤波、功率谱分析、相关分析、相干分析、频谱分 析、传递函数分析、倒频谱分析、信号奇异性分析、 信号的压缩等;然后根据分析结果诊断出故障发 生的部位、原因,给出检修决策,对机组运行管理 做出指导。 作者简介:武桦(1979一),女,陕西西安人,西安理工大学水利水电学院助教。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第3期 武桦,等 水轮发电机组状态监测与故障诊断系统的研究 水电站状态监测与故障诊断系统整体结构如 图1。其中远方互联网和厂内局域网部分不属于 信系统的公用通信设施等。电厂局域网内的所有 用户终端和通过广域网接入的其他用户终端都可 状态监测系统内容.而是MISS系统的一部分。 电力系统rL域信一 远程专家 息网 。 局域网 / 服务 一端 I I 电,局域网(MIs系统) wEB服务器 上 网络硬件隔离装置 奢州数据镜像服务器 ir 站 删信号 图l系统结构图 状态监测系统由上、下位机两部分组成,上位 机系统包括主数据服务器、工程师站、隔离装置、 数据镜像服务器,WEB服务器;下位机系统由放 置在机组旁的屏柜组成。 在该系统中,通过增加数据镜像服务器和隔 离装置实现内网和外网的隔离,从应用功能上看, 主数据服务器、隔离装置、数据镜像服务器作为一 个整体,实现数据服务器的功能。安装在机组各部 位的传感器将各种物理信号转化为电信号,传送 到各状态监测子系统,各子系统将这些信号采集 和处理,得到反映机组运行状态的各种特征参数, 曲线,图表等,统一存储到状态数据服务器。 状态数据服务器还会自动运行分析和诊断软 件,定期提供状态检查日志,状态发展趋势,自动 存储有故障时的监测数据等。 WEB服务器负责发布数据服务器中的数据、 分析结果、诊断结果,包括与本地或者远程的监 测、分析、诊断、维护工作站的交互,定期向远程发 送日志、趋势以及有故障的实时数据等。WEB服 务器是基于B/S模式的Internet系统的必备装 置,在数据量不大的时候可与状态数据服务器共 用一台计算机。 为保证各个网段之间的连通性以及支持1n— ternet或者Intranet,通讯协议使用TCP/IP。 广域网可以是电力系统远程光纤通信网,电 以通过浏览器查询状态数据服务器上的状态数据 和报告,下载监测数据完成自定义分析,或指定服 务器完成特定的分析和操作。 3硬件配置 3.1下位机硬件配置 该系统设计为,每台机组的信号采集与预处 理系统是一个标准机柜,安装在机组附近,它是由 19寸标准机柜,显示器,键盘,信号采集与预处理 单元等装置组成。状态监测子系统所包含的所有 装置集中组屏,采用标准柜和模块,机柜内的具体 设备如表1所示。 表1机柜内设备表 序号 名称 数量 1 标准工业机柜 1 2 传感器直流电源箱 1 3 稳定性信号采集预处理单元 1 6 液晶显示器 1 7 键盘、鼠标及共享器 1 8 UPS电源 1 机柜内的电源箱为各种传感器提供直流电 源,传感器和其它仪器的输出信号通过机柜内的 接线端子,送到相应的信号采集与预处理单元中。 信号采集与预处理单元完成信号的电气接口处 理,电气隔离,抗混滤波,并完成所有信号的同步 采样。采样后的数据将进行分析处理,提取特征参 数,得到机组状态数据,完成振动越线报警、预警 功能、高速记录功能。最后将数据通过网络传至状 态数据服务器,供进一步的状态监测分析和诊断。 信号采集与监测单元内的程序还通过显示器为现 场工程师提供必要的界面显示,以完成信号调试、 状态监测、参数设定、系统自检等功能。盘柜内部 连接设计如图2所示。 预处理机在传感器与状态数据服务器之间起 承上启下的作用,将信号采集和预处理两项工作 合二为一,可以直接连入状态监测网络。 3.2上位机硬件配置 上位机系统由主数据服务器、数据镜像服务 器、WEB服务器、工程师工作站、网络安全物理隔 离设备等组成。主数据服务器、数据镜像服务器、 WEB服务器、工程师站采用相同的配置形式,其 维普资讯 http://www.cqvip.com
- 西北水力发电 第22卷 域网 AC220 传感器直 振动、摆度、压 流电源 力传感器信号 图2机柜内设备连接图 配置如下: CPU Pentium 4;时钟频率≥2.4 GHz;内存 ≥512 MB;硬盘容量≥80 GB;软盘驱动器:≥ 1.44 MB;CD—ROM≥52X;1个10—100 M以太网 卡,其余接口满足要求;AGP高性能图形卡:缓存 64 M以上;网络支持:IEEE802.3u,TCP/IP。 4软件设计 结合系统总体结构,电厂局域网内部的数据 流图可概括如图3所示,第 台机组状态信号(振 动位移、速度、压力脉动等)以模拟电压或电流的 形式提供给信号采集及预处理系统,预处理机将 传感器数据转换为计算机能够识别和存储的数字 信号,预处理机提取出特定的时域数据及由时域 数据派生出的特征数据、趋势数据、组合特征数 据,然后将这些数据提供给电厂状态数据服务器。 同时电厂状态数据服务器需要在安装或调试时给 机组 的预处理机提供一定的配置数据。电厂状 态数据服务器接收来自机组 预处理机的数据, 几_组l传感器信号 机组2传感器信号 机组n俜感器信号 』 l 土 叽组l预处理数据 机组2预处理数据 机组n预处理数据 1『 i『 电厂‘状态服务器数据 j 监控系统数据 工程师站数据 \/7 。电厂wEB服务器数据 l l I 1 f l 用户终端1数据 用户终端2数据 i用户终端n数据. 图3 电厂局域网内部的数据流图 将其提供给电厂WEB服务器及电厂用户终端。 监控系统采样的数据通过转换器送到状态数据服 务器中,工程师站可直接与状态数据服务器交互 数据。在整个系统设计中,状态数据服务器是数据 流的真正核心。 4.1预处理机数 该系统设计中有多台预处理计算机,除监测 的内容和分析算法不同以外,数据处理的流程和 结构是类似的,为保证网络系统的一致性,所有预 处理计算机都采用WINDOWS2000平台,其最终 数据结构主要包括来自传感器的原始时域数据、 经FFT算法提取出的特征数据以及状态数据服 务器为预处理站提供的少量配置数据,其数据流 如图4所示。 预处理机数据 原始时域数据I l特征量数据I{部分配置数据{1日志数据 频I趋 蓉 组合特征量 机组相关参数 通道配置 传感器标定 图4预处理机数据图 通道报警闽值 因为系统以较高的频率采样,预处理机中存 储的数据是时间较短的密度较高的数据,所以系 统运行中将自动对数据库中的数据稀疏化,但是 稀疏化处理只是剔出无用的数据,并不影响数据 分析。某天的数据可能覆盖前一天的数据,但前一 天的数据中真正有保留价值的数据已经传送到状 态数据服务器上存储。状态数据服务器上的数据 将是机组整个寿命周期的数据。 4.2状态数据服务器 将实时数据的预处理工作下移到预处理站, 使得状态数据服务器成为主要保存特征数据的数 据服务器。这样,系统的功能模块非常分明、独立, 具有很好的扩展性和兼容性。其他数据采集和预 处理系统,如局部放电监测系统和气隙与磁场强 度监测系统,只要其数据接口公开,就可以方便的 连接到系统中。另外,一些特殊功能的离线数据采 集处理系统的数据,也可以通过工具模块(Web 或者非Web形式)传送到数据服务器。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第3期 武桦,等水轮发电机组状态监测与故障诊断系统的研究 数据库软件采用SQL Server,因为SQI Server是为了适应企业要求而开发的软件,能够 管理任意规模、任意应用下的任何数据而研制的。 作为一个开放系统的解决方案,它能够满足联机 事务处理(OI TP)系统、大规模数据仓库中的查 询处理、以及在企业乃至Internet分布数据的业 务管理的需求。同时,操作系统和数据库都采用微 软公司产品,其技术的一致性和兼容性也为软件 开发和应用带来了极大的便利。 数据库接口采用0DBC(Open Database Connectivity开放数据库互连性)接口,ODBC接 口对不同的数据库管理系统DBMS(Database Management Systems)如Oracle和SQI Server, 提供半透明的存取。应用系统通过结构化查询语 言SQL(Structured Query Language)访问数据 库管理系统,在ODBC接口上开发的应用系统代 码具有很好的可移植性和互用性。因此在ODBC 接口上开发的应用系统,在数据库方面,具有很好 的扩展性和兼容性。状态数据服务器中的数据除 了上述预处理机中的部分数据外,还有关于综合 分析结果等数据。 状态数据服务器中的数据原始时域数据将代 表机组整个寿命周期的状态,但数据密度可能很 稀疏了。其中的特征量数据也均是以趋势曲线的 形式来存储的。 4.3 WEB服务器 Web服务层提供对机组数据的监测、分析、 诊断服务,以及系统的维护服务。Web服务层的 监测服务通常是直接获取数据层的数据,以 WebPages(网页)形式进行发布,并没有对数据进 行过滤加工。而分析和诊断服务,必须通过工具层 的分析和诊断工具,对数据进行过滤,即分析和诊 断加工,将分析诊断的结果,如趋势信息以及状态 报告等,以网页形式发布。 该系统设计采用Web/Server模式,用户在 任何客户端都可以获得一致的服务。包括现场客 户(中控),本地MIS客户,甚至远程客户(通过广 域网或者拨号网络),只要带宽允许,就可通过 Microsoft IE网络浏览器,获得Web服务层的监 测、分析、诊断和维护服务。 web服务器采用Microsoft IIS,IIS是Mi— crosoft开发的一个集www、FTP和Gopher服 务于一体的服务器软件,是目前广泛使用的Web 服务器软件之一。它的优点它是一套免费软件,与 Windows 2000紧密集成,支持Internet上的标准 的数据库接口工具CG1(Common Gateway Inter— face,通用网关接口),并提供基于IDC(Internet Database Connecter,Internet数据库连接器)的 数据库接口ISAPI(Internet Server API),用户能 够在Intranet网络环境中开发基于Www的数 据库应用程序。更重要的是,它支持ActiveX,可 以避开任何网络协议开发基于Oracle、SQI Serv— er等数据库的网络应用程序。 在电厂局域网中,web服务器要具备两个基 本功能,一个是Web页面的发布(即提供Www 浏览服务),它使得许多终端用户能够直接通过 IE浏览器访问Web服务器,从而了解机组运行 状况;另一功能就是提供FTP服务,这样使得其 他试验单位能够从电厂服务器上下载状态数据服 务器上的数据,从而进行更详细的分析和诊断。 4.4用户终端 用户终端都应安装Microsoft IE网络浏览 器,IE已经与操作系统捆绑起来,可免费获得。由 FrontPage等网页制作工具生成静态HTMI 网 页框架,同时自行开发ActiveX为框架中的部分 动态区域刷新曲线,曲线刷新所需的数据通过 WEB服务器到状态数据服务器上获得。用户终端 上并不保留大量数据,它的功能可以看作是WEB 服务器的一个显示窗口。 5结论 该系统已在贵州索风营等多个电厂投入运 行,现场运行良好。该系统能及时发现机组振动 异常并报警,并且能对事故发生时刻的数据信息 自动捕捉和存贮。同时基于专家知识,对机组故 障进行诊断分析,确定故障类型和原因。故障诊 断技术的研究方兴未艾,其理论研究对生产实践 具有重大的指导意义。从实时诊断方面,现代谱 分析技术的飞速发展,可以利用高阶谱分析、 Wigner—Ville时频分布、短时傅立叶变换、小波变 换、ARMA时序分析、Hilbert—Huang等现代信号 分析技术来分析问题;同时智能诊断技术(如神经 网络与专家系统的结合、模糊理论、GA算法等) 的应用也为故障诊断的深入研究奠定了理论基 础。这些都有利于更深层次地揭示故障现象与故 障原因之间复杂的映射关系。达到减少事故发生, 维普资讯 http://www.cqvip.com
西北水力发电 第22卷 提高设备利用率的目的。 [4] 吴世林,梅宏,高峰.水轮发电机组状态监测及故障 参考文献: 诊断系统的硬件系统设计[J].云南水力发电,2002, [1]陈遗志,周建中,常黎.水电机组振动监测与故障诊 18(2):53—55. 断系统研究[J].电力系统自动化学报,2002,14(2): [5] 林礼清,陈伟.水口水电厂机组状态监测与诊断系 统[J].水电自动化与大坝监测,2003,27(2):19 21. 35—38. [2] 申健.水轮发电机组的振动、摆度测量及在线诊断 [6] 黄天戍,孙夫雄,等.水轮机组故障诊断数据库系统 [J].测控技术,2003,22(5):54 56. 探讨[J].四川水力发电,2002,21(2):29 32. [3] 钱瑞霞,陈光大.水力机组在线振动监测分析系统 [7] 瞿望,朱建林,赖旭.远程分布式水轮发电机组振动 研究[J].中国电力,2002,35(8):19—21. 监测与故障诊断系统的研究[J].低压电器,2004,7: 26 3O. Study on State Monitoring and Fault Diagnosis System of Hydraulic Generator WU Hua,WANG Xiao—yu,ZHANG Li (Fault of Water Resource Hydraulic Power,Xi'an University of Technology,Xi'an 710048,China) Abstract:the structure of state monitoring and fault diagnosis system for hydraulic generator is been designed in this paper.Corresponding to the structure hardware and software are been designed too. The system can register real—time vibration and oscillation data and show them to users as graphics or tables.The system contains fault diagnosis expert system too.It can find out fault by analyzing the registered data and produce diagnosis report automatically.This system has been used in many hy— draulic power stations such as SUO FENG YING.Results show that this system can reflect state of generators correctly and give fault note exactly. Key words:hydraulic generator;state monitoring;fault diagnosis;expert system 西北五省(区)水电学会第21次联系网会议在乌鲁木齐召开 西北五省(区)水电学会第21次联系网会议于2006年8月8日在乌鲁木齐召开。陕西、甘肃、宁夏、 青海、新疆、山西、河南省(区)水电学会负责同志参加了会议。 会议交流了各学会工作经验,学会改革的进程、体会与存在的困难等。多年来西北五省(区)以及山 西省、河南省水电学会根据自己的地域特点与优势,克服重重困难,在学术交流、组织发展、咨询服务与 科普活动等方面开展了大量的活动,取得了明显的成绩,为各地区水电科技事业的发展做出了贡献。在 学会改革的道路上,也取得一定成绩。 网刊《西北水力发电》编辑部向会议汇报了办刊情况以及目前存在的问题,希望各学会今后更多的 支持和关心网刊,多提供稿源,使网刊办得更好。 西北五省(区)水电学会第21次联系网会议决定: 1.西北五省(区)水电学会联系网在原有西北五省(区)的基础上,扩大山西、河南两省水电学会参 加,即扩大后的联系网有新疆、宁夏、青海、陕西、甘肃、山西、河南等七省(区)学会为成员单位。扩网后的 网名定为“北方七省(区)水力发电工程学会联系网”。 2.联系网一致推选陕西省水电工程学会为网长单位,负责组织联系网的相关活动,每届网长的任 期为五年,2011年将进行网长改选。 3.《西北水力发电》改为“北方七省(区)水电学会联系网”网刊。网刊名称将在适当的时候变更,欢 迎大家推荐、提供新的期刊名称。 会议还就其它问题进行讨论研究。(-7-木)
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