具有停机保护功能的多维度水电机组状态监测系统

石杰

国网陕西省电力公司安康水力发电厂 陕西安康 725000

摘要：机组状态监测系统以往通常仅仅是对一些重点部位单纯地进行实时监测，能实时看出各特征值，需要数据时再去用它，具有一定的被动性。本文提供了一种具有停机保护功能的多维度水电机组状态监测系统，同时采集传统机械部分的状态信息与机组其他状态信息，旨在保证机组安全稳定运行，提高故障分析处理效率，减少机组检修退备时间，增加发电效益。

关键词：机组状态监测；振动；摆度；停机保护

1.背景与意义

当前安康水电厂正朝着“少人值守”方式发展，这一切的基础在于设备实现自动化和集成化管理，而给机组安装振动摆度监测分析系统是其中重要的一环，本文将主要以发现和解决轴承、水力等机械振动问题为导向，进行了主机设备稳定性在线监测系统方面的研究。安康水电厂此轮机组改造期间为4台机组在线监测系统装上大脑，使其具备智能化功能，及时发现发电机组运行的安全隐患，以提高故障处理效率，减少机组停机检修时间，增加发电效益。特别是在机组出现极端异常运行状态时，可以安全停机，确保人员、电网及设备安全^[1]。

2.系统结构与原理

2.1系统结构

系统由现地端子箱及传感器、智能数据采集单元和状态诊断分析软件组成，该系统可以与整个电厂的状态监测和故障诊断上位机系统实现集成互联。

2.2系统原理

系统原理如图1整个系统的采集的数据分为两类，一类为传统机械部分的状态信息，另一类为机组运行过程中其他相关状态信息。第一类数据主要包括有轴承、上下机架、定子基座、顶盖等的振动、摆度、轴向位移等状态量，第二类数据为机组有功、无功、励磁电流、转速等状态量，可以说是第一类数据是基础，第二类数据则为分析机组运行状态的保证。

图1系统原理图

通过结合采集的机组当前运行参数进行故障报警，根据预警级别的不同，动作于不同的开出继电器，另一方面可通过网络交互将机组状态监测数据传送至状态监测和故障诊断上位机系统或机组计算机监控系统。

2.3 系统功能

2.3.1实时监测功能

数据采集单元可对机组的振动、摆度以及相关的过程量参数进行实时、并行、整周期采样，并进行相应的处理、计算和特征提取，在相应显示终端上以结构示意图、棒图、数据表格、导轴承状态、机架振动、实时趋势等形式实时动态显示所监测的数据和状态。

2.3.2振动分析

数据采集箱可利用不同的分析方法来分析机组在各种运行状态下的采集的状态数据，主要运用的分析方法有时域信号分析、阶次比分析、轴心轨迹分析、多轴心轨迹分析、极坐标图分析、瀑布图分析。亦可分析出振动摆度量随时间、转速、有功功率、无功功率、励磁电流等量变化的趋势。

2.3.3数据报警

系统具备数据预警功能，在软件中根据机组不同运行工况设定报警值。具备区别设置机组在不稳定与稳定状态下的报警功能。报警信号显示醒目，并能动作于不同的开出继电器，以实现报警给集控人员与动作停机。

2.3.4数据存储管理

数据采集箱配备了超大容量的存储硬盘，可按年月日的格式将原始数据进行存储，时分秒等间隔可进行自由设定，但必须保证能够存放一个机组周期的数据，在工控机触摸屏可随时进行历史数据调阅查看。

2.3.5网络通讯

系统具备多种数据通信方式，以以太网络通讯方式实现与状态监测与故障诊断系统上位机信息交互，以 RS485串行通讯功能，与机组监控系统信息交互，亦可根据当前智慧电厂建设需要，实现与其他系统的信息交互^[2]。

3.3 振动摆度测点布置

3.3.1测点布置基本原则

测点布置是取决于设计、设备结构、机组运行规律，测点不是越多越好，多了不经济，同时基坑内的设备与电缆将增多，可能会影响机组主设备运行，当然也不是越少越好，典型数据必须足够来满足分析和故障诊断的需要。因此，在确定监测点布置方案时，必须综合考虑各方面的因素。

3.3.2安康水电厂测点配置

安康水电厂机组属于混流式水轮发电机组，它的一个振动摆度典型测点配置如下所示：

（1）大轴摆度：上导、推力和水导处，+X/-Y向摆度。

（2）机架振动：上机架、下机架、定子机架和顶盖处，+X/-Y向水平振动和垂直振动。

（3）定子铁芯振动：3组（每组包括1个水平和1个垂直测点）。

（4）键相信号：1个 。

安康水电厂1号机组状态监测系统共配置了5个现地端子箱TB01-TB05,现地传感器测点信号全部通过现地端子箱进行转接。

4.机组振动摆度保护的实现

机组振动摆度保护是通过报警逻辑组态功能来实现的，本系统分为一级报警和二级报警，一级报警只发信号，二级报警要动作停机。实现这一功能的前提是各采集单元的数据校核正确且已经按报警定值要求进行相应的报警限值配置。

4.1报警定值设定

机组状态分为稳定状态与不稳定状态，稳定状态是指正常运行带负荷时的状态，不稳定状态包括有试验时或开停机时这些不正常的运行状态，所以报警值设定也分两类进行。

4.2 报警逻辑组态

通过继电器输出来实现保护发信告警或发信停机。需要对所有摆度振动数据按一定的逻辑进行组合来实现。此系统是以各测量单元所有数据做“与”逻辑后，再和其他单元做“或”逻辑来实现保护输出逻辑。一级报警和二级报警逻辑构成是一样的，不同的只是其报警值。

当满足报警逻辑后，系统将开出报警信号或是停机信号送至全厂计算机监控系统，用以动作报警弹窗或是停机流程。

5.系统优点及效益分析

5.1系统优点

（1）系统采集机组实时运行典型数据，使得系统能够根据机组不同工况下对机组状态进行分析诊断，更好地指导机组状态检修。

（2）将机组三大轴承、上下机架、定子基座、顶盖等主机设备在运行时的摆度或振动数据实时传送给电厂统一的监控平台，方便运行人员监视。

（3）根据机组运行状态，分析出机组是否出现故障或事故，并判断是否需要发信告警或停机。

（4）将发电机励磁电流作为监测对象，综合考虑机组在无功功率变化和不平衡磁拉力作用下的振动及摆度的变化情况。

（5）将机组有功功率和机组转速、导叶开度作为检测对象，用于判断机组处于何种工况（开机、停机或稳定运行工况），以综合判断机组振动及摆度变化情况。

（6）将大轴补气量引入系统，用于检测和分析因尾水管内水涡流产生的机组振动。

5.2效益分析

安康水电站现在已经在两台机组安装本状态监测系统，通过该系统可以分析出主机设备健康状况，并综合机组设备现状给出检修建议，使得计划性检修可以结合针对性检修，避免机组运行过程中出现重大主机设备故障导致的非停事故发生，同时也使得检修效率大大提升。

参考文献

1. 肖涛.水电机组状态监测与故障诊断技术应用探析[J].科技创新与应用,2015,12:130.

2. 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，2O03，27(2)：19-21．