一種水輪機組運行狀態監測診斷方法
【專利摘要】本發明公開了一種水輪機組運行狀態監測診斷方法，包括碰摩故障監測的步驟：1）采集被檢測水輪機組頂蓋的碰摩檢測信號，所述碰摩檢測信號包括水輪機組頂蓋的水平振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號；2）根據頂蓋的碰摩檢測信號構建碰摩特征向量；3）將多組碰摩特征向量采用加權向量法生成加權碰摩特征向量；4）計算加權碰摩特征向量、預設的典型碰摩特征向量之間的向量距離，如果向量距離小于給定閾值，則判定被檢測水輪機組發生碰摩故障。本發明能夠精確檢測診斷被檢測水輪機組發生碰摩故障，使水電廠狀態監測系統的功能得到完善，為專家的遠程分析診斷提供更多有用的信息，從而對出現的故障問題進行有針對性的處理。
【專利說明】
一種水輪機組運行狀態監測診斷方法
技術領域
[0001]本發明涉及旋轉機械狀態監測分析及診斷技術，具體涉及一種水輪機組運行狀態監測診斷方法。【背景技術】
[0002]隨著水電機組單機容量的提高以及在電力系統中所占的比重越來越大，其重要性越來越突出。由于部分老電廠的設備運行多年后機組設備、金屬結構均出現了老化，部分缺陷已影響到電廠安全運行。尤其是機組穩定性、空化、裂紋、能量指標等遠程監控技術仍不完善，遠程實時診斷決策技術及方法欠缺。因此研究以水電機組工作運行狀態為基礎的監控和實時決策技術，進行針對性的檢修或維修處理，能夠有效確保設備的安全運行。目前， 針對水電機組的監測診斷研究主要集中在運行參數的監測方面，而缺乏有效的決策診斷技術。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是:針對現有水電機組狀態監測系統存在的不足，提供一種能夠精確檢測診斷被檢測水輪機組發生碰摩故障，使水電廠狀態監測系統的功能得到完善，為專家的遠程分析診斷提供更多有用的信息，從而對出現的故障問題進行有針對性的處理的水輪機組運行狀態監測診斷方法。
[0004]為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為:一種水輪機組運行狀態監測診斷方法，包括碰摩故障監測的步驟:1)采集被檢測水輪機組頂蓋的碰摩檢測信號，所述碰摩檢測信號包括水輪機組頂蓋的水平振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號；2)根據頂蓋的碰摩檢測信號構建碰摩特征向量，碰摩特征向量由水輪機組頂蓋的水平振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號三種標量構成；3 )將多組碰摩特征向量采用加權向量法生成加權碰摩特征向量；4)計算加權碰摩特征向量、預設的典型碰摩特征向量之間的向量距離，如果向量距離小于給定閾值，則判定被檢測水輪機組發生碰摩故障。
[0005]優選地，所述步驟4)的詳細步驟包括:4.1)預先采集被檢測水輪機組在不同碰摩程度下頂蓋的碰摩檢測信號，所述碰摩檢測信號包括水輪機組頂蓋的水平振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號，根據頂蓋的碰摩檢測信號構建碰摩特征向量，得到不同碰摩程度下的典型碰摩特征向量；4.2)分別計算加權碰摩特征向量、各個典型碰摩特征向量之間的向量距離，如果加權碰摩特征向量某一個典型碰摩特征向量之間的向量距離小于給定閾值，則判定被檢測水輪機組發生碰摩故障，且碰摩程度為該典型碰摩特征向量所對應的碰摩程度。
[0006]優選地，所述根據頂蓋的碰摩檢測信號提取碰摩特征向量的詳細步驟包括:分別對各個碰摩檢測信號進行模態分解提取1階模態信號和2階模態信號，對1階模態信號和2階模態信號進行快速傅里葉變換從時域變換到頻域，提取變換到頻域的各個碰摩檢測信號的 1階模態信號和2階模態信號的頻域幅值及頻譜包絡線，將得到的頻域幅值及頻譜包絡線構建生成碰摩特征向量。
[0007]優選地，本發明還包括進行運行趨勢預警的步驟:A1)采集水輪機組實時運行工況參數，所述實時運行工況參數包括機架振動、導軸承擺度及溫度，判斷水輪機組的各個實時運行工況參數是否穩定在給定的限值范圍內，如果各個實時運行工況參數均在給定的限值范圍內，則通過對導軸承擺度的時域波形及對導軸承擺度的時域波形進行傅里葉變換計算導軸承擺度的振動擺度測點特征參數，跳轉執行步驟 A2);否則，判定運行異常并退出；A2)根據水輪機組的水頭及有功功率選定約束工況進行網格化分段處理，使得生成的每一個確定的網格中水輪機組的機架振動、導軸承擺度的變化量小于給定的閾值；A3)在所有網格內對機架振動、導軸承擺度的進行時間序列的趨勢檢測，分別得到機架振動、導軸承擺度的趨勢變化量；A4)判斷機架振動、導軸承擺度的趨勢變化量是否超過給定閾值，如果機架振動的趨勢變化量、導軸承擺度的趨勢變化量兩者任一超過給定閾值，則記錄并輸出預警事件。
[0008]優選地，步驟A1)中的振動擺度測點特征參數包括峰峰值、頻譜幅值、相位。
[0009]優選地，本發明還包括進行運行機組瓦溫決策的步驟:B1)在水輪機組開機、運行、停機過程中采集機組軸瓦溫度通道數據，生成機組軸瓦溫度的實際溫度曲線；B2)將機組軸瓦溫度的實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線載入圖形用戶界面，逐點對比計算機組軸瓦溫度的實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差，并在圖形用戶界面中標注出所有溫差超過預設閾值的超限溫度特征點；B3)獲取所述實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差最大值，判斷溫差最大值是否超過給定閾值，如超過給定閾值則判定水輪機組軸瓦溫度變化過高并退出，否則跳轉執行步驟B4);B4)從預設的決策規則庫中讀取軸瓦溫度異常診斷規則，所述軸瓦溫度異常診斷規則為預設的根據實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差判斷軸瓦溫度是否異常的軸瓦溫度異常判定條件，如果讀取軸瓦溫度異常診斷規則成功且實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差滿足軸瓦溫度異常判定條件，則判定水輪機組軸瓦溫度異常。
[0010]本發明水輪機組運行狀態監測診斷方法具有下述優點:1、本發明立足水輪機組的碰摩故障監測實現水輪機組運行狀態監測診斷，采集被檢測水輪機組頂蓋的碰摩檢測信號，所述碰摩檢測信號包括水輪機組頂蓋的水平振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號，根據頂蓋的碰摩檢測信號構建碰摩特征向量，將多組碰摩特征向量采用加權向量法生成加權碰摩特征向量，計算加權碰摩特征向量、預設的典型碰摩特征向量之間的向量距離，如果向量距離小于給定閾值，則判定被檢測水輪機組發生碰摩故障，通過構建的碰摩特征向量進行檢測，對混流式水輪機頂蓋與轉輪碰摩具有預警能力， 能夠精確檢測診斷被檢測水輪機組發生碰摩故障，能有效避免混流式水輪機頂蓋與轉輪碰摩導致的重大安全事故發生，使水電廠狀態監測系統的功能得到完善，為專家的遠程分析診斷提供更多有用的信息，從而對出現的故障問題進行有針對性的處理。
[0011]2、本發明進一步通過預先采集被檢測水輪機組在不同碰摩程度下頂蓋的碰摩檢測信號，所述碰摩檢測信號包括水輪機組頂蓋的水平振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號，根據頂蓋的碰摩檢測信號構建碰摩特征向量，得到不同碰摩程度下的典型碰摩特征向量，能夠監測混流式水輪機頂蓋與轉輪碰摩程度。
[0012]3、本發明進一步還包括進行運行趨勢預警的步驟，通過采集水輪機組實時運行工況參數運行趨勢預警，判定機組是否穩態運行并不簡單依賴發電機出口開關是否閉合，而是對機架振動、導軸承擺度的進行時間序列的趨勢檢測，分別得到機架振動、導軸承擺度的趨勢變化量；)判斷機架振動、導軸承擺度的趨勢變化量是否超過給定閾值，如果機架振動的趨勢變化量、導軸承擺度的趨勢變化量兩者任一超過給定閾值，只有機架振動的趨勢變化量、導軸承擺度的趨勢變化量在較長時間(一般設定在3分鐘)一直穩定在設定的范圍內是才認為是穩態工況，然后才啟動穩態趨勢檢測預警，否則如果兩者任一超過給定閾值則記錄并輸出預警事件。
[0013]4、本發明進一步還包括進行運行機組瓦溫決策的步驟，通過多模式識別方法對機組運行狀態進行識別和分類，包括機組開機、運行和停機三類模式。對機組出現的某一故障或異常現象的分析決策中，對最基本的軸瓦溫度監控量進行分析，獲取實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的差值，根據實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差最大值是否超過給定閾值、預設的決策規則庫中讀取軸瓦溫度異常診斷規則進行綜合分析，預設的決策規則庫中根據需要選擇設置各種軸瓦溫度異常診斷規則，而其規則的結論和故障原因可以根據需要由專家通過遠程客戶端進行設置以進行綜合判斷，能夠從運行機組瓦溫角度進行診斷決策。【附圖說明】
[0014]圖1為本發明實施例中進行碰摩故障監測的流程示意圖。
[0015]圖2為本發明實施例中進行運行趨勢預警的流程示意圖。
[0016]圖3為本發明實施例中進行運行機組瓦溫決策的流程示意圖。【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，本實施例水輪機組運行狀態監測診斷方法，包括碰摩故障監測的步驟:1)采集被檢測水輪機組頂蓋的碰摩檢測信號，碰摩檢測信號包括水輪機組頂蓋的水平振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號，水輪機組頂蓋的水平振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號等參數通過安裝傳感器進行現地采集；2)根據頂蓋的碰摩檢測信號構建碰摩特征向量，碰摩特征向量(典型向量)由水輪機組頂蓋的水平振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號三種標量構成，；3 )將多組碰摩特征向量采用加權向量法生成加權碰摩特征向量；4)計算加權碰摩特征向量、預設的典型碰摩特征向量之間的向量距離，如果向量距離小于給定閾值，則判定被檢測水輪機組發生碰摩故障。
[0018]本實施例中，步驟4)的詳細步驟包括:4.1)預先采集被檢測水輪機組在不同碰摩程度下頂蓋的碰摩檢測信號，根據頂蓋的碰摩檢測信號構建碰摩特征向量，得到不同碰摩程度下的典型碰摩特征向量；4.2)分別計算加權碰摩特征向量、各個典型碰摩特征向量之間的向量距離，如果加權碰摩特征向量某一個典型碰摩特征向量之間的向量距離小于給定閾值，則判定被檢測水輪機組發生碰摩故障，且碰摩程度為該典型碰摩特征向量所對應的碰摩程度。[〇〇19]通過上述步驟4.1)和4.2)，能夠基于碰摩檢測信號實現碰摩的量化檢測。本實施例中，根據頂蓋的碰摩檢測信號提取碰摩特征向量的詳細步驟包括:分別對各個碰摩檢測信號進行模態分解提取1階模態信號和2階模態信號，對1階模態信號和2階模態信號進行快速傅里葉變換從時域變換到頻域，提取變換到頻域的各個碰摩檢測信號的1階模態信號和2 階模態信號的頻域幅值及頻譜包絡線，將得到的頻域幅值及頻譜包絡線構建生成碰摩特征向量。通過上述方式，能有效地從頻域角度提煉出碰摩的特征信號，具有碰摩檢測準確度高的優點。
[0020]為了實現全面的水輪機組運行狀態監測診斷，如圖2所示，本實施例還包括進行運行趨勢預警的步驟:A1)采集水輪機組實時運行工況參數，實時運行工況參數包括機架振動、導軸承擺度及溫度，實時運行工況參數既可以通過安裝傳感器進行采集(例如機架振動、導軸承擺度)，此外也可以通過數據通訊方式從水電廠計算機監控系統獲取(例如溫度);判斷水輪機組的各個實時運行工況參數是否穩定在給定的限值范圍內，如果各個實時運行工況參數均在給定的限值范圍內，則通過對導軸承擺度的時域波形及對導軸承擺度的時域波形進行傅里葉變換計算導軸承擺度的振動擺度測點特征參數，跳轉執行步驟A2);否則，判定運行異常并退出;本實施例中，步驟A1)中的振動擺度測點特征參數包括峰峰值、頻譜幅值、相位。
[0021]A2)根據水輪機組的水頭及有功功率選定約束工況進行網格化分段處理，使得生成的每一個確定的網格中水輪機組的機架振動、導軸承擺度的變化量小于給定的閾值；A3)在所有網格內對機架振動、導軸承擺度的進行時間序列的趨勢檢測，分別得到機架振動、導軸承擺度的趨勢變化量；A4)判斷機架振動、導軸承擺度的趨勢變化量是否超過給定閾值，如果機架振動的趨勢變化量、導軸承擺度的趨勢變化量兩者任一超過給定閾值，則記錄并輸出預警事件。
[0022]本實施例進行運行趨勢預警時，通過采集水輪機組實時運行工況參數進行趨勢預警，判定機組是否穩態運行并不簡單依賴發電機出口開關是否閉合，而是對機架振動、導軸承擺度的進行時間序列的趨勢檢測，分別得到機架振動、導軸承擺度的趨勢變化量;判斷機架振動、導軸承擺度的趨勢變化量是否超過給定閾值，如果機架振動的趨勢變化量、導軸承擺度的趨勢變化量兩者任一超過給定閾值，只有機架振動的趨勢變化量、導軸承擺度的趨勢變化量在較長時間(一般設定在3分鐘)一直穩定在設定的范圍內是才認為是穩態工況， 然后才啟動穩態趨勢檢測預警，否則如果兩者任一超過給定閾值則記錄并輸出預警事件。
[0023]為了實現全面的水輪機組運行狀態監測診斷，如圖3所示，本實施例還包括進行運行機組瓦溫決策的步驟:B1)在水輪機組開機、運行、停機過程中采集機組軸瓦溫度通道數據，機組軸瓦溫度通道數據通過數據通訊方式從水電廠計算機監控系統獲取，生成機組軸瓦溫度的實際溫度曲線；B2)將機組軸瓦溫度的實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線載入圖形用戶界面，逐點對比計算機組軸瓦溫度的實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差，并在圖形用戶界面中標注出所有溫差超過預設閾值的超限溫度特征點；B3)獲取實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差最大值，判斷溫差最大值是否超過給定閾值，如超過給定閾值則判定水輪機組軸瓦溫度變化過高并退出，否則跳轉執行步驟B4);B4)從預設的決策規則庫中讀取軸瓦溫度異常診斷規則，軸瓦溫度異常診斷規則為預設的根據實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差判斷軸瓦溫度是否異常的軸瓦溫度異常判定條件，如果讀取軸瓦溫度異常診斷規則成功且實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差滿足軸瓦溫度異常判定條件，則判定水輪機組軸瓦溫度異常。
[0024]本實施例進行運行機組瓦溫決策時，通過多模式識別方法對機組運行狀態進行識別和分類，包括機組開機、運行和停機三類模式。對機組出現的某一故障或異常現象的分析決策中，對最基本的軸瓦溫度監控量進行分析，獲取實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的差值，根據實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差最大值是否超過給定閾值、預設的決策規則庫中讀取軸瓦溫度異常診斷規則進行綜合分析，預設的決策規則庫中根據實現選擇設置各種軸瓦溫度異常診斷規則，而其規則的結論和故障原因可以根據需要由專家通過遠程客戶端進行設置以進行綜合判斷，能夠從運行機組瓦溫角度進行診斷決策。
[0025]綜上所述，本實施例涵蓋了水電機組穩定性參數監測診斷功能、機組碰磨故障遠程監測診斷功能、機組瓦溫監測及趨勢分析功能等。應用本實施例方法的系統包括廠站側子系統和分析中心子系統，監測數據通過廠站側子系統采集后，由電力專用網絡傳輸到遠程監測分析中心系統，分析中心數據服務器負責接收廠站側傳送來的實時數據和經過基本預處理后的狀態參數，并根據存儲規則進行數據存儲，再由自動(決策)診斷及應用服務器完成自動化趨勢檢測和自動化決策診斷。為保證各個網段之間數據交互的連通性及流暢性，底層采用開放式通訊協議，應用層協議采用有針對性的通訊規約實現從廠站側向遠程中心服務器的數據傳送。連入遠程網絡的每一臺計算機，可以通過訪問分析中心應用服務器，進行交互式的決策診斷。
[0026]以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種水輪機組運行狀態監測診斷方法，其特征在于，包括碰摩故障監測的步驟:1)采集被檢測水輪機組頂蓋的碰摩檢測信號，所述碰摩檢測信號包括水輪機組頂蓋的 水平振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號；2)根據頂蓋的碰摩檢測信號構建碰摩特征向量，碰摩特征向量由水輪機組頂蓋的水平 振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號三種標量構成；3 )將多組碰摩特征向量采用加權向量法生成加權碰摩特征向量；4)計算加權碰摩特征向量、預設的典型碰摩特征向量之間的向量距離，如果向量距離 小于給定閾值，則判定被檢測水輪機組發生碰摩故障。2.根據權利要求1所述的水輪機組運行狀態監測診斷方法，其特征在于，所述步驟4)的 詳細步驟包括:4.1)預先采集被檢測水輪機組在不同碰摩程度下頂蓋的碰摩檢測信號，所述碰摩檢測 信號包括水輪機組頂蓋的水平振動信號、垂直振動信號和水導擺度信號，根據頂蓋的碰摩 檢測信號構建碰摩特征向量，得到不同碰摩程度下的典型碰摩特征向量；4.2 )分別計算加權碰摩特征向量、各個典型碰摩特征向量之間的向量距離，如果加權 碰摩特征向量某一個典型碰摩特征向量之間的向量距離小于給定閾值，則判定被檢測水輪 機組發生碰摩故障，且碰摩程度為該典型碰摩特征向量所對應的碰摩程度。3.根據權利要求1或2所述的水輪機組運行狀態監測診斷方法，其特征在于，所述根據 頂蓋的碰摩檢測信號提取碰摩特征向量的詳細步驟包括:分別對各個碰摩檢測信號進行模 態分解提取1階模態信號和2階模態信號，對1階模態信號和2階模態信號進行快速傅里葉變 換從時域變換到頻域，提取變換到頻域的各個碰摩檢測信號的1階模態信號和2階模態信號 的頻域幅值及頻譜包絡線，將得到的頻域幅值及頻譜包絡線構建生成碰摩特征向量。4.根據權利要求1所述的水輪機組運行狀態監測診斷方法，其特征在于，還包括進行運 行趨勢預警的步驟:A1)采集水輪機組實時運行工況參數，所述實時運行工況參數包括機架振動、導軸承擺 度及溫度，判斷水輪機組的各個實時運行工況參數是否穩定在給定的限值范圍內，如果各 個實時運行工況參數均在給定的限值范圍內，則通過對導軸承擺度的時域波形及對導軸承 擺度的時域波形進行傅里葉變換計算導軸承擺度的振動擺度測點特征參數，跳轉執行步驟 A2);否則，判定運行異常并退出；A2)根據水輪機組的水頭及有功功率選定約束工況進行網格化分段處理，使得生成的 每一個確定的網格中水輪機組的機架振動、導軸承擺度的變化量小于給定的閾值；A3)在所有網格內對機架振動、導軸承擺度的進行時間序列的趨勢檢測，分別得到機架 振動、導軸承擺度的趨勢變化量；A4)判斷機架振動、導軸承擺度的趨勢變化量是否超過給定閾值，如果機架振動的趨勢 變化量、導軸承擺度的趨勢變化量兩者任一超過給定閾值，則記錄并輸出預警事件。5.根據權利要求4所述的水輪機組運行狀態監測診斷方法，其特征在于，所述步驟A1) 中的振動擺度測點特征參數包括峰峰值、頻譜幅值、相位。6.根據權利要求1所述的水輪機組運行狀態監測診斷方法，其特征在于，還包括進行運 行機組瓦溫決策的步驟:B1)在水輪機組開機、運行、停機過程中采集機組軸瓦溫度通道數據，生成機組軸瓦溫度的實際溫度曲線；B2)將機組軸瓦溫度的實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線載入圖形用戶界面，逐點 對比計算機組軸瓦溫度的實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差，并在圖形用戶 界面中標注出所有溫差超過預設閾值的超限溫度特征點；B3)獲取所述實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差最大值，判斷溫差最大 值是否超過給定閾值，如超過給定閾值則判定水輪機組軸瓦溫度變化過高并退出，否則跳 轉執行步驟B4);B4)從預設的決策規則庫中讀取軸瓦溫度異常診斷規則，所述軸瓦溫度異常診斷規則 為預設的根據實際溫度曲線和預設的理論溫度曲線之間的溫差判斷軸瓦溫度是否異常的 軸瓦溫度異常判定條件，如果讀取軸瓦溫度異常診斷規則成功且實際溫度曲線和預設的理 論溫度曲線之間的溫差滿足軸瓦溫度異常判定條件，則判定水輪機組軸瓦溫度異常。
【文檔編號】G01M15/00GK106017936SQ201610347036
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】唐衛平, 喬亮亮
【申請人】國家電網公司, 國網湖南省電力公司, 國網湖南省電力公司電力科學研究院