水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)的研制

1、水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)的研制張偉1 ，韓亮1 ，吳玉林2（清華大學(xué)機(jī)械工程系 清華大學(xué)熱能工程系）摘要：本文介紹了一套水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)組的振動、擺度、溫度、壓力等重要的工況參數(shù)實時監(jiān)測及報警，并能在監(jiān)測過程中評價機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)以及預(yù)測緩變量參數(shù)變化趨勢；基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分析模塊除提供常用分析方法外，還提供了聯(lián)合時頻域分析、小波變換分析及轉(zhuǎn)子動負(fù)荷分析等高級分析功能。該軟件系統(tǒng)能夠較好的掌握機(jī)組的當(dāng)前狀態(tài)及歷史數(shù)據(jù)，為水電機(jī)組適時針對性維護(hù)提供依據(jù)與手段。關(guān)鍵詞：狀態(tài)監(jiān)測 數(shù)據(jù)分析 水輪機(jī) 聯(lián)合時頻域分析 小波變換 動負(fù)荷分析 隨著近年我國電力供應(yīng)

2、形勢不斷緊張，水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量以及單機(jī)容量不斷增大，其安全性和經(jīng)濟(jì)性日顯重要，機(jī)組的運(yùn)行、維護(hù)、檢修、管理也相應(yīng)的提出了更高要求。運(yùn)行事故不僅影響機(jī)組的正常運(yùn)行，而且會造成發(fā)電機(jī)組損壞，甚至影響電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。因此，加強(qiáng)水輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測，以及對重要參量進(jìn)行實時監(jiān)測和事后分析，利用分析結(jié)果對機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行評估和預(yù)測對于大中型水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。本文研制了一套基于WINDOWS系統(tǒng)的水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)，軟件利用Borland Delphi 7.0 作為開發(fā)平臺研制，提供了較為全面的狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析功能模塊，能夠較好的掌握機(jī)組的當(dāng)前狀態(tài)及歷史數(shù)據(jù)，為水電機(jī)

3、組適時針對性維護(hù)提供依據(jù)。1. 狀態(tài)監(jiān)測功能模塊1.1 監(jiān)測對象的選擇狀態(tài)監(jiān)測模塊要求通過監(jiān)測參量和特征參量準(zhǔn)確實時反映機(jī)組狀態(tài)及其變化情形，兼顧機(jī)組全局和局部的狀態(tài)及特征參量的監(jiān)視。因此，測點選擇與傳感器布置不僅對狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容和有效性起著決定性的影響，而且是診斷知識模型的基礎(chǔ)。因此需要以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(ISO,VDI,GB等)為依據(jù)，以需求描述為評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確認(rèn)。按結(jié)構(gòu)劃分機(jī)組為5個主要監(jiān)測模塊，它們是：轉(zhuǎn)子軸承、推力軸承、過流部件、機(jī)架結(jié)構(gòu)和發(fā)電機(jī)。初步設(shè)定共有64路測點，監(jiān)測機(jī)組導(dǎo)軸承處擺度、機(jī)組結(jié)構(gòu)振動、溫度以及壓力脈動等參量，另從監(jiān)控系統(tǒng)引入接力器行程、有功、無功、油位和各種開關(guān)量，為診

4、斷參量和模型提供完備確定的環(huán)境狀態(tài)參量。1.2 狀態(tài)監(jiān)測軟件功能實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測軟件模塊可以全面監(jiān)測機(jī)組的工作狀態(tài)，并且可對測點參量作一級報警、二級報警、物理上下限設(shè)置。狀態(tài)監(jiān)測的形式以主監(jiān)視圖、參數(shù)表格圖、棒圖、軸心軌跡、能量效率和趨勢監(jiān)測等模塊構(gòu)成，見圖2，除監(jiān)測機(jī)組參量外，還能夠計算快變信號的頻譜，以及對溫度等緩變信號進(jìn)行趨勢預(yù)測。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行發(fā)生異常狀態(tài)時，監(jiān)測模塊能夠利用記錄黑匣子功能對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)紀(jì)錄，以便事后分析事件原因。狀態(tài)監(jiān)測模塊能夠利用加權(quán)算法對機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)給出綜合評價，形成實時運(yùn)行狀態(tài)報告。同時，根據(jù)狀態(tài)報告的結(jié)論，并利用數(shù)據(jù)庫分類檢索的功能，對應(yīng)不同工況狀態(tài)下的狀態(tài)報告

5、，可以判斷機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，從而優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行。監(jiān)測過程要求能夠定時存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，并形成數(shù)據(jù)庫文件，以便利用分析軟件事后對所存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。水電機(jī)組啟停機(jī)的瞬態(tài)過程包含了大量豐富的重要特征數(shù)據(jù)，因此要求瞬態(tài)過程中存儲的數(shù)據(jù)具有完備性和連續(xù)性。為此與本文所研究的軟件系統(tǒng)所配套的硬件采集系統(tǒng)采用了特殊的設(shè)計方式，能夠做到類似示波器的不間斷連續(xù)采樣的方式存儲數(shù)據(jù)，這也是區(qū)別于國內(nèi)目前其他水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的特點之一。2. 信號分析功能模塊2.1 功能信號分析模塊是利用一些專門的分析方法對狀態(tài)監(jiān)測所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期得到反映機(jī)組狀態(tài)本質(zhì)的特征。信號分析模塊的主要功能應(yīng)該是發(fā)現(xiàn)隱含故障或確

6、認(rèn)疑難故障，技術(shù)人員可利用該模塊對機(jī)組的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行全面深入的分析，以掌握影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，揭示機(jī)組振動的本質(zhì)原因。本文研究的分析模塊除提供常用分析方法外，還提供了聯(lián)合時頻域分析、小波變換分析及轉(zhuǎn)子動負(fù)荷分析等高級分析功能。2.2 信號分析方法 2.2.1 通用信號分析方法 2.2.1.1 時域和頻域一般分析方法(1) 時域信號分析：用以顯示快變量信號隨時間的變化值，是獲取信號的最簡單形式，包括均值、方差、峰峰值。借助于鍵相位信號，時域信號可用作相位角的直接顯示。時域信號分析還包括信號的自相關(guān)函數(shù)分析，可以判斷信號自身時間歷程的相互關(guān)系。(2) 功率譜分析：以經(jīng)典功率譜分析方法（周

7、期圖法和Welch法）和現(xiàn)代功率譜分析方法（參數(shù)模型法）分析信號頻譜，反映各頻率上的振動能量或振幅的分布情況。2.2.1.2 軸心軌跡分析方法（1）軸心軌跡分析（包括相對軸心軌跡和絕對軸心軌跡）：在給定的轉(zhuǎn)速下，軸心線在其與軸線垂直的平面內(nèi)的運(yùn)動軌跡，從中可以得到軸承預(yù)荷載的種類、大小和方向，見圖4。(2) 多軸心軌跡圖：對連續(xù)測得的若干數(shù)據(jù)包依次畫出其軸心軌跡圖(如1X軌跡圖、32X軌跡圖等)。可觀察過渡過程中，軸心軌跡隨轉(zhuǎn)速改變而變化的情況，也可觀察軸心軌跡在負(fù)載改變時的變化。(3)空間軸線圖：作出上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)的軸心軌跡中心，以觀察軸的變形，從而對軸的受力情況、軸承磨損作出判斷，見圖3

8、。2.2.1.3 級連圖或瀑布圖級連圖或瀑布圖是一系列頻譜曲線隨轉(zhuǎn)速（級連圖）或時間（瀑布圖）變化的函數(shù)曲線，表明了轉(zhuǎn)速或時間、頻率、振幅之間的關(guān)系。可檢查機(jī)組在啟動或停機(jī)時瞬態(tài)數(shù)據(jù)頻譜的變化情況。可檢查機(jī)組在穩(wěn)態(tài)時，頻譜是否正常，從而判斷機(jī)器的臨界轉(zhuǎn)速，振動原因和阻尼大小，見圖5。2.2.1.4 波特圖和極坐標(biāo)圖波特圖是機(jī)器振幅與頻率，相位與頻率的關(guān)系曲線，一般以橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速頻率，縱坐標(biāo)為振幅和相位。一般使用通頻波特圖、轉(zhuǎn)速頻率濾波波特圖，從波特圖可以得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在各個轉(zhuǎn)速下的振幅和相位、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在運(yùn)行范圍內(nèi)的臨界轉(zhuǎn)速值、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻尼大小和共振大小系數(shù)。如果將振幅與頻率，相位與頻率的關(guān)系畫在

9、復(fù)平面上即為極坐標(biāo)圖，見圖6。 2.1.2高級信號分析方法2.1.2.1 聯(lián)合時頻域分析在水電機(jī)組的啟停機(jī)瞬態(tài)過程中傳感器會接受到大量的非平穩(wěn)的快變量信號，對于非平穩(wěn)的振動信號，傅立葉變換在信號分析中缺乏時頻域定位功能，如果想知道某一個特定的時間對應(yīng)的頻率是多少，或者某一個特定的頻率所對應(yīng)的時間是多少，那么傅立葉變換無能為力。因此對于機(jī)組非平穩(wěn)信號應(yīng)該使用聯(lián)合時頻域分析方法（JTFA）將時域分析和頻域分析結(jié)合起立，即找到一個二維函數(shù)，它既能反映信號的頻率內(nèi)容，也能反映該頻率隨時間變化的規(guī)律。 一個信號可以描述為一組基信號的時頻域的線性組合，如式（1）： （1）其中 是一組基信號，它的表達(dá)式包含

10、有時移特性和頻域調(diào)制特性， 是每個基函數(shù)前的權(quán)重系數(shù)，它是時間和頻率的二維函數(shù)，因此求得 就可以求得信號的聯(lián)合時頻域分布。本文所研究的分析軟件的聯(lián)合時頻域分析包括具有線性形式的短時傅立葉變換STFT及Gabor變換。除此之外還包括具有雙線性形式的時頻分布，主要是Wigner分布，所謂雙線性形式，是指所研究的信號在時頻分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式中以相乘的形式出現(xiàn)兩次。不同的JTFA算法對分析結(jié)果會產(chǎn)生不同影響，見圖7。2.1.2.2小波變換分析引發(fā)水電機(jī)組振動的原因是多方面的,其中有一些振動類型,其誘因(如轉(zhuǎn)子繞組匝間短路、發(fā)電機(jī)三相電流不平衡、轉(zhuǎn)輪葉片斷裂、轉(zhuǎn)子部件脫落等)往往具有突發(fā)性質(zhì)，傅立葉變換的

11、數(shù)學(xué)原理決定了它無法對水電機(jī)組振動信號中出現(xiàn)的突發(fā)奇異點做出準(zhǔn)確識別，而這種突發(fā)奇異點的出現(xiàn)，通常又是和故障的發(fā)生緊密相連。短時傅立葉變換是以同一種分辨率來觀察信號，其時域分辨率和頻域分辨率是互相矛盾的，而小波變換具有伸縮、平移和放大功能，它在時域和頻域上同時具有良好的局部化性質(zhì)，可以對信號進(jìn)行多尺度分析，能對不同的頻率成分采用逐漸精細(xì)的抽樣步長，聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)，因此具有很強(qiáng)的特征提取功能，尤其是對突變信號的處理優(yōu)勢非常明顯。信號 的小波變換（Wavelet Transform，WT）定義為： （2）其中是母小波經(jīng)移位和伸縮所產(chǎn)生的一族函數(shù)，我們稱之為小波基函數(shù)，小波變換實際上就是將信號

12、分解到一系列頻帶和時寬各不相同的小波基函數(shù)上，是時移，是尺度因子。當(dāng)我們用較小的對信號作高頻分析時，我們實際上是用高頻小波對信號作細(xì)致觀察，當(dāng)我們用較大的對信號作低頻分析時，實際上是用低頻小波對信號作概貌觀察。本文所研究的分析軟件提供連續(xù)小波變換和離散小波變換兩種分析方法，連續(xù)小波變換主要采用Morlet、.Mexican hat和Meyer三種小波進(jìn)行分析；離散小波變換將信號分解到各個頻段，計算頻帶內(nèi)的能量成分，并且可以對各個頻段設(shè)定閾值對信號進(jìn)行重構(gòu)，見圖9。1.2.3轉(zhuǎn)子動負(fù)荷分析利用動負(fù)荷分析方法可以定性計算到軸承瓦塊油膜壓力分布，以及各個瓦塊受力，通過各個瓦塊受力的矢量合，就可計算出

13、轉(zhuǎn)子所受的動負(fù)荷大小。一般汽輪機(jī)的臥式滑動軸承的軸心軌跡在一個象限內(nèi)，具有大小方向一致的穩(wěn)定負(fù)荷。而水電機(jī)組主軸在運(yùn)行過程中，滑動軸承為立式，且軸心軌跡范圍在軸承圓的四個象限內(nèi)，因此主軸所受力為動負(fù)荷，即合力的大小和方向都在時刻變化。由于水輪機(jī)導(dǎo)軸承與一般臥式滑動軸承的這一差別，有關(guān)設(shè)計手冊上滑動軸承靜、動態(tài)特性表和曲線的使用就存在一些問題，參照使用也就帶來導(dǎo)軸承狀態(tài)存在異常的可能性。 圖1 臥式滑動軸承軸心軌跡象限和立式導(dǎo)軸承軸心軌跡象限動負(fù)荷計算的思路就是以測試得到的軸心軌跡為出發(fā)點，通過理論計算得到導(dǎo)軸承的動負(fù)荷時間序列。從而為導(dǎo)軸承的壽命預(yù)測提供條件。具體的研究內(nèi)容是雷諾方程的推導(dǎo)和假

14、設(shè)、方程的離散化，差分網(wǎng)格劃分，方程求解，最后積分得到單塊瓦塊的負(fù)荷時間序列。 （3）動壓潤滑效應(yīng)滿足雷諾方程的完整形式，如式（3）所示，利用差分法將軸承的潤滑油膜區(qū)域劃分為許多網(wǎng)格，用各個節(jié)點上的壓力值構(gòu)成各階差商，近似取代雷諾方程中的導(dǎo)數(shù)，將二階偏微分方程化為一組代數(shù)方程，通過疊代計算方法求解出各個節(jié)點上的壓力值。所得的一組離散的壓力數(shù)值，也就近似表達(dá)了瓦塊上油膜中的壓力分布，見圖8。2.1.2.4趨勢預(yù)測 導(dǎo)軸承及推力軸承是水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵部位，研究表明，軸承潤滑失效事故與潤滑油溫度瞬態(tài)變化密切相關(guān)，因此在實踐中必須刻注意機(jī)器運(yùn)行過程中瓦溫以及油溫的變化。而油膜溫度的變化可能是非穩(wěn)態(tài)

15、過程，為此本文所研究的軟件系統(tǒng)利用ARIMA模型方法來描述并預(yù)測油膜溫度的變化。方法的基本思路是：對于非平穩(wěn)的時間序列，用若干次差分（稱之為“求和”）使其成為平穩(wěn)序列，再用 ARMA（p，q）模型對該平穩(wěn)序列建模，之后經(jīng)反變換得到原序列，并利用得到的模型對時間序列進(jìn)行預(yù)測。3. 軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點 數(shù)據(jù)分析軟件是基于已有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和檢索技術(shù)，查詢水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫能夠滿足以下基本要求：按照監(jiān)測時間、日期檢索管理；按照工況運(yùn)行條件檢索管理；對于特殊的非穩(wěn)態(tài)以及異常過程應(yīng)有特殊的數(shù)據(jù)庫管理；能自動提醒用戶備份數(shù)據(jù)庫，清理數(shù)據(jù)庫，維護(hù)數(shù)據(jù)庫。分析軟件采用了獨立模塊化設(shè)計，能夠采用多線程

16、方式分析各個工況數(shù)據(jù)包，即能夠利用不同分析方法分析同一數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，或者利用同一分析方法分析不同的數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)。 4. 軟件運(yùn)行示例 下面給出狀態(tài)監(jiān)測以及數(shù)據(jù)分析的運(yùn)行示例： 圖2 狀態(tài)監(jiān)測界面 圖3 主軸狀態(tài)圖 圖4 軸心軌跡圖 圖5 瀑布圖 圖6 極坐標(biāo)圖圖7 聯(lián)合時頻域分析 圖8 動負(fù)荷分析圖9 離散小波變換4. 總結(jié) 本文所研究的軟件系統(tǒng)采用面向數(shù)據(jù)流和對象的分析設(shè)計方法開發(fā)，在WINDOWS環(huán)境下編制的應(yīng)用程序,各個模塊在總體框架下獨立運(yùn)行，軟件的可擴(kuò)展性較強(qiáng)。軟件有良好的界面，并可以多窗口運(yùn)行，能夠較完整的掌握機(jī)組運(yùn)行當(dāng)前狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)預(yù)測維修、延長機(jī)組大修期提供決策數(shù)據(jù)和幫助。參考文獻(xiàn)1 張偉,張正松 300抽水蓄能機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測、分析、診斷系統(tǒng)的研究 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1998,32 張正松等 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測及故障診斷 北京:機(jī)械工業(yè)出版社 19913 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)與應(yīng)用 王江萍 西北工業(yè)大學(xué)出版社 20004 wigner-ville分布在機(jī)械故障診斷中的研究 蔣平賈 民平許 飛云 智能故障診斷 19995 數(shù)字信號處理 胡廣書 清華大學(xué)出版社