基于实时在线监测的水轮发电机组振动状态区域监测方法

摘要

一种基于实时在线监测的水轮发电机组振动状态区域监测方法，该方法在传统水轮发电机组振摆在线监测的基础上，采用水机振摆录波分析装置采集和分析机组各振动监测点的原始样本数据，同时建立各振动监测点的特征数据存储历史库；在历史特征数据统计分析的基础上实现对机组实时振动状态区域的综合判定，并对判定的结果提供实时预警信息展示和历史预警信息统计查询功能。该方法具有功能综合强，结果准确度高，方便易用等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及工业控制领域，更具体地涉及水轮发电机组的振动状态区域的监测 方法。

背景技术

长期以来，在水力发电机组中，机械振动是威胁水轮发电机组安全生产运行 的一个核心关键因素。水轮发电机组的振动往往是机械、电气、水力三方面因素共 同作用引起，振动机理相对复杂。机组的振动、摆度也会由于设计、安装、运行等 方面的原因引起，不可能完全避免和消除。总之，一般振动不会对机组造成危害， 但是严重超过允许值，尤其是长期的超过，就会对机组造成严重的影响。

同时据有关行业数据统计，水轮发电机组约80％的故障在振动信号里都有所反 映。因此为了保护水轮发电机组的主体设备，国内外的专家学者和主要的技术厂家 推出了相应设备和服务，实现对机组关键部位的振动、摆度进行实时在线监测和分 析。

单从目前技术的实现层面来讲，目前采用的技术方案大致如下：

1)在水轮发电机组的关键部位安装振动传感器；

2)在现场安装振动原始样本数据采集装置，

3)实时采集各振动监测点原始样本数据并计算振动数值

4)在水电站监控室在线监测各振动监测点的峰峰值和分析原始样本数据；

目前大部分技术方案还是停留在对各振动监测点的峰峰值在线监测及原始样 本数据分析方面，即是某些装置具有保护功能，由于客观存在的干扰因素导致的测 量误差，保护功能也不是十分可靠，现场也多次发生信号干扰导致的非正常停运， 给业主带来不必要的损失。

如何规避噪声信号的干扰，保证实时可靠对机组的振动状态区域进行综合准确 的判断，一直一来都是个难题，本发明在在传统振动原始样本数据采集处理和在线 监测的基础上，利用平台数据库的综合数据处理能力，实现了一种对机组当前振动 状态区域的监测方法，该方法可以实时展示出机组当前所处的振动区域，并根据振 动区域的实时变化发出预警信息，同时提供对振动区域的相关信息进行统计查询的 工具。

发明内容

为了解决现有技术中存在的水电机组振动状态区域监测准确度不高且不全面的 技术问题，本发明公开了一种基于实时在线监测的水轮发电机组振动状态区域综合 监测方法。

本发明具体采用以下技术方案。

一种基于实时在线监测的水轮发电机组振动状态区域监测方法，其特征在于，所述 监测方法包括以下步骤：

步骤1：利用水机振摆录波分析装置采集水轮发电机组中各振动监测点的原始 样本数据，采集的原始样本数据包括振动量和摆度量两种类型；

步骤2：利用水机振摆录波分析装置对原始样本数据进行分析处理，采用特征 值提取的方法获取各振动监测点的原始样本数据的峰峰值、有效值、波峰因子、方 差、峭度；步骤2所述各振动监测点的原始样本数据包括：

a)上导轴承X向和Y向摆度原始样本数据；

b)下导轴承X向和Y向摆度原始样本数据；

c)水导轴承X向和Y向摆度原始样本数据；

d)发电机上机架X向和Y向和Z向振动原始样本数据；

e)发电机下机架X向和Y向和Z向振动原始样本数据；

f)发电机定子机架X向和Y向和Z向振动原始样本数据；

g)水轮机顶盖X向和Y向和Z向振动原始样本数据；

h)水轮机蜗壳压力脉动原始样本数据；

i)水轮机尾水管压力脉动原始样本数据。

步骤3：建立特征数据存储历史库，存储各振动监测点的振动特征数据，所述 振动特征数据包括各振动监测点的原始样本数据的峰峰值，同时也包括水轮发电机 组转速，水轮发电机组工作水头，水轮发电机组有功功率，和水轮发电机组无功功 率；

步骤4：实现对各振动监测点振动特征数据的统计分析，按照水轮发电机组工 作水头和水轮发电机组有功功率变化的范围分别统计机组各振动监测点的振动特 征数据分布情况，步骤4中所述水轮发电机组工作水头的范围从机组最低工作水头 到机组最高工作水头，水轮发电机组有功功率变化的范围从机组零功率到机组额定 功率；然后根据机组各监测点的振动特征数据的分布情况将机组的振动状态区域划 分为稳定区域、临界区域、振动区域；

步骤5：根据机组工作水头实时值，利用插值函数法获取机组状态区域临界有 功功率值，步骤5中所述振动状态区域临界有功功率值包括振动区域临界有功功率 值和稳定区域临界有功功率值，通过机组实时有功功率值与机组状态区域临界有功 功率值的比较，判断水轮发电机组当前所处的振动状态区域是否发生改变并发出预 警信息；

步骤6：建立振动状态区域穿越事件存储数据表，将水轮发电机组振动状态区 域相关信息写入振动状态区域穿越事件存储数据表，写入数据表的信息包括机组振 动状态区域标示值、机组振动状态穿越事件标示值、机组振动状态穿越事件描述信 息、机组实时工作水头，机组实时有功功率；

步骤6中所述振动状态区域标示值的意义如下：

a)机组振动状态区域标示值为1时表示的意义为“机组当前处于振动区”；

b)机组振动状态区域标示值为2时表示的意义为“机组当前处于临界区”；

c)机组振动状态区域标示值为3时表示的意义为“机组当前处于稳定区”；

步骤6中所述机组振动状态穿越事件标示值的意义如下：

a)振动状态穿越事件标示值为1时表示的意义为“机组从振动区过渡到临界 区”；

b)振动状态穿越事件标示值为2时表示的意义为“机组从振动区过渡到稳定 区”；

c)振动状态穿越事件标示值为3时表示的意义为“机组从临界区过渡到振动 区”；

d)振动状态穿越事件标示值为4时表示的意义为“机组从临界区过渡到稳定 区”；

e)振动状态穿越事件标示值为5时表示的意义为“机组从稳定区过渡到振动 区”；

i.振动状态穿越事件标示值为6时表示的意义为“机组从稳定区过渡到临界 区”；

步骤7：通过查询振动状态区域穿越事件数据表，可以统计某段时间内水轮发 电机组在各个振动状态区域运行时间的分布情况。

本发明具有以下有益的技术效果：

实现了对振动特征数据的筛选，有助于提高振动状态区域判定的准确性；

实现了对振动状态区域的综合性监测，可以从整体上监控机组的振动状态，规 避了各振动监测点逐一在线监测的不足；

实现了对振动状态区域变化的及时预警；

实现了对振动状态区域变化事件信息的分类统计查询。

附图说明

图1为本发明水轮发电机组振动状态区域监测方法的实现过程方案示意图；

图2为本发明水轮发电机组振动状态区域监测方法的实现过程流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的方法实现过程方案做进一步详细介绍。

如附图1所示为本发明公开的基于实时在线监测的水轮发电机组振动状态区域 监测方法实现过程方案示意图，附图1中的设备代表水轮发电机组所配置的水机振 摆在线监测装置。

附图1中的水机振摆录波分析装置主要通过通讯采集的方式获取水机振摆在线监 测装置所提供的各振动监测点的原始样本数据，并完成对原始样本数据的分析处理。

附图1中的实时库将通过通讯采集的方式获取各振动监测点的振动特征数据， 主要包括各振动监测点的峰峰值以及机组转速，水头，有功功率和无功功率等数据。

附图1中的历史库将定时完成对各振动监测点的峰峰值以及机组转速，水头， 有功功率和无功功率等数据的历史存储。

附图1中的平台扩展应用APP功能接口主要提供完成附图2中所示的方法实现 过程各步骤所用到的功能接口函数，主要包括实时库特征值访问接口函数，历史库 特征值访问接口函数，自定义历史特征数据存储接口函数，统计分析接口函数，插 值法接口函数，振动区域判定接口函数，振动状态穿越事件统计查询接口函数。

下面结合说明书附图2对本发明的技术方法实现过程方案做进一步详细介绍。 如附图2所示为本发明公开的基于实时在线监测的水轮发电机组振动状态区域监测 方法实现流程示意图，本发明的监测方法实现过程包括以下步骤：

步骤1：利用水机振摆录波分析装置采集水轮发电机组各振动监测点的原始样 本数据，采集的原始样本数据包括振动量和摆度量两种原始数据类型。

所采集的振动原始样本数据主要包括以下振动监测点：

a)上导轴承X向和Y向摆度原始样本数据；

b)下导轴承X向和Y向摆度原始样本数据；

c)水导轴承X向和Y向摆度原始样本数据；

d)发电机上机架X向和Y向和Z向振动原始样本数据；

e)发电机下机架X向和Y向和Z向振动原始样本数据；

f)发电机定子机架X向和Y向和Z向振动原始样本数据；

g)水轮机顶盖X向和Y向和Z向振动原始样本数据；

h)水轮机蜗壳压力脉动原始样本数据；

i)水轮机尾水管压力脉动原始样本数据。

采集的具体方法如下：

采用水机振摆录波分析装置提供的通讯规约完成对振动样本数据的采集。

步骤2：利用水机振摆录波分析装置对原始样本数据进行分析处理，采用特征值提取 的方法获取各振动监测点(步骤1所述各振动监测点)原始样本数据的峰峰值、有效值、 波峰因子、方差、峭度等内容。

峰峰值X_pp计算

峰峰值计算采用平均时段法。每个分区时段内的振动样本数据设置5％的上下过滤 区间，舍弃可能存在的不合理样本，每个分区时段内采样点数据的最大值X_max和最 小值之差X_min即为该分区的峰峰值X_pp，所有分区峰峰值的平均值即为该分析周期 的峰峰值。n为该分析周期内的采样点数据的个数，峰峰值单位应采用μm。

X_pp＝X_max-X_min

有效值x_rms计算

对于连续n个采样点，采用均方根方法计算公式如下：

$x_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}x{\left(i\right)}^2}$

平均值计算

对于连续n个采样点，取过去一个分析周期的采样数据进行均值计算。若模拟信号 采样频率为f_T时域分析的分析周期为T，则均值计算周期内的采样点数为：N＝f_T·T， 则一个计算周期内某个通道的均值采样值为：

${\bar{A}}_i=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{j=N}{\Sigma }}{A}_{\mathrm{ij}}-A_{\mathrm{ci}}$

其中N＝f_T·T，A_ci为该通道的静态基准值。

波峰因子、峭度、方差等计算

对于连续n个采样点，方差σ计算公式如下：

$\sigma =\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{[x\left(i\right)-\bar{x}]}^2}$

对于连续n个采样点，峭度计算公式如下：

$\hat{k}=\frac{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(x_i-\bar{x})}^4}{{\left[\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(x_i-\bar{x})}^2\right]}^2}-3$

对于连续n个采样点，波峰因子c计算公式如下：

$c=\frac{x_p}{x_{\mathrm{rms}}};$

波峰因子反映了信号中冲击脉冲大小，式中x_p取信号正峰值和负峰值中的最大值。 c值大于1.5时，一般就可以认为轴承零件上有局部缺陷产生。

步骤3：建立特征数据存储历史库，存储各振动监测点的峰峰值及机组转速， 水头，有功功率，无功功率等特征数据。

通过实时库和历史库的访问接口，以扩展插件应用的方式设计振动相关数据自 定义关系数据表，将从实时数据库获取的特征数据存入该表中。

数据表存储过程如下所示：

a)连接平台数据中心实时库，获取需要的振动特征数据信息；

b)设计自定义数据表结构，建立自定义关系数据表；

c)编写数据库的建立，查询，插入，更新等数据处理方法；

d)注册定时任务，周期性的对振动数据进行历史存储。

存储的特征数据类别包括以下内容：

a)各振动监测点的峰峰值；

b)机组转速；

c)工作水头；

d)有功功率；

e)无功功率。

步骤4：实现对各振动监测点振动特征数据的统计分析，按照水轮发电机组工 作水头和水轮发电机组有功功率变化的范围，步骤4所述水轮发电机组工作水头的 范围从机组最低工作水头到机组最高工作水头，水轮发电机组有功功率变化的范围 从机组零功率到机组额定功率；分别逐次统计机组各振动监测点的振动特征数据分 布情况，然后根据所有振动监测点的振动特征数据分布情况将机组的振动状态区域 划分为稳定区域，临界区域，振动区域。

统计分析及划分振动状态区域的步骤如下：

(1)统计分析的对象

逐次选定机组各振动监测点的峰峰值。

(2)选定统计筛选方法：

采用中位值平均滤波法：连续采样N个特征数据，去掉1％最大值和1％最小值 然后计算N-(N*2％)个数据的算术平均值。

(3)选定振动分界值：

输入振动边界限定值val1；

输入稳定边界限定值val2；

(4)选定统计时间区域：

输入起始时间T1；

输入终止时间T2；

(5)输出统计分析的结果：

振动边界曲线数据datas1；

稳定边界曲线数据datas2。

步骤5：根据机组工作水头实时值，利用插值函数法获取机组振动区域临界有功 功率值和稳定区域临界有功功率值，通过机组实时有功功率值与临界有功功率值的 比较，判断水轮发电机组当前所处的振动状态区域是否发生改变并发出预警信息。 具体的实现过程如下：

(1)用插值法获取曲线整定函数

利用机组统计数据结果振动边界曲线数据datas1和稳定边界曲线数据datas2 获取当前机组的振动区，稳定区的边界曲线函数F1(x)和F2(x)，该函数可以动 态提供不同水头，不同有功功率情况下的各振动监测点的振动区域临界有功功率值 和稳定区域临界有功功率值，该曲线整定函数采用插值法实现：插值法又称“内插法”， 是利用函数f(x)在某区间中插入若干点的函数值，给出适当的特定函数，在这些 点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值，这 种方法称为插值法。

(2)获取振动区域临界有功功率值和稳定区域临界有功功率值

利用曲线整定函数算法，获取当前的机组工作水头H通过函数F1(x)和F2(x) 获得对应的有功功率值Q1(振动区域临界有功功率值)和Q2(稳定区域临界有功 功率值)；该输出值作为动态确立机组状态的基准参考值。

(3)获取当前的实际有功功率值Q，判断机组的当前状态，并设定区域状态标 示值VZ

当Q<Q1            机组处于振动运行区域设定振动区域状态标示值VZ＝1；

当Q1<＝Q<＝Q2     机组处于临界运行区域设定振动区域状态标示值VZ＝2；

当Q>Q2            机组处于稳定运行区域设定振动区域状态标示值VZ＝3；

根据以上判断方法输出机组所处振动状态区域

(4)振动区域状态区域标示值VZ作为离散变量，根据离散变量的数值变化判 断状态区域穿越事件的发生过程，并实时发出振动区域穿越事件预警信号

当振动状态区域标示值VZ由1→2时判定机组从振动区过渡到临界区；

当振动状态区域标示值VZ由1→3时判定机组从振动区过渡到稳定区；

当振动状态区域标示值VZ由2→1时判定机组从临界区过渡到振动区；

当振动状态区域标示值VZ由2→3时判定机组从临界区过渡到稳定区；

当振动状态区域标示值VZ由3→1时判定机组从稳定区过渡到振动区；

当振动状态区域标示值VZ由3→2时判定机组从稳定区过渡到临界区；

振动状态区域标示值VZ作为主动安全监测的信号，工作人员可以实时掌握机组 所处的振动状态区域和振动状态区域穿越过程的提示信息。

步骤6：建立振动状态区域穿越事件存储数据表，将水轮发电机组状态区域相关 信息写入自定义数据表。

写入自定义历史数据表的信息包括：

a)机组当前振动状态区域标示值VZ；

b)机组振动状态区域穿越事件发生的时刻；

c)机组振动状态区域穿越事件标示；

d)机组振动状态区域穿越事件描述；

e)机组当前工作水头；

f)机组当前有功功率。

步骤7：通过查询振动状态区域穿越事件数据表，可以统计某段时间内水轮发 电机组在各个振动状态区域运行时间的分布情况。可完成的基本统计功能包括：

a)统计振动状态区域发生改变事件发生的时刻；

b)统计机组每天在振动区域的运行时间T1；

c)统计机组每天在临界区域的运行时间T2；

d)统计机组每天在稳定区域的运行时间T3。