一种水轮发电机组运行故障的保护方法及系统

摘要

本发明公开了一种水轮发电机组运行故障的保护方法及系统，属于水轮发电机组检测技术领域。本发明采用设备性能评价模块实现对设备性能劣化的分析，采用设备健康评价模块实现对设备健康状态的劣化趋势，根据分析结果与预设的预警阈值和控制阈值进行对比，对水轮发电机组进行的预警和直接控制保护，实现对水轮发电机组的故障预防和智能化保护。相较于现有技术而言，本发明可以根据设备性能劣化趋势和健康状态劣化趋势实现对设备的早期将要发生故障进行预警，同时，再达到控制阈值后，实现对设备运行故障的预防性控制保护，而非故障发生时的控制，从而有效地解决了现有技术中存在的问题。

说明书

技术领域

本发明属于水轮发电机组检测技术领域，具体涉及一种水轮发电机组运行故障的保护方法及系统。

背景技术

水轮发电机是指以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机，水轮发电机由转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等主要部件组成。作为水电站能源转换核心设备，水电机组正向巨型化、复杂化、智能化方向发展，且机组结构日趋复杂，集成化程度越来越高，随着中大型水电站对无人值守的管理模式的发展，针对水轮发电机组的安全稳定运行要求越来越高。

水轮发电机运行故障的诊断和分析是保证水轮发电机组安全稳定运行的重要手段之一，然而，现有技术中，针对水轮发电机组故障的诊断分析多集中于事中判断，例如：中国发明专利201610052900所公开的水轮发电机组故障检测系统，其主要采用是通过传感器采集数据，经过数据处理后，再由故障诊断模块进行诊断并输出诊断结果，工作人员再根据故障诊断结果进行相关的操作。

但是现有的水轮发电组故障诊断很难对水轮发电机组各组件的预期运行状态进行分析判断，这就导致工作人员往往是在水轮发电机组故障发生时或将要发生时进行操作，整个反应速度慢，无法做到故障预防，另一方面，针对水轮发电机组的故障没有智能化的保护方案，多依赖于人工完成，导致水轮发电机组故障保护的智能化程度低。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种水轮发电机组运行故障的保护方法及系统，能够根据设备性能劣化趋势和健康状态劣化趋势实现对设备早期将要发生故障进行预警，同时实现对设备运行故障的预防性控制保护。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种水轮发电机组运行故障的保护方法，包括：

S1：采集水轮发电机组的工况信息和振摆信息数据；

S2：对S1采集的工况信息和振摆信息数据进行预处理；

S3：通过对水轮发电机组运行参数预测值和S2预处理后的实际值的残差分析，对设备性能的劣化趋势分析，并输出分析结果；通过水轮发电机组历史运行时长、能效水平变化趋势和故障记录，分析设备健康状态的劣化趋势，并输出分析结果；

S4：将S3的分析结果与预警阈值进行比较，若超过预警阈值，则执行S5；

S5：将S3的分析结果与控制阈值进行比较，若未超过控制阈值，则输出预警信息；若超过控制阈值，则执行S6；

S6：生成控制命令并下发至水轮发电机组控制器，水轮发电机组控制器控制水轮发电机组停机，实现对水轮发电机组运行故障的保护。

优选地，S5中，预警信息的输出方式包括短信、电话、邮件和/或声光报警。

优选地，还包括S7：当S5中超过控制阈值时，输出若干组与S5比较结果相关联的故障案例以供参考。

本发明公开的一种水轮发电机组运行故障的保护系统，包括：

数据采集模块，采集水轮发电机组的工况信息和振摆信息数据；

数据处理模块，对数据采集模块采集的数据进行处理；

设备性能评价模块，对设备性能的劣化趋势分析并输出分析结果；

设备健康评价模块，对设备健康状态的劣化趋势进行分析并输出分析结果；

中央处理器，对设备性能的劣化趋势和设备健康状态的劣化趋势的分析结果进行分析处理并生成控制命令；

水轮发电机组控制器，对水轮发电机组实施控制；

通讯模块，实现中央处理器与水轮发电机组控制器之间的通讯并下达控制命令；

时序数据库，用于提供数据服务。

优选地，数据采集模块包括水轮发电机组工况信息采集模块和水轮发电机组振摆信息采集模块。

进一步优选地，水轮发电机组工况信息采集模块对水轮发电机组的温度、电流、电压、功率信息采集。

优选地，水轮发电机组振摆信息采集模块对水轮发电机组的键相、受油器X和Y向摆度、组合轴承X和Y向摆度、水导轴承X和Y向摆度、灯泡头X向水平振动、灯泡头Y向垂直振动、受油器X和Z水平振动、受油器Y向垂直振动、组合轴承X和Z向水平振动、组合轴承Y向垂直振动、水导轴承X和Z向水平振动、水导轴承Y向垂直振动、内配水环X和Z向水平振动、内配水环Y向垂直振动、转轮室X向水平振动、转轮室Y向垂直振动、进口压力脉动、转轮与活动导叶间压力脉动、转轮上腔压力脉动、尾水肘管压力脉动、尾水锥管进口压力脉动信息进行采集。

优选地，设备性能评价模块通过对水轮发电机组运行参数预测值和实际值的残差分析对设备性能的劣化趋势进行分析。

优选地，设备健康评价模块通过水轮发电机组历史运行时长、能效水平变化趋势、故障记录评估并预测设备整体健康状态劣化趋势。

优选地，水轮发电机组控制器为LCU控制器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的水轮发电机组运行故障的保护方法，采用设备性能评价模块实现对设备性能劣化的分析，采用设备健康评价模块实现对设备健康状态的劣化趋势，根据分析结果与预设的预警阈值和控制阈值进行对比，对水轮发电机组进行的预警和直接控制保护，实现对水轮发电机组的故障预防和智能化保护。相较于现有技术而言，本发明可以根据设备性能劣化趋势和健康状态劣化趋势实现对设备的早期将要发生故障进行预警，同时，再达到控制阈值后，实现对设备运行故障的预防性控制保护，而非故障发生时的控制，从而有效地解决了现有技术中存在的问题。

进一步地，本发明设计多测点部署，新增振动、摆度、压力脉动、键相等专业测点，实时采集表征水轮发电机组关键特性的数据信号和工况信号，提升了采集数据点的全面性，保证了设备运行故障监测的准确性，且比传统的单一振动分析更加可靠。

本发明公开的水轮发电机组运行故障的保护系统，构建简单，自动化程度高，能够与现有的系统硬件兼容，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图2，本发明的水轮发电机组运行故障的保护系统，该系统的设计原理是通过对水轮发电机组性能的劣化趋势和健康状态的劣化趋势分析，再结合分段预警和控制方式，首先实现对设备的早期预警(预警阈值)，提醒工作人员重点观察目标，在达到控制阈值后，即启动智能控制，在故障将要发生之初，实现对设备的保护，由此实现对设备的预防型保护。

本实施例中，水轮发电机组运行故障的保护系统的结构如下：

数据采集模块，主要用于采集水轮发电机组各组件的运行数据，具体的说，数据采集模块包括水轮发电机组工况信息采集模块和水轮发电机组振摆信息采集模块；其中，水轮发电机组工况信息采集模块实现对水轮发电机组的温度、电流、电压、功率信息采集，采集用传感器为常规的匹配传感器，故在此不作赘述；水轮发电机组振摆信息采集模块实现对水轮发电机组的振摆信息进行采集，其测点设置及对应的传感器如下表所示：

通过上述测点部署实现对水轮发电机组各组件的运动/运行状态的数据采集，保证了设备运行故障监测的准确性，且比传统的单一振动分析更加可靠；针对数据采集，优选屏蔽电缆、差分输入、光电隔离、绝缘处理、电源降噪、数字滤波等多种抗干扰软硬件相结合的技术措施，尽可能减少水轮发电机组现场静电、高频和强磁场对数据采集信号的干扰。

数据处理模块，主要用于对所采集数据进行预处理，处理方式包括但不限于：数字滤波、包络调解、阶比跟踪、边缘计算等；进一步的，结合数据死点、数据有效范围、数据波动速度、数据波动范围、数据相关性等多种数据质量评估算法，减少由于传感器自身故障、网络通讯故障导致的故障诊断模型误报问题。

设备性能评价模块，用于对设备性能的劣化趋势进行分析并输出分析结果，具体的说，通过对设备运行参数预测值和实际值的残差分析，能够清晰的发现设备性能的劣化趋势，上述运行参数为数据采集模块所采集的工况信息数据和振摆信息数据；分析结果的展示可以采用图形展示，以供工作人员直观的观察，关联的数据信息存储在时序数据库，时序数据库可实现过程量与提取后的特征数据的秒级永久存储。

设备健康评价模块，用于对设备健康状态的劣化趋势进行分析并输出分析结果，具体的说，备健康评价模块通过水轮发电机组历史运行时长、能效水平变化趋势、故障记录等数据评估并预测整体健康状态劣化趋势，所关联的数据信息存储在时序数据库；设备健康评价模块可以从通讯状态、能效状态、运行状态、健康状态、运维状态五个维度来表示设备状态(包含状态等级和持续时间)，结合设备结构图，展示设备关键参数数据，结合设备属性设计参数，实时对比分析设备运行情况。

设备性能评价模块和设备健康评价模块依托于设备机理模型，本实施例中，设备机理模型如下表：

抽取设备实时工艺过程数据、振摆在线监测数据建立基于AI大数据的劣化分析模型，再与上述的机理模型相结合，实现设备健康评价和设备性能评价。

中央处理器，用于对设备性能的劣化趋势和设备健康状态的劣化趋势的分析结果进行分析处理并生成控制命令；具体的说，预设有预警阈值和控制阈值并存储在时序数据库，预设的阈值为设备性能的劣化趋势和和设备健康状态的劣化趋势所对应的数据信息，在设备健康评价模块和设备性能劣化评价模块输出分析结果后，分析结果所关联的数据信息存储至时序数据库，中央处理器调取分析结果所关联的数据信息和预设的预警阈值和控制阈值数据信息，将二者进行比对，并根据比对结果输出控制命令。

水轮发电机组控制器，用于对水轮发电机组实施控制，其是控制命令的执行单位，中央处理器通过水轮发电机组控制器实现对水轮发电机组的控制，本实施例中，水轮发电机组控制器为LCU控制器。

通讯模块，用于中央处理器与水轮发电机组控制器实现通讯，一般地，通讯模块为无线通讯模块。

如图1所示，本实施例提供了一种水轮发电机组运行故障的保护方法，包括以下步骤：

步骤一，采集水轮发电机组的工况信息和振摆信息数据，信息数据的采集依靠相匹配的传感器实现；

步骤二，对所采集数据进行预处理，处理方式包括但不限于：数字滤波、包络调解、阶比跟踪、边缘计算等；

步骤三，通过对水轮发电机组运行参数预测值和实际值的残差分析对设备性能的劣化趋势分析，输出分析结果；通过水轮发电机组历史运行时长、能效水平变化趋势、故障记录评估并预测整体健康状态劣化趋势，输出分析结果，分析结果存储在时序数据库，供中央处理器调取；

步骤四，将步骤三的分析结果与预警阈值进行对比分析，若超过预警阈值，则执行步骤五，若未超过预警阈值，则系统不作任何反馈，并返回步骤一，重复执行步骤一至四，直到触发预警或控制；

步骤五，将步骤三的分析结果与控制阈值进行对比分析，若未超过控制阈值，则输出预警信息，其中，预警信息输出方式包括短信、电话、邮件和/或声光报警，预警信息输出一般为一次，输出后则进行实时持续的数据采集，直到采集数据触发控制阈值；若超过控制阈值，则执行步骤六；

步骤六，生成控制命令并下发至水轮发电机组控制器；控制命令根据水轮发电机组的不同监测分析结果输出匹配的控制命令；

步骤七，水轮发电机组控制器根据控制命令控制水轮发电机组作出相应的控制调整，例如：停机，以实现对水轮发电机组运行故障的保护。

在进一步的优选方案中，本实施例还包括步骤八，当步骤五中超过控制阈值时，输出若干组与步骤五对比分析结果相关联的故障案例以供参考。其中，故障案例是在日常生产中经人工诊断或者自动诊断的故障案例，经现场技术人员和远程诊断专家确认后，自动生成设备故障案例或手工添加至案例库；实施时，将分析结果关联的数据与故障案例相关联的数据进行匹配，匹配成功的，则输出对应的故障案例，其有助于工作人员快速排查故障。

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。