水口水电厂机组状态监测与诊断系统
林礼清
（福建水口发电有限公司）
摘要：水口水电厂建立了一套针对轴流转桨式机组、以实用为目的的状态监测与诊断系统。文中结合工
程实践，全面地描述了该系统的总体目标、设计原则、系统功能，系统总体结构、监测范围及测点布置、
信号采集与预处理、软件系统组成及功能。
关键词：水轮发电机组；状态监测；故障诊断
0 引言
水口水电厂装有7台单机容量20M的水轮发电机组，多年平均发电量 49.5亿kW·h，承担电网的调峰、调频及事故备用任务，是福建电网的主力电厂。
投产伊始，水口水电厂就有计划、有针对性地开展设备状态监测和诊断，不断积累运行经验，逐步由预防性试验向在线监测过渡。在线监测技术的广泛应用有力地促进了水电厂设备由计划检修向状态检修发展的进程。
1 总体目标及设计原则
1.1 总体目标
总体目标是基于目前国内先进水平，建立国内第1套针对轴流转桨式机组并以实用性为目的的状态监测、分析与诊断系统。
机组状态监测与诊断系统的建立将通过预警、报警等技术手段，真正解决机组的运行安全问题，降低现场的故障发生率。通过先进的分析、诊断方法，找到引发故障的本质原因；通过一系列在线性能评测分析工具，掌握机组的性能规律；通过寿命估计、效率跟踪等方法为设备检修的合理安排提供技术依据。此外，进一步提高监测系统的集成度，使系统的一致性更强，风格和技术手段更加统一。
建立机组状态监测与诊断系统，强调以下一些基本功能：
a. 故障预警：自动辨识机组振动状态的变化，及时预警；
b. 优化运行：定期形成机组状态报告，全面了解和掌握机组运行状态；
c. 数据录波：计算机化的机组状态信息和故障数据在线纪录；
d. 故障判断：准确分析故障原因，实现有针对性的检修；
e. 远程交流：做到移动的是数据而不是人；
f. 综合诊断：实现多数据源，在线监测和离线检测数据统一管理；
g. 预测维修：为进一步建立计算机检修管理系统（CMMS）打下基础；
h. 其它实用功能。
1.2 设计原则
计算机软、硬件技术的实施遵循以下原则：
a. 开放式：极具灵活性以及与其它系统的兼容性；
b. 智能化：提高分析、诊断的自主性；
c. 网络型：基于Internet技术，实现资源共享；
d. 高可靠性：满足长期在线监测的要求。
在状态监测的机理研究和实现上，要求：
a. 针对性强，系统实用化；
b. 完善信号分析手段，强化自动分析和诊断功能；
c. 通过多台机组的状态比较，以发现机组隐患，进而确定机组检修序列；
d. 能够最终解决现场检修和运行所遇到的迫切问题。
2 系统总体结构
水口水电厂机组状态监测与诊断系统建立在由水电厂局域网、广域网和运行分析中心局域网组成的网络平台上。电厂状态监测网络系统的结构如图1所示。
运行分析中心
图1 水电厂状态监测网络系统结构示意图
安装在每台机组各部位的传感器和变送器将各种物理信号转化为电信号，传送到相应机组的信号采集及预处理单元，得到反映机组运行状态的各种特征参数、曲线、图表等，统一存储到状态数据服务器。该服务器自动运行分析和诊断软件，定期提供状态检查日志、状态发展趋势、自动状态报告，自动存储有故障时的监测数据等。Web服务器负责发布数据服务器中的数据和分析、诊断结果，包括与本地或远程的监测、分析、诊断、维护工作站的交互，定期远程发送日志、趋势以及有故障的实时数据等。水电厂管理信息系统(MIS)局域网的用户终端和通过广域网接入的其他用户终端，都可以通过浏览器查询状态数据服务器和Web服务器上的状态数据及报告，下载监测数据，完成自定义分析，或指定服务器完成特定的分析和操作。
建立独立的状态监测与诊断系统TCP/IP局域网，与水电厂MIS局域网分开，以保证状态监测的实时性，避免两个系统之间的通信干扰。同时，通过Web服务器将2个网络连接起来，使MIS用户可以用浏览器方式有效地对机组状态进行监测分析和诊断。状态监测系统与监控系统的数据传递
通过1台独立的数据转换器来实现。工程师工作站用于完成状态监测与诊断系统的配置和维护等工作，也可以用于对离线监测数据的管理和维护。
3 监测范围及测点布置
本系统监测范围包括机组稳定性、发电机状态、水轮机状态和调速器状态等多项内容。机组测点参量见表1。
表1 单机测点参量一览表
序号内容测点数布置地点（或信号源）
1 空气间隙8 沿定子壁圆周互成45º
2 振动摆度17 上导、推力、水导摆度，大轴位移，上机架、顶盖振动和定子机座振动，以及键相等
3 线棒振动12 定子线棒端部，每支路1只
4 电气绝缘 3 发电机出口，A、B、C三相各装1只耦合器。
5 磁场强度 1 上游侧定子上端槽楔处
6 水压脉动 5 蜗壳出口、导叶进口、顶盖下空腔和尾水管入口
7 空化气蚀 4 装在导叶拐臂上
8 常规参量13+30 电气量取自变送器，温度、油位、行程、水位、流量等由监控系统通信输出
用最低的成本完成尽可能多的故障信息的监测，同时也考虑现场安装的可行性和日后维护的方便。一般地，设备状态监测的测点布置遵循以下基本原则：
a. 满足设备状态评价所需的监测基本参数的要求；
b. 考虑设备的故障诊断模型的信息要求；
c. 满足安装条件及限制的要求；
d. 适合机组的运行特点；
e. 测点之间具有相关性、互补性和相对独立性；
f. 经济性原则。
3.1 机组稳定性
a. 导轴承状态：每个轴承部位通过正交的2个电涡流传感器测出大轴运动的轴心轨迹。经过对摆度测量信号的适当分析可以找到轴承的某些缺陷。
b. 推力轴承状态：通过大轴轴向窜动和推力轴承支架轴向振动的频率分析，可以诊断与推力轴承有关的故障（隐患）。
c. 主轴状态：由大轴上3个截面的轴心轨迹可以描绘出空间轴线图，直观地掌握大轴的空间运动，了解转轴的动力学特性。
d. 结构振动：采用低频振动速度传感器测量机组支架结构的绝对振动。除了直接给出振动评价，经信号分析和应力估算，可以判断振动的传递路线以及支撑部件的寿命损伤情况。
3.2 发电机状态
a. 定、转子气隙：通过测量传感器与磁极之间电容的调制电流，可以得到定子圆度、转子圆度、最小磁极间隙和相位、磁极周向形貌等多种参数和曲线，同时还可以监测定子圆度蠕变、磁极伸长等。
b. 磁场强度：非接触式的磁场强度传感器动态地感受来自每个磁极发射的磁场强度。它可以
