深圳抽蓄机组在线监测系统设计

陆冠鹏

（广东水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635）

［摘要］本文简要介绍了机组在线监测系统在深圳抽水蓄能电站的应用，从对该系统做了较为详细的说明，对同类型水电站应用系统具有现实指导意义。随着抽水蓄能电站自动化和 “无人值班”的进一步推进，机组在线系统必将成为保障蓄能机组安全稳定运行的重要组成部分。

［关键词］抽水蓄能电站；自动化；机组在线监测

机组在线监测系统是预防抑制可逆式水泵水轮发电机组出现振摆事故，确保抽水蓄能机组稳定可靠运行的有力措施；同时是一项与继电保护和其他水机保护设备同等重要的自动化设备；是实现抽蓄机组智能化运行，有效提升抽蓄机组运行管理能力的技术手段[1]。在线监测系统的实时测量反馈值，有助于电站管理人员掌握机组运行工况，第一时间得知异常情况的出现。当机组运行发生异常或故障时，监测系统配合计算机监控系统的其他监测信息，向现地机组LCU屏柜传送报警/停机信号，机组进入停机程序，实现保护停机[2]。

1 深圳抽蓄机组在线监测系统设计

深圳抽蓄电站共有4套可逆式水泵水轮发电机组在线监测系统。机组在线监测系统设计，现地配置如图1所示。

图1 全站在线监测系统现地层设备配置图

1.1 系统设计

在线监测系统在深圳抽蓄机组上的主要设备有：装置在机坑各处的传感器及相应的数采单元、中控层上位设备、配套软件及组网设备。中控设备与现地设备共同组成在线监测系统分层次、分布式的结构。配置在中央控制室内中控设备为：两套分别负责系统运行状态数据存储和对外网络数据交互的主数据服务器，一套操作员工作站及一台工业交换机等设备；配置在现地层的设备为：装置在机坑各处的传感器及相应的数采单元、端子箱及相关附件。

机组在线监测系统设计，采用符合IEEE协会标准的802.3和TCP/IP规约的光纤介质传输以太网进行数据互传，并在与外部系统交界处设一套单向网络隔离设备和一台硬件防火墙。

机组在线监测系统设计，按照机组台数设置相应的机旁现地屏，实现对运行机组的振摆幅度、转定子气隙、蜗壳压力及发电电动机运行情况等信息进行采集，经过装置在机组在线监测系统屏内的数据处理单元进行分析处理后，可将数据形成图表或曲线等信息反馈至监控网络供运行值班人员查看。机组在线监测系统屏还可以对数据进行更深层次的特征分析，形成机组独有的状态模型参数，为预警、分析和诊断故障提供数据支持。

机组在线监测系统的状态数据存储服务器在获得相关上传信息后，对信息进行分类、建立检索并录入数据库保存，并根据算法实时评估分析机组状态或故障情况。运维人员在状态数据服务器上可实施对机组运行实时状态的测量、监视、评估与诊断。网络数据服务器提供给中央控制管理系统及外部系统与机组在线监测系统之间的数据互传功能。在网络数据服务器与电站管理信息系统之间设置1套硬件防火墙。各服务器、网络隔离装置、光端机、以太网交换机、硬件防火墙等设备组柜安装，屏柜布置在中控设备室内。机组在线监测系统还在电站中控台上安设了用于维护管理的工作站，运维人员可通过该工作站掌握系统的整体运作情况和查看相关数据。

1.2 机组测量点位安排及机坑内的传感器配置

深圳抽蓄机组在线监测测量点有：X、Y向摆动幅度、键相和机组大轴的位移、机架和顶盖的振动、水力机构内部压力大小值、瞬时脉动值、转定子两者间的气隙值等。数据测量点及传感器配置情况如下：

配置6套低频振动传感器在机组的上下机架处，用于测量机架的水平X、Y方向、垂直Z方向的振动幅度；

配置3套低频振动传感器在电机定子铁心处，用于测量定子铁心的水平X、Y方向、垂直Z方向的振动幅度；

配置3套低频振动传感器在机组顶盖处，用于测量机组顶盖的水平X、Y方向、垂直Z方向的振动幅度；

配置6套涡流摆度传感器在机组的水导、上导及下导轴承处，用于测量水导、上下导轴承的水平X、Y方向摆动幅度；

配置2套涡流位移传感器于大轴与键相处，用于测量机组大轴与键相的位移；

配置8套平板电容传感器于转子与定子间的气隙，用于测量两者间的各向气隙值；

配置6套高频响变送器于转轮处，用于测量其与顶盖、底环及导叶之间的压力值和瞬时脉动值；

配置5套高频响变送器于尾水管、蜗壳、压力钢管及尾水管处，用于测量安装处的压力值和瞬时脉动值；

配置2套差压变送器于尾水管及转轮蜗壳中，用于测量该处的水力压差值。

1.3 中控层的设备构成

中控层的设备构成主要为各数据服务器与配套组网设备，对应本系统现地层设备的配置，上位机系统配置设备如表1。

表1 上位机系统配置设备表

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状态数据存储服务器可接收自各在线监测现地屏上送的实时状态信息与特征参数值，形成历史数据库，并应用其中的资料对机组状态进行分析评估。状态数据服务器还负责与站内GPS装置通讯，并将对时信号分发至各机组在线监测现地设备。运维人员可通过操作员工作站登陆状态数据存储服务器完成服务器的设置和数据库分析。

图2 单台机组测量位置分布图

网络数据服务器主要功能为实现在线监测系统与全站中控系统的通讯，此外还同步备份状态数据存储服务器数据库中的相关数据。在线监测系统与全站中控系统之间通过网络数据服务器实现数据双向传送，全站中控系统中可浏览和查询在线监测数据。

操作员工作站供运维人员查看、操作及维护机组在线监测系统内的各个数据服务器和现地设备屏。

机组在线监测系统局域网与全站中控系统之间配置有网络隔离装置和硬件防火墙，系统数据只能由内网向外网单向传送，实现将在线监测系统与全站中控系统分割设置于安全级别符合规范要求的网络分区内。

2 系统功能

2.1 实时监测

机组在线监测系统可同时在现地屏、操作员站以及网络所联的有关用户终端上应用数值、曲线或图表等多种形式显示各机组的实时运行状态，实现在线监测功能。

机组在线监测系统使用信息完备、层次分明的监控界面表达运行情况的实时状态信息。机组运行过程中，出现监测值超限或具有接近超限的趋势时，在线监测系统会在各个显示界面上弹出显著的报警或预警信息，同时还可通过DI模块硬接点输出信号至中控系统或相关保护装置。

2.2 数据分析

机组在线监测系统内置分析算法模型，利用机组稳态及过渡工况下的数据可实时评估机组状态及其演变趋势，并预警可能出现的故障。

在线监测系统分析工具有：波形分析、频谱分析、轨迹分析、摆线姿态分析、趋势分析、相关分析、瀑布图分析、级联图和波德图等。运维人员可利用气隙圆图获取机组转子与定子之间空气间隙的极值和数量均值，同时还可利用磁极形貌图得知各测量值对应的角度值与磁极号，并得到由系统自动推算的转定子两者之间相互偏移值，最后还可以使用磁极周向形貌的数据模型得到机组的空气间隙分布特征。

2.3 专家诊断

机组在线监测系统内置一套专家故障诊断系统，可以在发生的运行故障时进行智能诊断出可能的导致原因。专家故障诊断功能由数据告警模块、智能诊断算法、专家知识数据库、量化故障规则、故障诊断工具和故障分析规程等组成。在发生故障时，系统首先通过告警模块获取已超限的状态值，再调用智能诊断模块和专家知识数据库中的数据，根据故障分析规程对故障进行智能诊断，最后自动形成相关故障分析报告，以Word文件方式进行存储。故障诊断工具可对多种典型故障进行智能诊断，对数据库难以判别的未知故障可通过系统提供的咨询系统进行进一步深层次的诊断。

2.4 试验

机组在线监测系统具有辅助试验功能，可为机组的稳定性、过渡过程、水头、效率及变负荷试验生成所需的性能特性曲线和试验报告。

2.5 性能评估

系统提供的各种分析工具可利用机组在线监测系统长期记录存储的机组不同工况下的相关数据和试验报告评估机组的动、稳态性能；多因素趋势整合分析功能可由机组的转速数据、抽水/发电负荷数据、水力数据、励磁系统数据生成关系曲线，用于判别机组的失稳工况区域和特性抖振区，为优化机组日常运行和进行故障分析提供有力数据支持。

2.6 告警显示

机组在线监测系统可根据机组抽水、发电的不同工况设置不同的定值，在监测到测值超限后向中控系统发出告警信号，并整合发生超限的机组名称、超限类型等信息形成报表上送至状态存储数据服务器供运维人员调用查看。根据超限值的数量、大小等区别，告警级别可设定为一级、二级和紧急停机级三个等级，避免由于单个通道的测量故障而导致误报停机，不同级别的告警信号配置相应的报警和跳闸硬接点信号输出至中控系统。

2.7 采样

机组在暂态和稳态运行时产生的数据均可被机组在线监测系统自动完整正确地记录，在事故发生时可进行追忆操作，为事故分析提供全过程的数据支持。

2.8 数据管理

机组在线监测系统不仅可以存储所有参数信息、特征值信息和相关的采样样本信息，还能够将数据进行高密度化存储，增强数据库保存机组暂态、稳态数据及故障录波信息的能力。数据库可对整个数据库、用户所检索到的数据或指定时间的数据进行自动备份，并提供备份数据回放和导入功能。

随着电力系统的网络规模的扩大，同时新能源在系统中的占比越来越大，抽蓄机组的容量日益增大，需要运维人员具有更高的运维水平相配合[3]。

3 结语

目前，抽蓄机组的在线监测系统还处于推广应用初期，惠州抽水蓄能电站、清远抽水蓄能电站均已投入使用，由于投运时间尚短且可参照的规范资料标准不多，还需要积累相关的运行维护经验，并以此制定相应的标准和规范。在可预见的将来，机组在线监测系统性能不断提高，可保证机组安稳运行的同时提供数据支持抽蓄机组的状态维修，增强蓄能电站的经济效益。□

参考文献：

[1]王长全，凌伟业.故障诊断中振动与温度监控系统的研究[J].工矿自动化，2002（5）：7-11.

[2]杜稳稳.风力发电机组振动状态与故障诊断[D]华东理工大学，2011年．

[3]湛跃.机组振摆在线状态监测系统改造介绍[J].《湖南水利水电》，2011（3）：44-47.

Design of on line monitoring system for pumped storage units in Shenzhen

Lu Guanpeng

Abstract：This paper briefly introduces the on-line monitoring system of unit of pumped storage power station in Shenzhen，from the system to do a detailed description of the same type hydropower station application system has practical significance.With the further development of the automation of pumped storage power station and the unattended operation，the on-line unit system will become an important component to ensure the safe and stable operation of the energy storage unit.

Keywords：pumped storage power station；automation；unit on-line monitoring

［中图分类号］TV743：TV736

［文献标识码］B

［文章编号］1009-2846(2017)10-0020-04

［收稿日期］2017-06-15

［作者简介］ 陆冠鹏（1985-），男，广西桂平人，工程师，主要研究方向：水电站自动化、水电站二次系统设计。