蒋建东，魏臻珠，朱明嘉，程志平

(1.郑州大学电气工程学院，河南郑州450001;2.济源供电公司，河南 济源454650)

0 前言

抽水蓄能机组运行灵活，反应迅速，具有削峰填谷、调频、调相、备用、负荷调整等多项功能，近些年来得到了迅速发展。由于设计参数复杂、运行工况多、启停频繁、振动部位广泛等方面的原因，抽水蓄能机组出现故障的可能性比常规机组更大一些［1］。

目前，故障诊断与状态维修系统已经广泛应用到工业生产领域，并取得了显著的经济效益和社会效益［2－6］。但针对抽水蓄能机组的相关研究大多只是针对抽水蓄能机组某方面故障提出一些诊断方法和理论等［7－10］，还没有一套成熟完整的抽水蓄能机组故障诊断与状态维修系统。

本文开发了抽水蓄能机组的故障诊断与状态维修系统。介绍了信号监测点的布置及各种信号的检测方法，建立了抽水蓄能机组故障诊断与状态维修的Petri网模型，给出了抽水蓄能机组故障诊断与状态维修系统的软件结构，并对其中的各个模块进行了介绍。

1 故障检测方法

真实可靠、能够反映抽水蓄能机组故障状态的检测信息是进行故障诊断和状态维修决策的前提条件。本文综合考虑了抽水蓄能机组的水利特性、旋转机械特性、设备结构特性和电气特性，选择振动信号、温度信号和电气量信号进行各类故障的检测。

1.1 检测点的布置

根据回龙抽水蓄能机组各种传感器的实际安装配置情况，选择转子轴承、机架结构、推力轴承、过流部件、电动发电机的以下位置作为故障检测点:

(1)转子轴承:上、下水导x、y两个90°方向的振动;上、下水导瓦温。

(2)机架结构:上、下机架x、y两个90°方向的振动;机顶盖x、y、z三个方向的振动;上、下导摆 x、y两个方向的振动。

(3)推力轴承:推力轴承温度、推力轴承进油管温度、推力轴承循环水出口温度、推力轴承油槽温度;上、下导轴x、y两个90°方向的振动及其温度。

(4)过流部件:尾水管压力脉动;尾水管出口压力;转轮下环腔内压力;蜗壳进口压力;转轮与导叶压力。

(5)电动发电机:定子、转子绕组温度、定子铁心温度;定子机座x、y两个90°方向的振动;电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率和机端中性点电压。

1.2 振动检测

对振动信号的检测是机械故障诊断中应用最广泛，也是最行之有效的方法。根据以上分析，采用振幅分析、频谱分析和轴心轨迹图3种振动检测方法对振动信号的幅值、频谱和轴心轨迹进行故障检测。

1.3 温度检测

温度可以直观地反映出某些部件的故障情况，如部件间的摩擦、匝间短路等。因而温度是检测机组某些特定部件故障的重要物理参数，本文采用幅值法对温度参数进行检测。

1.4 电气量检测

电气量检测主要是针对电动发电机的基本电量进行的。电动发电机的电流、电压、功率等物理参数直接反映了电动发电机当前的运行状态，对这些物理参数进行实时检测，可以准确及时地判断电动发电机的当前状态。其中，对电压、电流采用幅值法和频谱分析法进行检测;对有功功率、无功功率、功率因数等采用幅值法进行检测。

2 抽水蓄能机组故障诊断与状态维修的Petri网方法

由于抽水蓄能机组故障的复杂性及其多层次性，必须研究故障的表现形式及其产生原因。在故障产生机理分析的基础上确定故障类型和性质，以便于系统故障诊断与状态维修模型的建立。

Petri网作为一种图示化描述方法，可以利用图形语言对故障诊断与状态维修系统的结构、功能及流程进行系统的分析和描述，是故障诊断与状态维修系统建模与分析的一种重要工具。为了更清晰地描述Petri网系统，可以用矩阵来表示Petri网模型。

针对抽水蓄能机组故障部位和故障现象较多的特点，为了减少关联矩阵的维数、提高诊断的准确性和保证诊断与状态维修方案的实时性，将抽水蓄能机组按照组件层次划分为转子、定子、机架结构、推力轴承、过流部件5个模块，分别建立相应的故障Petri网模型，最后整合成一个完整的故障Petri网模型，如图1所示。

每类组件都包含许多具体的故障，根据国内外的运行经验，抽水蓄能机组出现的典型故障如下:(1)泄水锥松动;(2)尾水管涡带振动大;(3)导水机构传动件松动;(4)调速器故障引起接力器抽动;(5)大轴密封润滑不良;(6)大轴密封偏磨或过度磨损;(7)水轮机迷宫环碰磨;(8)大轴弯曲或法兰不对中;(9)大轴法兰螺丝松动;(10)上、下水导轴承间不对中;(11)导轴承支承部件有松动或裂纹;(12)上、下导轴承间隙调整不当;(13)推力轴承润滑不良;(14)推力轴承弹性油箱状态恶化;(15)转子动平衡不良;(16)电磁拉力不平衡;(17)定子叠片松动。

本文根据这些典型的故障建立了抽水蓄能机组故障诊断与状态维修的Petri模型。

图1 故障诊断与状态维修Petri模型的建立

3 抽水蓄能机组故障诊断状态维修系统设计

该软件分为5个模块:人机界面模块、数据库管理模块、故障检测模块、故障诊断模块和状态维修模块，其结构如图2所示。

各模块功能如下:

3.1 人机界面模块

人机界面模块作为运行人员和软件系统进行交互的接口，主要用来进行故障报警信号、故障诊断结果、维修方案及遥测遥信量的显示，以及进行故障征兆、故障原因、维修方案、设备状态数据库的查询与维护等。

为了更好地了解机组的运行状态和机组状态量的变化趋势，对信号给出了多种分析显示方法，包括时域信号显示、功率谱分析、轴心轨迹分析、相位分析、振动信号频谱分析等。时域信号显示将实时采集的振动信号、电气量信号、温度信号等进行显示，以方便运行人员了解机组当前的状态。功率谱分析、振动信号频谱分析对功率或振动信号的频谱进行分析。轴心轨迹分析和相位分析可以直观地显示主轴当前的运行状态，以便准确定位故障原因和部位，为诊断分析提供判据。

图2 软件结构图

3.2 数据库管理模块

数据库管理模块对系统的故障征兆、故障原因与维修方案数据库，设备状态数据库与遥测遥信量数据库进行维护和管理。

故障征兆、故障原因与维修方案数据库根据不同部件的不同故障情况建立起Petri网关联库，并能够随着运行数据的积累而不断扩充和完善。设备状态数据库包括设备名称，投入日期，维修次数，最后一次维修时间，故障情况的简单描述等。系统能够根据这些信息形成设备参数，如温度、振动等的变化趋势库，供状态维修时参考。遥测遥信量数据库用于接收遥测遥信量数据并存储。

3.3 故障检测模块

故障检测模块对机组的遥测遥信量进行故障检测，一旦发现故障征兆则向用户报警并启动故障诊断模块。

3.4 故障诊断模块的设计

故障诊断模块是系统的核心模块之一。该模块采用事件触发方式对机组的状态及故障进行正向推理。该模块根据故障检测模块的检测结果及数据管理模块的机组状态信息和和专家知识，对机组存在的故障进行准确的诊断。

3.5 状态维修模块

该模块根据故障诊断模块的诊断结果和设备参数的变化趋势，给出状态维修方案。

图3 软件流程图

4 抽水蓄能机组故障诊断与状态维修系统的开发

运用VB语言完成了界面的设计开发和程序代码的编写，利用ACCESS数据库完成了对机组遥测遥信量的读取、存储和管理。开发了回龙抽水蓄能电站机组故障诊断和状态维修软件，该软件具有良好的人机交互界面、操作方便简捷。

4.1 软件流程图

根据前面的软件结构图，设计了软件的流程图，如图3所示。

4.2 数据库系统的设计

采用Microsoft ACCESS设计了数据库。数据库主要存放实时采集的遥测遥信量。根据遥测遥信量的特点和故障诊断对数据信息的要求，数据库采用关系型结构。表的结构为:数据日期—数据时间—数据值。回龙抽水蓄能电站有两台机组，因而需要设计两组数据表。每组包含两个表:一个存放机组发电工况数据;另一个存放机组水泵工况数据。

4.3 故障诊断与状态维修界面

根据机组状态信息、故障诊断结果和人工选择输入的故障现象，系统自动完成故障诊断和状态维修，并输出故障原因和维修措施。

5 结论

本文开发了抽水蓄能机组故障诊断和状态维修系统。根据抽水蓄能机组的特点确定了检测信息，并给出了相关信息的检测方法。建立了抽水蓄能机组故障诊断与状态维修的Petri网模型。设计开发了回龙抽水蓄能机组故障诊断与状态维修系统。该软件系统已经投入实际使用，运行效果良好。

［1］陆佑楣，潘家铮.抽水蓄能电站［M］.北京:水利水电出版社，1992.

［2］刘巍，朱名日，鲁骏.远程故障诊断维护系统数据传输策略的研究与实现［J］.计算机工程与科学，2008，30(7):24－26，64.

［3］王忠勇，张振兴，段琳琳，等.基于故障树的某型舰炮故障诊断系统的设计与实现［J］.郑州大学学报:工学版，2010，31(3):46 －49.

［4］张书涛，刘延斌，贾晨辉，等.复杂设备的网络化远程监控及故障诊断系统［J］.河南科技大学学报:自然科学版，2010，31(6):19 －24.

［5］苏静，刘跃军，刘峰.一种实时故障监测系统的设计［J］.河南科技大学学报:自然科学版，2010，31(2):36－38.

［6］刘佳，马崇启.基于WebService和OPC的纺纱设备远程故障诊断系统［J］.纺织学报，2011，32(5):130－134.

［7］张伟，吴玉林，陈乃祥，等.蓄能机组主轴密封故障监测与诊断［J］.农业机械学报，2001，32(1):2－55.

［8］吴中雄.广州蓄能水电厂球阀振荡问题的探讨［J］.水电站机电技术，2007，30(1):23－24.

［9］杨斌，周喜军.抽水蓄能电站机组主轴密封等热电阻故障分析及防范措施［J］.华东电力，2010，38(7):1109－1101.

［10］陈启卷，张军仿，张超.基于故障树的抽水蓄能电站球阀故障诊断研究［J］.水力发电，2010，36(5):50－52.