水电厂智能化设备管理创新 - 图文

水电厂智能化设备管理创新

华能澜沧江水电有限公司小湾水电厂（以下简称“小湾电厂”）是澜沧江中下游河段规划“两库八级”开发中的龙头水库，也是国家实施西部大开发、“西电东送”战略的标志性工程。地下厂房内安装有6台单机700兆瓦的混流式水轮发电机组，多年平均发电量为189.9亿千瓦时。电站以500千伏电压等级接入电力系统，在系统中担任调峰、调频、调压和事故备用任务。

一、水电厂智能化设备管理创新的背景

1.小湾运维管理难度大。小湾电厂在单机容量700兆瓦的水轮发电机组中转速最高、定子线棒间距最小、转子高度最高、转子的压紧难度最大，采用全水冷发电机空气冷却器，推力轴承、水轮机转轮、蜗壳制作难度均居世界前列。机组最大水头（251米）与最小水头（164米）比值为1.53、变幅达87米；水轮机效率高达96.4%，转轮出水边较薄，是700兆瓦水轮机组中水头最高的水轮机；大坝建成时即为世界最高的混凝土双曲拱坝，在高水头水电站中泄洪闸门的孔口尺寸与运行水头最大，闸门的设计、制造和运行均没有成熟的经验。

2.孤岛运行模式对小湾设备的可靠性提出了更高的要求。为提高小湾外送能力，小湾电厂在每年汛期的高负荷阶段将在直流孤岛模式下运行，其中2013年9月11日至18日期间小湾在孤岛模式下运行共增发电量2.45亿千瓦时。但由于孤岛系统薄弱、有效短路比低，是南方电网安全稳定运行的头号风险，若因设备故障引起机组紧急停运，将对系统产生较大影响。

3.“创一流”工作的要求。作为华能集团公司创建国际一流电厂工作中唯一的水电试点单位，小湾电厂“一流的设备性能、一流的技术创新能力、一流的企业管理能力、一流的人才队伍、一流的经营业绩、一流的品牌形象”的创一流目标，也要求电厂必须满足无人值班（少人值守）技术条件，实现设备管理的智能化。

二、水电厂智能化设备管理创新的内涵

实行设备管理智能化，可以提高全厂设备故障诊断与优化运行的智能化水平。本次巨型水电厂智能化管理创新的目标是：

1.创新设备智能化管理模式，系统地实现设备智能化管理“看、想、做”的有机集成，达到从在线感知、智能分析到决策执行的有机统一。用全面覆盖的智能化在线监测系统作为在线感知，解决“看”的问题；用大数据智能化分析平台作为智能决策，解决“想”的问题；以巨型水电厂首次全方位的设备性能测试、设备管理与检修管理的标准化和信息化、员工培训智能化作为装备的自律执行，解决“做”的问题。（创新点一）。

2.开发动态数据分析平台，建立统一的数据中心，实现计算机监控系统、各在线监测系统、机组检修信息化系统等数据的整合，实现了设备自动预警、智能监盘、报表自

动生成、智能趋势分析等功能，创新了动态预警、动态报警、一键预警值设置等。（创新点二）。

3.根据分析结果开展相关工作，根据动态数据分析结果，开展水电站孤岛频率控制研究与应用，以及巨型水电厂的设备性能试验、全面掌握设备性能。（创新点三）。

4.实现设备管理可视化、标准化、信息化、智能化，建立缺陷可视化管理系统、机组检修信息化系统、图纸文档管理系统、员工在线考试系统、员工考评系统，并建立相应的运行维护管理标准和规范，推动设备管理的智能化。（创新点四）。

三、水电厂智能化设备管理创新的工作概况

1.领导重视，做好智能化设备管理的策划及实施。小湾电厂深刻认识到设备智能化管理的必要性,为确保工作的顺利推行，成立了由厂领导牵头的智能化设备管理领导小组，以及智能化设备管理办公室、检查评价组、检修标准化管理组、信息化管理组、智能化员工培训组，明确了相关人员的分工及职责，组织机构见图1。

图1：小湾电厂智能化设备管理组织机构图

2.统一思想，加大智能化设备管理的宣传培训力度。为使全厂员工熟知即将推行的智能化设备管理工作，利用专题讲座、专项培训考试等方式促使现场人员学习和掌握相关系统的功能及应用方法，加大开发应用过程的新闻宣传，各级领导带头示范并鼓励广大员工使用系统，改变全厂员工的思维模式和工作习惯。

3.迎难而上，攻克系统开发过程中的各类难题。相关系统开发初期出现了很多技术难题，如各子系统数据整合问题、数据存储空间问题、数据索引问题、设备定值自动生成实现困难等问题；系统试用期间也出现了部分软硬件不兼容、接口类型错误、程序BUG等问题。电厂每天召开碰头会，在全厂人员的共同协作努力下，攻克了各类系统开发应用难题。

4.善用成果，不断提升现场智能化设备管理水平。通过设备的智能化管理，电厂不断优化运行、维护、检修策略，实现设备管理的精细化和信息化，进而继续推动智能化设备管理水平的提升。

四、巨型水电厂智能化设备管理创新的主要做法 1.工况在线感知。（看）

图2：小湾电厂设备环境监控系统

设备管理工况在线感知的“感官”。

电厂在计算机监控系统的基础上组织开发了15个智能监测分析系统，作为智能化

图3：小湾电厂变压器色谱在线监测系统

图4：小湾电厂发电机局放在线监测系统

2.智能决策与控制（想）。

（1）小湾动态数据分析系统的开发。

由于电厂设备种类繁多，不同系统间数据可共享性差，2011年起小湾电厂历时三年组织开发出了设备动态数据分析系统（见图5）。

图5：小湾电厂设备动态数据分析系统曲线查询界面

（2）小湾动态数据分析系统主要功能。

1）各生产系统数据整合。将各生产系统数据进行整合，建立统一数据中心，数据两级压缩后优化存储与索引策略，便于数据查询和处理，并预留了以后可能接入该系统的接口。

2）自动报表功能。

系统通过对已整合数据的分析统计，自动生成生产概况、生产日报等35类生产报表，将生产人员从繁琐重复的统计工作中解放出来，也提高了报表报送工作的准确性。

3）运行数据趋势分析功能。

利用直方图、曲线图、散点图等工具对各过程量进行可视化分析，对运行数据的变化情况进行以日、周、月为周期的趋势分析，根据分析结果制定相关设备的经济寿命和维护、检修项目。

4）设备运行情况动态预警功能。

可根据不同机组、设备的实际工况调整预警定值，当监测的测点数字特征数值超过高限或低于低限时将自动预警（见图6），可在设备出现劣化趋势时提前预警，起到在线辅助监盘的作用，避免事故的发生。

图6：小湾电厂动态数据分析平台动态预警功能

（3）小湾动态数据分析系统创新功能。 1）设备定值动态生成。

可以依据实时数据的最大、最小值、区间值、量程范围等信息自动调整预警值，配合人工修正，实现设备正常运行区间监控与预警的动态调整、优化。

2）一键设置定值。

动态数据分析系统能够将以各测点一段时间内的平均值或峰峰值为基准，扩大或缩小一定比例作为各测点的定值并一键录入系统中，实现测点定值一键快速设置。

3）告警可区分机组状态。

动态数据分析系统能够区分机组状态的变化来选择不同的告警定值（目前主要划分为发电态定值和非发电态定值），更符合实际生产情况，避免因发电态和非发电态监测数据差异巨大造成告警不合理的情况。

（4）动态数据分析系统的使用效果。

该系统建立了统一的数据中心，实现了各在线监测系统数据的整合，运用建模思想，充分挖掘数据潜在价值，实现对全厂设备的智能化监控，为设备运行、维护、检修提供决策依据。

3.装备自律执行（做）。

（1）根据动态数据分析结果开展相关试验。 1）孤岛模式下机组频率控制方式的研究与探索。

根据动态数据分析系统分析，联网模式下的调速系统控制策略在孤岛模式下出现了负荷调节品质差、频率控制不稳定。特别是在孤岛直流停运后，机组出现了暂态高频、深度调相和频率过低等现象，严重影响机组安全稳定运行和电网事故恢复，极易造成厂网事故扩大。

电厂开展攻关，成功解决了传统水电站频率控制不适应孤岛控制要求的问题。该成果填补了国内调速系统孤岛控制策略的空白。

2）水轮机真机转轮动应力试验。

根据动态数据分析系统的趋势分析功能发现，小湾机组开机过程中，水轮机方面的振动及摆度出现增大现象，但是现有数据无法对原因进行准确判断。电厂通过真机转轮动应力试验，掌握了转轮在各工况下的动、静应力情况（转轮动应力分布见图7），通过开机规律优化方案（软开机），以减少开机过程中转轮各部位的动应力（开机规律优化前后对比见图8），转轮疲劳寿命可增加2倍。该软开机模式已经在三峡溪洛渡电厂等水电厂推广应用。

图7：小湾水轮机转轮动应力分布图

图8：小湾电厂开机规律优化前（左图）及优化后（右图）对比 3）机组全水头、全负荷段稳定性试验。

图9：小湾转轮动应力及相关部位压力脉动随机组出力的变化趋势

根据动态数据分析系统发现，机组在低负荷区域（非机组振动区）运行时，水轮机振动及摆度大，同时检修中发现转轮出现裂纹。针对该问题，小湾利用动态数据分析系统开展了机组全水头、全负荷段的稳定性试验，结合水轮机转轮动应力测试结果（图9），将小湾电厂单机运行区划分为四个区域（见图10）。通过上述区域运行时间的控制，使机组长期处于高效运行区，转轮裂纹明显减少。

图10：小湾电厂单机运行区域划分

（2）实现设备管理的精细化和信息化，推动智能化设备管理水平的提升。 1）定期工作管理及可视化规程颁布。

小湾电厂结合动态数据分析系统分析结果，梳理了运行、维护等相关定期工作，并信息化闭环控制；颁布了可视化巡回检查项目651项、可视化检修作业指导书54份、可视化维护工单1643项、可视化教学视频26项，并持续完善。

2）设备巡检智能化。

梳理了设备巡检工单440项，开发了智能化、可视化的设备巡检系统。运行人员巡检时，巡检终端会即时将检查结果通过网络自动上传到系统数据库中，系统可根据巡检数据直接生成设备巡检分析报表，以便于统计分析。

3）基础管理的不断提升。已建立健全主、辅设备技术台账1216个，实现设备技术台账的自动生成和自动关联，。完善设备备品备件定额3041项；进行智能仓库建设，低于预设值时自动报送物资采购计划。

4）开发其它信息系统，提升信息化管理水平。在计算机监控系统、在线监测系统整合的基础上，开发了检修管理信息系统、缺陷可视化管理系统、动态数据分析系统、图纸资料管理系统。利用信息化手段，改进管理方法，降低管理难度，实现智能化的全过程设备管理。

（3）实现员工培训的智能化，作为水电厂智能化管理的人才基础。

开发了视频教材、缺陷词典、可视化作业指导书、专业试题库，以及在线考试系统、员工考评系统，每月分专业组织员工进行在线考试，考试结果作为员工绩效考核的依据，促进员工专业技能水平的不断提高。其中在线考试系统已于2014年获得云南省QC成果一等奖。

（4）获得的专利及奖项。

共获得发明专利1项、实用新型专利4项，已公布发明专利3项，正在申请的专利4项。《用于孤岛模式下的水电机组调速系统的控制》获得国家知识产权局发明专利；《一种发电机空气冷却器防渗漏装置》，《一种闸门锁锭梁行走机构》，《一种推力粘滞泵泵瓦支撑座自润滑铜套结构》，《一种发电机大轴防补气阀漏水装置》获得国家知识产权局实用新型专利；已公布的发明专利有：《一种电站水轮机组的开机方法》，《一种筒阀的启闭控制方法》，《一种特高压直流输电线路的孤岛运行装置》；正在申请的专利有：水轮机运行区域划分（禁止运行区、限制运行区、振动区、稳定运行区），筒阀接力器位移接近开关，闸门原型观测测点布置，三维可视成像技术在闸门变形观测上的应用；《小湾电厂动态数据分析系统》获得第四届全国电力行业设备管理创新成果奖二等奖、全国电力企业信息化优秀成果奖二等奖。2015年1月，小湾电厂获得第五届全国电力行业设备管理先进单位称号。（供稿单位：中国华能集团公司）

面向智能水电站的远程监测与分析系统

随着智能电网的发展,智能水电站的建设将是今后的主要发展方向和全新目标。状态监测与故障诊断是实现智能水电站的重要手段。水电站设备之间关系密切，相互耦合构成有机整体，设备分析与诊断需要关联相关设备状态，从全局进行考虑。

为了全面准确地分析设备运行状态、评估设备健康状况，急需提供一个符合智能水电站要求的集成所有设备状态数据的一体化监测与分析平台。此外,让远程专家不用到现场通过网络就能实现设备分析与诊断，提高诊断效率，也是人们研究的热点。

在对当前设备故障诊断技术以及水电站监测与分析系统研究现状进行总结的基础上，结合葛洲坝水电站的设备分析需求，通过理论与实践相结合，开展了面向智能水电站的远程监测与分析系统研究。

分析了水电站设备故障的特点。在总结运行人员工作职责以及进行设备运行分析流程与方法的基础上，提出了能够模拟专家自动完成的水电站智能化设备运行分析方法：状态统计，通过状态周期性运行统计以及同工况运行统计，为设备运行分析提供数据支持；运行分析，关联设备工况与相关状态,通过工况关联阈值分析、关联分析以及趋势分析，评价设备健康状况，检测设备性能降低或故障；事件分析，通过设备故障树，对性能降低或故障事件进行分析，列出故障嫌疑设备；设备分析，采用基于诊断知识规则、基于仿真模型、签名分析以及交互式诊断等诊断方法，分析设备故障，确诊故障原因。并研究了方法的自动实现过程。

分析了智能水电站的特征，介绍了水电站现有的监测与分析系统，包括监控系统、状态监测系统以及离线分析系统，研究了面向智能水电站系统集成的必要性。

以机组集成状态监测系统为主体，通过信息共享、网络通信等技术，从现地层、厂站层以及企业层实现了各系统之间的集成，构建了水电站分层分布式一体化监测与分析系统，并采用时间同步、工况同步以及事件同步等手段，实现了各系统数据的有机融合与集成存储。

根据系统层次结构的功能需求，研究了一体化系统的数据层次组织策略，介绍了数据内容与组织形式。分析了一体化系统的安全现状，采用安全分区、硬件隔离等策略，实现了系统安全防护，安全测试结果表明系统运行安全可靠。

针对目前远程监测与诊断还需要专家到现场进行操作的不足，提出了远程零距离监测与诊断思想，即不用到现场通过网络就能实现远程监测与诊断，就像亲临现场一样，实现专家与现场零距离。

根据专家现场工作的需求分析，设计了包含远程零距离状态巡检、运行分析、试验分析以及故障诊断的功能框架。为了实现远程用户与系统的交互，建立了基于RIA的远程信息交换模型。

采用设备状态数字化、可视化导航以及系统状态自检测等手段，将设备状态、系统状态展示给专家，实现远程状态巡检；通过设备状态统计，集成阈值分析、关联分析以及趋势分析，为专家提供远程运行分析；系统自动识别机组“试验”(包括人工试验及正常运行经历的工况)、记录试验数据、计算试验性能指标、评价试验性能并生成试验报告，实现远程试验分析；提供原始数据提取、立体数据查询、故障特征分析以及故障诊断等功能应用，使得专家在远程就能进行故障分析与诊断。详细阐述了数据库、知识库设计以及功能实现方法。

面向智能水电站的一体化远程零距离监测与分析系统已在葛洲坝水电站成功应用。结合实例，介绍了远程零距离监测、分析与诊断应用成果，验证了系统的可行性和实用性。水电站一体化远程零距离监测与分析系统为专家进行设备远程综合监测、分析、故障诊断以及维护决策提供了交互式信息平台，为运行人员进行运行分析、把握设备健康状况提供了强有力的辅助工具，为实现智能水电站打下了坚实的基础。

小湾水电站机组轴电流保护分析

【摘 要】本文主要介绍了水轮发电机组轴电流产生的原因、危害，以及常规轴电流保护与小湾轴电流保护原理。并对小湾轴电流装置检测中存在的问题进行分析、解决。

【关键词】水轮发电机组；轴电流；转子；保护

0.引言

小湾水电站是西电东送的标志性工程，装设6台单机容量700兆瓦的混流式机组，保证出力185.4兆瓦，多年平均发电量190.6亿千瓦.时。作为南方电网重要的调峰、调频、事故备用水电站，对电网的安全稳定运行起着极其重要的作用。由于机组长期运行在水头变化大、调峰深度大、开/停机频繁等恶劣条件下，所以，如何有效避免轴电流的产生、预防轴电流产生后对机组的影响以及提高轴电流保护的可靠性成为电站的一项重要任务。

对于水轮发电机组而言，由于磁路的不对称，或者定、转子气隙的不对称，转子上、下两端大轴会感应出轴向电势，称为轴电压。轴电压含有基波分量、三次谐波分量和直流分量，对地轴电压沿着转子自上而下减小。正常运行时，由于大轴与轴瓦之间有油膜绝缘，轴承与支架间亦由绝缘材料连接，故轴电流没有流通路径，不会产生轴电流。当绝缘油膜遭到破坏或轴承有接地时，轴电流将流过轴瓦，由于大轴的内阻很小，尽管轴电压不高，但产生的轴电流仍可达几百安培甚至更大。一般地，若通过瓦面的轴电流密度超过0.2A/cm2，就可能对轴面引起交蚀，油膜遭到破坏，轴瓦发热，甚至瓦面烧花，危及机组安全稳定运行，因此，合理配置及装设可靠的轴电流保护装置尤为重要。

1.轴电流保护介绍 1.1常规轴电流保护

常规水轮发电机组常采用轴电流互感器（TA）对轴电流进行实时监测，并依据其精确感应出的基波轴电流和三次谐波轴电流来设置保护。机组轴电流保护使用大轴TA采集数据。其机组上导有一个绝缘碳刷与大轴连接，引出线与上导瓦连接，上导瓦与机架绝缘固定。接地碳刷与推力轴承之间的TA ，作用为测量电流作为轴电流保护的动作电流。上导瓦与机架绝缘破坏时，轴电压产生的轴电流会通过大轴、绝缘碳刷、上导瓦、机架、大地、接地碳刷形成轴电流回路，此时，轴电流保护装置将根据大轴TA 采集到的轴电流值动作于报警或停机。

1.2其他轴电流保护介绍

常规轴电流保护使用大轴TA，而现在比较新型的轴电流保护未使用传统型的TA，而是根据布置在大轴上的3把刷子接入保护装置，从而判断大轴与上导瓦之间的绝缘情况。第一把为铜片刷子，与发电机轴的滑环表层接触；第二把为轴领刷子，与上导的轴领滑环表层接触；第三把为大轴接地刷子，与下导轴承滑环表面接触并接地。

该轴电流保护原理为监测发电机大轴与上导轴领之间的绝缘电阻。该绝缘层（大轴与铜片之间的绝缘层）、中间的铜片和外绝缘层（铜片与上导轴领之间的绝缘层）组成，夹在轴和轴领之间。一旦发电机大轴与铜片之间绝缘遭到破坏，大轴感应电势就会通过大轴接地碳刷、大轴、内绝缘层、内绝缘层、铜片、铜片刷子、保护装置而未形成轴电

流回路，不仅保护了上导瓦面，还可以报警以提醒运行维护人员注意。只有当内绝缘层、外绝缘层、上导轴领与上导瓦之间油膜绝缘均击穿后，电流才形成回路。

2.小湾水电站机组轴电流保护装置及原理

小湾水电站发电机组轴电流保护与传统轴电流保护相似，机组轴电流保护使用TA进行数据采集，利用轴电流互感器检测出来的轴电流基波或三次谐波电流信号，来检测轴承绝缘状态。当电机轴绝缘底下或有击穿时，由于发电机轴承不对称，机轴将产生轴电流而损坏其绝缘，发生故障。其损坏程度将取决于轴电流的幅值和持续时间。安装灵敏的轴电流保护设备能保障发电机的安全运行，提前发现机轴的绝缘故障，以便采取相应措施。

2.1轴电流保护装置

小湾水电站采用BZL-10C型轴电流保护装置装置，主要应用于检测发电机大轴中的电流，防止轴承绝缘击穿时损坏轴承和其他部件。

2.2轴电流保护原理

BZL-10C型轴电流装置利用轴电流互感器检测出来的轴电流基波或三次谐波电流信号，来检测轴承绝缘状态。该装置是由：放大器、双通道滤波器、A/D转换、单片机智能分析判断控制及过电流动作等环节组成。

BZL-10C型轴电流继电器采用了两种工作方式，即按电流基波分量或电量的三次谐波分量进行检测动作。当电机内干扰磁场较强，且互感器输出电流中含有三次谐波分量时，仪器可同时测量50HZ和150HZ信号，电流信号经滤波器滤除50HZ或150Hz的杂散干扰电流，使继电器能够稳定的检测。当电机内磁场干扰甚小，而轴电流中又无谐波干扰时，仪器即按50HZ频率 轴电流进行监测。轴电流信号经50HZ工作通道，并滤除其它干扰，防止误动作，当前轴电流为50HZ和150HZ信号轮流显示，面板指示灯显示当前工作频率。

继电器从轴电流互感器CT中取出故障电流信号，经IC1放大后，送入50HZ和150HZ双通道滤波器中，双通道滤波器输出经整流合成后，分别送入两路A/D模数转换器，再送入MCU进行分析、判断、显示轴电流值，经MCU与两个故障电流的设定值进行比较后，送出控制信号触发相应的继电器CZ1，CZ2，以控制报警及跳闸等信号。

3.小湾机组轴电流保护存在问题 3.1测试电流值偏大

在机组检修后启动后，小湾机组轴电流测量结果偏大，超过了轴电流告警定值1.5A，甚至超过了跳闸定值2.5A。而根据相关规定，机组运行中需投入相应轴电流保护。因此，根据保护定值单，已将轴电流告警功能投入。但由于轴电流测值偏大，可能造成保护误动作而引起事故，故而将轴电流跳闸功能退出。既不符合相关要求，也可能

造成机组无轴电流保护运行，存在较大隐患，同时轴电流频繁告警势必对保护装置其他功能的正常工作造成一定的影响。

3.2可靠性不高

3号机组轴电流相对其他机组较小，尚未达到轴电流告警值。在机组转检修态以后，我们也对3号机组轴电流CT及轴电流装置的测量准确度进行了测试，其测值可以正确反映机组轴电流的大小。但这种通过轴电流装置接至保护装置的接线方式复杂，环节较多，可靠性与测量精度不高。并且发生轴电流告警后无法进行录波，不利于故障分析和处理。

4.改进措施

4.1 针对轴电流测值偏大的改进措施

在检修中针对轴电流测值偏大情况进行了检查，最后确定大轴补气位移传感器可能存在接地情况。将大轴补气位移传感器拆除后，轴电流测值明显偏小。而大轴补气位移传感器探头出现弯曲，并有磨擦痕迹。因此，判断为该传感器在机组运转过程中可能出现磨擦接地现象，将该传感器更换后正常。

4.2针对可靠性的改进措施

根据之前漫湾电厂轴电流装置改造的成功经验，将轴电流CT采样直接输出保护装置。小湾水电站使用的RCS-985发变组保护装置自带轴电流告警与跳闸功能，也能对轴电流采样中的基波（50Hz）与三次谐波（150Hz）分别进行测量，且其精度与可靠性比现有的轴电流装置要更高。因此，可直接将轴电流CT工作绕组输出接至该装置上，解除轴电流装置。由RCS-985GW发电机保护装置自带的轴电流保护功能实现机组轴电流告警与跳闸。

在改造完成后，使用继电保护测试仪在轴电流CT一次侧直接加量，并查看保护装置中的采样。同时在退出保护压板的情况下，验证轴电流保护告警、跳闸功能正常。

5.结束语

轴电流对机组影响较大，小湾水电站采用传统类型的轴电流保护装置，进行相应优化后，其可靠行得到了保证。

【参考文献】

[1]尹熬，朱麟.龙滩水电站机组轴电流保护.水电自动化与大坝监测，2010，2（34）。 [2]周建为.抽水蓄能机组轴电流保护.水电自动化与大坝监测，2003，27（1）。 [3]朱梅生，李志超，卢继平.水轮发电机轴绝缘监测方法及效果分析.电力系统保护与控制，2010，4（4）。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9wqf.html