收稿日期：2014-10-12
摆度
作者简介：周玉明（1975-），男，工程师，
从事水电检修管理工作。GMH550测振测摆系统在株溪口水电厂的实践与应用 周玉明
（五凌电力有限公司工程公司机电分公司，湖南长沙410004）
摘要：就株溪口水电厂状态监测系统实际改造和使用情况，对状态监测系统在水电厂的实践与应用进行了详细的分析与总结，为发电厂状态监测系统对水力机组的正常运行及故障判断分析提供了宝贵的数据支撑，并为以后更好的在流域电厂应用和推广打下了一定的基础。关键词：状态监测；实践；应用 中图分类号：TV737
文献标识码：B
文章编号：1672-5387（2014）06-0064-06
1工程概况
株溪口水电厂位于湖南省安化县境内资水流域中游，是以发电为主、兼顾航运等综合效益的水电工程。河床式电站地面厂房内装设4台18.5MW 灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量74MW，年发电量为2.952亿kW ·h，年利用小时数为3989h，保证出力为15.6MW。工程于2005年11月下河施工，于2008年机组全部投产发电。机组额定转速为93.75r/min，额定功率为18.5MW，设计水头为6.1m，设计最高水头为9.5m，转轮叶片数为3片。
株溪口水电厂之前机组测振测摆系统存在功能简单、软件功能低等诸多设备问题，特别是测振测摆装置经常死机，信号抗干扰能力差，无法满足现场实际使用需求，尤其是无法满足电厂“远程集控、无人值班、少人值守”的经营理念。从2012年开始，我公司对测振测摆系统实行了分批改造，引入了GMH550在线监测系统，更换了所有原测振测摆传感器和测振测摆装置，同时在原有测点的基础上，增加了受油器摆度（2个）、灯泡头振动（1个）、发导振动（2个）、水导振动（1个）、转轮室振动（1个）等测点，此外还增加了部分压力测点；在监测系统中引入了部分压力及有功功率、励磁电流、导叶开度等特征量，使得在线监测设备的监测功能更完善，并且在中控室增加了一台数据服务器，
在中控室进行振动、摆度数据监测，满足电厂“无人值班、少人值守”的需要。同时又将振动、摆度数据通过串口通讯传输至监控系统，以满足电厂“远程集控”的需求。
2系统功能简介
本次换型改造选用了北京中元瑞讯科技有限公司自主研发的针对水轮发电机组现场应用的GMH550状态监测产品，该产品除具备对水轮机、发电机的实时在线监测、分析与诊断功能外，还具备特有的智能诊断分析报告系统，可以帮助试验人员或技术管理人员即时掌握和判断机组故障及健康状态，保证机组的安全、经济运行；机组现场试验支持系统涵盖了大部分稳定性试验模板，利用本系统现场工程师简单操作即可进行常规试验。
GMH550水力机组状态监测系统，可实现对水力机组的振动、摆度、压力脉动、定转子气隙、发电机磁场强度等物理量的准确测量，同时可以获取计算机监控系统的相关监测数据信息。为机组建立功能全面、实用性强的故障诊断分析系统，提供实时监测、报警、振动保护、故障诊断分析、智能诊断报告等一系列工具和手段，从而快速准确地完成现场试验及机组故障诊断任务。
GMH550水力机组状态监测系统主要包含以下几个基本功能：
（1）实时监测与趋势分析功能；（2）数据分析功能；（3）智能诊断功能；（4）机组试验功能；（5）数据管理功能；
第37卷第6期
水电站机电技术
Vol.37No.62014年12月
Mechanical &Electrical Technique of Hydropower Station
Dec.2014
图3状态监测实时监测画面
（6）数据通讯功能；（7）故障录波及事故追忆。
3现场布置与安装
株溪口水电厂目前2、3号机组已经更换改造完毕，这两台机组的现地下位机设备共用一台屏柜，放置在2号机组机旁小室旁，每台机组都采用一套独立的振动、摆度系统，每套系统由DMC100型主控站、DMS100型数据采集器、专用PCB 端子排及数据连接线、DES 24V 电源模块、DES 12V 电源模块等设备组成。整体设备结构图如图1。
单台机配置测点24个，包括受油器X、Y 摆度，发导X、Y 摆度，水导X、Y 摆度，发导X、Y 振动、组合轴承X、Y、Z 振动，水导X、Y 振动，转轮室X、Y 振动，灯泡头振动、定子机座Y 振动、导叶前压力脉动、导叶后压力脉动、尾水管压力脉动、水头差压、有功功率、励磁电流和导叶开度。其具体的测点配置图如图2。
4系统运行实践与应用
一套良好的设备对于电厂安全生产技术管理部门来讲会极大节省机组调试参与的人力和调试时间，同时也可以降低机组设备检修难度。作为现场设备，在保证稳定良好、操作便捷的基础上，应合理融合机组监测、实验、诊断技术模型，有效输出调试和检修结论、数据和图表，最大限度的避免和减少人工分析和经验判断。
下面结合电厂实际情况对在线监测设备在电厂运行实践和应用做详细说明。4.1实时监测及趋势分析的应用
GMH550具备对机组当前的运行状态进行同步监视和显示的功能，它以数值、
曲线、
图表等各种形图1
设备结构图
图2
测点布置图
式，将机组的各种状态分析数据，通过多个不同的页面展现给用户。实时监测系统同时会将各通道的报警状态在监测终端同步显示，通过对这些实时画面的监测，运行人员很容易根据这些状态判定是否需要检修维护人员参与机组检查调整，能够有效的避免严重事故的发生。同时监测画面具备文字提示或变图标显示，对于数值超标的信号，画面上会有及时清晰的显示和提醒，方便运行人员及时发现问题。4.2数据分析功能的应用
数据分析功能指系统将已经存储的历史数据，经过某些特定算法的加工，
以曲线、图形、表格、文字的形式提供给分析人员，以帮助用户分析机组的运行状况以及发现故障。该功能是专门提供给现场专业工程师或行业专家的高级分析工具，使用者需要具备一定的专业知识。
GMH550系统提供了大量丰富的分析诊断工具，包括时域波形曲线、功率谱分析、阶次比幅值分析、阶次比相位分析、频谱阵列图分析、转速级联图分析、轴心轨迹分析、轴线姿态分析等，通过这些工具的有效组合，可以对机组的运行状态进行判断。
电厂转轮室振动数值一直偏大，通过时域波形曲线和阶次比幅值分析可以看出，转轮室振动的频率主要为3×（桨叶频率），说明引起转轮室振动的原因主要是由于桨叶开口调整不一致所致，这也是电厂在日后检修中应该注意的地方。
4.3智能诊断功能的应用
诊断功能指系统应能根据故障机理提供一套针对水轮发电机组的运行状态进行分析诊断的诊断系统，并在操作系统控制下，随实时任务自动地选取合适的数据，进行自动分析和诊断，并给出分析诊断结果的功能。在线诊断过程不影响实时系统的运行，整个分析过程系统能够自动完成而无需人工操作。在线诊断能周期性的或依赖命令起动。在线诊断能指明故障范围和故障类型，
作为一个结果产生报警。GMH550的智能诊断分析系统是一套全新模式的自动诊断分析系统，它可以自动检查机组运行健康状况，并挖掘问题数据，排查相关部件故障原因，定期使用智能诊断分析系统制作机组诊断分析报告，还可以将机组问题消除在萌芽阶段，避免恶性事故发生。其所生成的诊断分析报告直接针对现场需求，不必经过复杂的分析诊断机理培训和学习，只需比较数据和读取诊断结论，使涵盖众多专业方向的现场试验简单化。
GMH550状态监测系统提供的自动报告系统包括以下3个大的方面：
①状态评价报告：包含振摆压力评价报告、开/停机评价报告，水力能量参数特性报告等；
②故障诊断报告：电磁振动分析报告、质量不平衡分析报告、盘车效果分析报告等；
③发电机转子评价报告：包括开/停机转子变形评价、定子热变形评价、过速和甩负荷磁极伸长评价等
报告。
这些报告不仅是对存储数据的简单评价，而且
是对机组更为全面和深层次的诊断和评价。该自动
图4
转速级联图和空间轴线画面
图5转轮室X、Y 振动时域波形和阶次比幅值分析
水电站机电技术
报告以内建的故障模型为基础、经计算获得故障特征参数后，以统计和数据挖掘后获得的可靠的标准样本数据为依据，给出了机组深层故障的判定结论，同时提出了具备实用价值的检修指导意见。
以下是电厂2013年10月3号机组B 修结束后通过采集的数据自动生成的电磁振动分析报告，报告不仅对引起电磁振动的各种原因都做了明确的分析，而且分析诊断的结论清晰明确，通俗易懂，同时还对检修提出了指导意见，为我厂后续检修工作提供了参考意见。
图6
4.4机组试验功能的应用
水力机组现场试验是一项重要且繁重的工作，对水电厂的技术管理者来说，简化试验的程序并快速获取准确的试验结果是很重要的。
GMH550状态监测系统提供了大量的机组试验模块，包括稳定性试验模块：变速试验、空转试验、变励磁试验、空载试验、变负荷试验，开机试验，停机试验，过速试验，甩负荷试验，空载扰动试验，发电机升流试验，发电机升压试验，相对效率试验，盘车试验，动平衡试验，导叶漏水量试验等，
试验操作步骤简单，只需按照试验条件提示，选择测点布置、试验参数配置和工况，对试验数据采样即可完成一次试验，并且试验完成后系统能自动生成试验报告，报告支持转换为WORD 文档。
电厂2013年3号机组B 修结束后于10月31号进行了甩负荷试验，
采用GMH550状态监测系统对试验进行了全程录波，试验后甩负荷试验报告即自动生成完毕，试验报告不仅简单的对振摆数值进行了简单的监测，还加入了很多关键技术参数指标的监测和计算，通过报告可以一目了然的对试验效果进行判断，
快捷方便。图8
4.5数据管理功能的应用
在线监测系统从故障诊断和状态分析的应用出发，设计出一套能够满足在线监测和现场试验的存储策
略，实现有效状态信息的自动记录和手动录波，包括开/停机过程、稳态过程、工况波动过程、故障数据以及试验数据。
GMH550
状态监测系统在数据存储方面提供了
图7
现地试验模块
全面丰富的存储手段：
（1）在线监测实时数据，存储机组当前运行的状态数据；
（2）在线监测稳态数据，负荷、开度稳定后记录，等时间间隔和报警触发、功率变化等多种存储策略。等时存储时间间隔默认为20min （可调）；
（3）在线监测暂态数据，高密度存储机组开/停机、变负荷、变励磁、甩负荷过程、事故停机过程的数据(连续存储，分辨率2ms)；
（4）异常特征数据，保存机组发生报警时刻的全部波形数据和全部特征数据；
（5）事故追忆数据，以高密度保存全部原始波形和特征参量(连续存储，分辨率1ms)；
（6）存储和实时显示报警事件，按条目累积可查询；
（7）现场试验数据，包括变转速试验、变负荷试验、变励磁试验、甩负荷试验以及其他稳定性试验，手动进行开始和结束，所有数据高速连续存储(连续存储，分辨率1ms)。
通过上述策略，可以把机组的运行状态完整的记录下来，即使机组突发异常，也能够详尽的记录机组出现异常前后的数据，确保数据分析的完整性，此外GMH550状态监测系统能实时监测硬盘的容量信息，当其容量不够时自动向使用者发出警告信息；能自动和手工备份数据，数据库具备权限认证功能，只有经过权限认证的用户才能访问关键数据，确保了数据存储的安全性。对于存储的历史数据，系统具备数据自动压缩和稀疏功能，确保了数据库不会过于庞大。同时对于存储的数据还提供了丰富的数据查询功能，如查询最大、最小等数值，还可以按条件进行查询，方便运行人员查特征数据。
4.6数据通讯功能
GMH550状态监测系统能够方便地与电厂监控系统、电厂MIS 系统、生产信息管理系统或其他测
量装置（如局放检测装置、变压器油谱在线监测装置）进行双向数据通讯，
以实现数据共享。GMH550状态监测系统通过通讯方式从监控系统获取诸如瓦温、油温、定子温度等参数，以便对数据进行综合分析；另外，系统还可以将状态监测系统测量得到的机组摆度、振动、压力脉动、气隙、局放量等参数和报警信息传送到监控系统中。
GMH550状态监测系统提供的规约包括Mod-bus-RTU(主站、从站)、Modbus-TCP(主站、从站)、CDT (循环远动)规约和IEC61850通讯协议。
5系统建成后的效果
测振测摆在线监测系统自改造后，在目前的实际使用和运行过程中，其性能和功能较原系统都有非常明显的提高，其主要表现有如下几个方面：
（1）系统运行的可靠性和稳定性有了明显的提高。GMH550状态监测系统的采集设备采用的是高集成、低功耗、无风扇的设计，发热量低，系统在防尘防静电方面有了很大提升，
工业级设计，可靠性高，抗干扰能力强，大大降低了设备的故障率。同时系统软件中具有完备的系统自检功能，有利于及时发现和查明设备故障点，从而大大提高了系统运行的可靠性。
（2）数据测量精度和可靠性有了大幅的提高。GMH550状态监测系统的采集系统采用的是高分辨率和高精度、低噪声的16位AD 系统，采样精度非常高，同时信号处理方面，采用多达16阶的线性相位滤
波器，提高了信号分析的准确度，
每路通道具有独立的模数转换采集芯片，
单通道采集速度达20kHz，确保了采集数据的精确可靠。在数据存储过程中引入了置信度的算法，降低了冲击信号对机组数据存储的影响，
提高了数据存储的稳定性和可靠性。
图9
稳态数据列表
图10
起停机数据列表
图11试验数据列表水电站机电技术
（3）系统功能更加全面和实用。GMH550状态监测系统不仅可以对机组振动、摆度、压力等信号进行实时的监测，而且可以通过对机组状态的监测分析，制作相应的状态报告，尽早发现潜伏性故障，提出预报警，避免发生严重事故，保证机组的安全、经济运行。利用监测系统提供的分析诊断功能，在关键设备检修前对机组和主变的缺陷和故障进行分析诊断定位，可以直接确定检修的方向和方法。而在检修完成时，用户可以再次使用系统提供的分析诊断功能，对比修前修后特征参数的变化，结合修前修前后机组性能曲线的对比，就可以直接和科学的对检修效果做出评价。系统提供的现场辅助试验功能模块，非常全面而且操作简单，试验结束后可以立即出具试验报告对机组的性能状态进行评价，这个功能在电厂2、3号机组检修中已经得到了非常好的应用，效果非常明显。利用机组正常的开/停机、变励磁、变负荷等数据，还可以对机组的盘车效果进行检验，对电磁拉力、质量不平衡等对机组运行的影响作出明确的评价，为机组稳定运行提供了部分可靠依据。
（4）系统操作，专业性要求低，无需经过复杂的分析机理培训。GMH550状态监测系统的实时监测画面非常直观，对于有超标的测值，软件会自动会把测得的数据通过变、报警等方式通知运行人员，大大降低了对运行人员专业技能的要求。便捷的自动报告生成系统，需要生成一份状态报告时，使用人员无需进行设置、选择数据等复杂操作，只需选择相应的报告模板即可一键完成一份报告的制作。
6运行过程中存在的问题与不足
GMH550状态监测系统在我厂投运已有一段时间，虽然其功能很全面，对机组检修效果的评价也起到了一定的作用，但在目前的使用过程中还存在以下几个方面的不足：
（1）状态监测系统虽然具备故障诊断功能，但基本处于故障之后的历史数据分析诊断，并不能在发生严重事故之前做到跳闸停机，应结合机组实际运行数据，制定合理的报警规则，能够有效的提前发现隐情，避免重大事故。
（2）GMH550状态监测系统提供的功能虽然很全面和快捷，但目前在电厂使用中真正用到的功能却不多，仅用到了其实时在线监测、数据查询及部分试验功能，大部分功能都没有使用到。如何能够更好的发挥其在故障诊断、机组状态监测等方面的功效还有待进一步提高。
（3）目前电厂的机组检修工作还是主要以计划性的全面检修为主，并没有很好的结合机组实际情况，
根据状态监测设备的分析与诊断制定针对性极强的状态性检修，离实现状态检修的最终目标还有一定的差距。
7结束语
通过二年来的现场运行，GMH550测振测摆状态监测系统在机组检修、安全经济运行以及机组故障诊断等方面正在发挥越来越多的作用。作为现场设备，在保证稳定良好、操作便捷的基础上，有效输出调修结论、数据和图表，最大限度的减少了人工分析和经验判断。目前该监测系统还处于进一步改进和探索阶段，还需加强对机组运行数据进行累计，以发挥其对机组长期稳定运行起到的重要指导作用，为实现机组状态检修打下坚实基础。
参考文献：
[1]北京中元瑞讯科技有限公司.GMH550产品手册[Z].
[2]湖南五凌电力工程有限公司.株溪口机组测振测摆系统改
造工程竣工报告[R].2012.
[3]株溪口水电厂.株溪口水电厂2号、3号机组测振测摆系统
改造技术方案[Z].2012.
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