CN102707680B - 水电机组全方位一体化协同在线监测系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水电机组全方位一体化协同在线监测系统。该系统包括综合单元、控制单元、机械单元及电气单元等，运用团队智能技术将各监测单元集成为一个有机的机组监测团队，监测单元之间通过实时交互、信息共享、行为协同，共同实现水电机组全方位一体化协同监测。该系统实现了水电机组水力、机械、电气、控制及辅助设备等的全方位监测，通过工况同步、异常事件同步等技术实现了多来源、多时标、异构的机组状态数据的有机融合，并关联工况事件与异常事件信息及实时信号特征识别技术实现了状态数据的选择性智能存储。该系统具有全方位、一体化、行为协同、高可靠等优点。

Description

水电机组全方位一体化协同在线监测系统及使用方法

技术领域

本发明涉及一种在线监测系统，尤其涉及一种水电机组全方位一体化协同在线监测系统及使用方法，属于在线监测领域。

背景技术

自上世纪90年代以来，旨在提高水电机组运行可靠性和经济效益的“状态检修”成为研究的焦点，以掌握水电机组健康状况为目标的状态监测技术取得了长足的发展与进步，多种水电机组状态监测系统投入工业应用。这些系统可以归纳为两类：一类是专项监测装置，对水轮发电机组或其中某个设备的某项（类）状态进行监测，如加拿大VibroSystM公司的发电机气隙监测系统（AGMS）、加拿大IRIS公司的便携式局部放电监测仪（PDA）、华中科技大学HSJ机组振摆监测系统等。另一类是集合监测系统，即将多个专项监测装置集合到同一网络平台上，如加拿大VibroSystM公司的水轮发电机组在线监测与诊断系统（ZOOM）、北京华科同安公司的TN8000水电机组状态监测分析故障诊断系统、北京奥技异电气技术研究所的PSTA2003网络化全状态监测系统等。

水电机组是一个由水力、机械、电气、控制和辅助设备构成的强耦合复杂大系统，牵一发而动全身，所以不仅需要对机组进行全面的监测，而且要求将各项监测集成在同一平台上，并实现信息共享和行为协调（如同步采集、同步存储、关联分析等）。上述的专项监测装置和集合监测系统都无法满足要求：

(1)没有实现全面监测。虽然部分系统称具有实现全状态监测能力，但均未实现，普遍没有对控制设备和辅助设备的监测，而这些设备不仅对机组的安全和可靠性至关重要，而且故障率高、维护密集（maintenanceintensive）（相对水轮机、发电机等主机而言）。

(2)没有关联协同机制。在集合监测系统中，虽然各监测装置的监测数据在带上GPS时标后可以集合起来，开展关联分析，但由于各监测装置独立采集、存储、分析，相互间没有协同机制，经常出现在对同一事件进行分析时因为数据不完整而无法关联的问题。

(3)没有实现多源一体化。机组状态数据来源多样：其一为控制系统采集的状态数据，分为微秒级的保护系统数据（保护录波装置等）、毫秒级的闭环调节系统数据（调速器、励磁调节器等）和秒级的监控系统数据（监控现地控制单元等）；其二是各在线监测装置采集的状态数据，有纳秒级的局部放电数据、微秒级的声波数据、毫秒级（可达0.1毫秒）的机械状态数据；当前的各种水电机组全方位一体化协同在线监测系统不能有效解决机组多源多尺度异构状态数据的有机融合问题。

为此，迫切需要发明更先进的水电机组全方位一体化协同在线监测系统，旨在实现水电机组水力、机械、电气、控制及辅助设备等的全方位监测，建立各专项监测装置之间关联协同机制，并实现多来源、多时标、异构机组状态数据的有机融合，这对提高分析与诊断结果的准确性、全面性与可信性以及设备的可靠性与可利用率，减少维护成本从而逐步实现机组的状态维修等具有十分重要的意义。

发明内容

为了改进现有技术的不足，本发明提供了一种水电机组全方位一体化协同在线监测系统及使用方法，技术方案如下文所述。

本发明提供的水电机组全方位一体化协同在线监测系统，利用带物理隔离的单向现场总线通讯实现监测系统、监控LCU、调速器和励磁调节器之间的连接，其特征在于：所述监测系统包括综合单元、控制单元、机械单元与电气单元，其中，四个监测单元彼此之间通过CAN网与以太网相连接，综合单元又通过机组监测局域网与光纤收发器连接至远程维护网，所述控制单元连接一调速器、一励磁调节器及一信号传感与调理器，所述机械单元连接一机械单元信号传感与调理器，所述电气单元连接一电气单元信号传感与调理器与变压器油监测系统，所述综合单元连接监控LCU与故障录波装置。

优选的，通过上述结构，所述四个监测单元通过实时现场总线与以太网被集成到统一的平台上，构成监测系统，每个监测单元对相应子系统或设备进行在线监测，同时与其它监测单元进行实时信息交互、协同合作、关联同步动作及信息共享，共同实现水电机组全方位一体化协同监测。

优选的，上述控制单元对机组控制设备进行在线监测与分析。

优选的，上述综合单元还包括对辅助设备的在线监测，所需信息均来自监控LCU，所述辅助设备包括油系统、顶盖漏水与排水系统及技术供水系统等。

优选的，上述在线监测系统的监测包括一体化监测和协同监测，通过工况同步、异常事件同步及时间同步技术实现了多来源、多时标、异构机组状态数据的有机融合。

优选的，上述一体化监测是指通过工况同步、异常事件同步及时间同步技术实现了多来源、多时标、异构机组状态数据的有机融合，由综合单元进行统一组织、存储与管理，从而确保这些数据与工况事件、异常事件的关联性。

本发明同时提供了一种如上述的水电机组全方位一体化协同在线监测系统的使用方法，

所述工况同步指的是实时辨识机组工况事件后，各监测单元能够同步进行数据采集与记录；

所述异常事件同步指的是实时辨识机组异常事件后，各监测单元能够同步进行数据采集与记录；

所述时间同步指的是各监测单元及其采集的状态数据均能在时钟上与GPS同步对齐。

优选的，上述协同监测指的是运用团队智能技术将各监测单元有机集成为一个机组监测团队，监测单元之间既能进行实时信息交互、信息共享与行为协同，又能同步响应机组发生的异常事件、工况事件等，实现同步采集、同步存储及关联分析。

优选的，上述团队智能指的是若干能力与专长互补的成员按照组织、分工、协同和制约，通过信息与资源共享及彼此之间的交互过程实现一个负有共同责任的目标时所释放出来的智能；

所述工况事件与异常事件的实时识别在毫秒级内完成；其中，异常事件包括监控系统辨识的各种状态越限、开关异常动作以及在线监测系统检测出的状态越限、性能降低或性能越限；

所述工况事件为停机等待、开机过程、空载过程、并网过程、负载过程、加负荷过程、减负荷过程、解列过程和停机过程。

与目前存在的各类机组在线监测系统比较，本发明具有以下优点：

1、全方位监测，监测对象包括了水电机组水力、机械、电气、控制及辅助设备等各方面状态，为开展机组的综合分析与诊断提供全面的数据源。

2、一体化监测，实现了机组多来源、多时标、异构状态数据的有机融合，为开展设备关联分析提供了高质量的数据源。

3、协同监测，将团队智能技术运用于机组在线监测，所有监测单元构成一个有机的机组监测团队，可以更有效地进行实时交互、行为协同与信息共享。

4、充分的数据共享，一方面各个监测单元构成一个信息与资源共享的有机整体；另一方面通过现场总线通讯方式与监控LCU、调速器及励磁调节器等数字化设备实现信息共享。

5、高可靠性，选用的传感器、采集卡及工业计算机等硬件设备均具备较高的运行可靠性，同时传感器本身及其安装方式均不影响机组的可靠性，通过带物理隔离的单向通讯方式与监控LCU、调速器及励磁调节器等控制设备进行信息共享，使信息只能由控制设备向机组在线监测系统单向流动，反方向不存在信息流动的物理链路，保证控制设备的信息安全与可靠。

6、信息交互的及时性，监测单元之间实时信息交互的精度可达毫秒级。

7、行为协同的速动性，机组工况事件与异常事件的实时辨识与同步可在毫秒级内完成。

8、选择性智能存储策略，机组在线监测系统的数据量是巨大的，对于存储介质是个极大的挑战，通过关联机组工况事件与异常事件信息及实时信号特征识别技术，实现了机组状态数据的选择性智能存储，一方面尽可能地有效保存机组综合分析与诊断所需的状态信号特征，另一方面最大限度地节约了存储空间。

9、进一步提高了分析结果的可靠性与可信性，由于实现了机组状态数据的有机融合，保证了不同子系统之间运行状态的有机关联，能够对水电机组开展综合分析与诊断，可以进一步提高分析与诊断结果的可靠性与可信性。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

附图标记：1-综合单元；2-控制单元；3-机械单元；4-电气单元；5-控制单元信号传感与调理器；6-机械单元信号传感与调理器；7-电气单元信号传感与调理器；8-变压器油监测系统；9-监控LCU；10-调速器；11-励磁调节器；12-故障录波装置；13-CAN网；14-机组监测局域网与光纤收发器。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，在通过带物理隔离的单向现场总线通讯与监控LCU8、调速器9及励磁调节器10等已有数字化设备充分共享状态信息的基础上，通过实时CAN网13与以太网14将综合单元1、控制单元2、机械单元3及电气单元4等监测单元集成到一个统一的平台且构成了一个有机的机组监测团队，每个监测单元都是该监测团队中不可或缺的一个成员，既专职于机组某个子系统或设备的在线监测，又能够与其它监测单元进行实时交互、信息共享、行为协同及关联同步动作，共同完成水电机组的全方位一体化协同在线监测。

本发明在通过带物理隔离的单向现场总线通讯与监控LCU、调速器及励磁调节器等已有数字化设备充分共享状态信息的基础上，将整个机组的在线监测按照监测对象或功能划分为综合单元、控制单元、机械单元及电气单元等四个监测单元，所有监测单元通过实时现场总线与以太网被集成到一个统一的平台上，构成一个有机的机组监测团队，每个监测单元都是机组监测团队中的一个成员，一方面专职于机组某个子系统或设备的在线监测，一方面与其它监测单元进行实时信息交互、协同合作、关联同步动作及信息共享，共同实现水电机组全方位一体化协同监测。

控制单元通过带物理隔离的实时现场总线或串口通讯方式获取调速器已采集的调速系统运行状态信息；通过带物理隔离的实时现场总线或串口通讯方式获取励磁调节器已采集的励磁系统运行状态信息；增加传感器及状态采集设备直接采集机组控制系统部分缺失或精度达不到设备分析要求的运行状态（如导叶主接力器位移、轮叶主接力器位移、导叶中间接力器位移、轮叶中间接力器位移、导叶主配压阀位移、轮叶主配压阀位移、导叶开腔油压、轮叶开腔油压、导叶关腔油压、轮叶关腔油压及滤网油压、转子电压、转子电流、发电机三相电压、发电机三相电流等）；在充分集成控制系统状态数据的基础上，对相关运行状态进行实时分析与处理，实现机械调速操作机构的运行状况与性能的监测与分析，以及励磁系统的运行状况与性能的监测与分析。此外，控制单元根据机组的运行状态实时判别机组的运行工况并实时计算各工况相应的性能指标，同时可以对机组发生的各类事件与运行工况做出同步响应，并结合事件信息、工况信息及信号本身的典型特征（如机组频率、电压发生了突变）实现原始采样数据、瞬变状态数据的关联同步采集与选择性智能存储。

机械单元采集与机组稳定性有关的运行状态信息（如机组大轴摆动、机架振动、支持盖振动、铁芯振动、水压力脉动、水轮机空化空蚀、发电机气隙与磁场强度等），利用时域分析、频域分析及小波分析等时频分析方法对相关运行状态进行实时分析与处理，实现机组稳定性及水轮机空化、效率与水压力脉动、发电机气隙与磁场强度的监测与分析。此外，机械单元可以对机组发生的各类事件与运行工况做出同步响应，并结合事件信息、工况信息及信号本身的典型特征（如振动、摆动峰峰值超过了一定的阈值）实现原始采样数据、瞬变状态数据的关联同步采集与选择性智能存储。

电气单元采集与机组定子绝缘、主变压器绝缘等有关的运行状态信息（如发电机局放、变压器局放、铁芯与夹件接地电流、套管末屏接地电流等），并通过现场总线与变压器油监测系统连接获取变压器油气相关状态信息；利用时域特征分析及基于信号知识库的实时识别与分类技术实现各类放电脉冲信号的有效识别与分类，并在此基础上实现机组定子绝缘、主变压器绝缘的监测与分析。此外，电气单元可以对机组发生的各类事件与运行工况做出同步响应，并结合事件信息、工况信息及信号本身的典型特征（如局放信号较大或变化率较大等）实现原始采样数据的选择性智能存储。

综合单元通过带物理隔离的实时现场总线或串口通讯方式获取监控LCU已采集的机组大部分运行状态信息；作为整个监测系统的数据仓库，负责实时接收其他三个监测单元实时上传的状态指标量数据、性能指标数据及其它分析结果；可以对机组发生的各类事件与运行工况做出同步响应，并结合工况信息与事件信息实现全方位、多时标机组状态数据的选择性智能存储；同时，通过实时现场总线或以太网通讯与其它特殊用途的监测装置（如故障录波）实现状态数据共享，在机组状态数据充分集成的基础上，进行集成监测、综合分析及故障诊断。此外，利用监控LCU的状态数据，综合单元实现了油系统、顶盖漏水与排水系统及技术供水系统的在线监测与分析。

全方位监测指的是对水电机组水力、机械、电气、控制及辅助设备等方方面面进行监测，其基本要点如下：

1、不仅实现了发电机、变压器、水轮机及机组稳定性等设备的在线监测，而且还实现了控制设备与辅助设备的在线监测。

2、控制设备的在线监测包括调速系统在线监测与励磁系统在线监测两部分内容。

3、辅助设备的在线监测功能包含在综合单元中，所需信息均来自监控LCU，没有增加额外的测点。辅助设备包括油系统、顶盖漏水与排水系统及技术供水系统等。

一体化监测指的是通过工况同步、异常事件同步及时间同步等技术实现了多来源、多时标、异构机组状态数据的有机融合，其基本要点如下：

1、将多来源、多时标、异构机组状态数据在综合单元内进行融合，由该监测单元进行统一组织、存储与管理，从而确保这些数据与工况事件、异常事件等的关联性。

2、工况同步指的是实时辨识机组工况事件后，各监测单元能够同步进行数据采集与记录。

3、异常事件同步指的是实时辨识机组异常事件后，各监测单元能够同步进行数据采集与记录。

4、时间同步指的是各监测单元及其采集的状态数据均能在时钟上与GPS同步对齐。

协同监测指的是运用团队智能技术将各监测单元有机集成为一个机组监测团队，监测单元之间既能进行实时信息交互、信息共享与行为协同，又能同步响应机组发生的异常事件、工况事件等，实现同步采集、同步存储及关联分析等。其基本要点如下：

1、团队智能指的是若干能力与专长互补的成员按照组织、分工、协同、制约等一系列人类团队运作机制，通过信息与资源共享及彼此之间的交互过程实现一个负有共同责任的目标时所释放出来的智能。

2、监测单元之间的实时信息交互，其精度可达毫秒级。高精度的实时交互能力可以有效提升监测单元之间信息共享与行为协同的速动性。

3、工况事件与异常事件的实时识别可以在毫秒级内完成；其中，异常事件包括监控系统辨识的各种状态越限、开关异常动作等以及在线监测系统检测出的状态越限、性能降低、性能越限等；工况事件为开机、空载、甩大负荷、甩小负荷、负载、加负荷、减负荷、停机等。

关联机组工况事件与异常事件信息并通过实时信号特征识别技术实现机组状态数据的选择性智能存储是本发明的显著特点，其基本要点如下：

1、当机组发生重要的工况事件时，保存工况事件过程时间段内的状态数据。

2、当机组发生异常事件时，保存异常事件过程时间段内的状态数据。

3、当机组状态信号本身的时域或频域特征出现较大变化时，保存特征变化时刻前后各一段时间的状态数据。

4、当机组处于稳态运行时，每固定周期（如30min）存储一段时间（如60s）的状态数据。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。

Claims (8)

1.一种水电机组全方位一体化协同在线监测系统，利用带物理隔离的单向现场总线通讯实现监测系统、监控LCU（9）、调速器（10）和励磁调节器（11）之间的连接，其特征在于：所述监测系统包括综合单元（1）、控制单元（2）、机械单元（3）与电气单元（4），其中，四个监测单元彼此之间通过CAN网（13）与以太网相连接，综合单元（1）又通过机组监测局域网与光纤收发器（14）连接至远程维护网，所述控制单元（2）连接一调速器（10）、一励磁调节器（11）及一控制单元信号传感与调理器（5），所述机械单元（3）连接一机械单元信号传感与调理器（6），所述电气单元（4）连接一电气单元信号传感与调理器（7）与变压器油监测系统（8），所述综合单元（1）连接监控LCU（9）与故障录波装置（12）；通过上述结构，所述四个监测单元通过实时现场总线与以太网被集成到统一的平台上，构成监测系统，每个监测单元对相应子系统或设备进行在线监测，同时与其它监测单元进行实时信息交互、协同合作、关联同步动作及信息共享，共同实现水电机组全方位一体化协同监测。

2.如权利要求1所述的水电机组全方位一体化协同在线监测系统，其特征在于所述控制单元（2）对机组控制设备进行在线监测与分析。

3.如权利要求1所述的水电机组全方位一体化协同在线监测系统，其特征在于所述综合单元（1）还包括对辅助设备的在线监测，所需信息均来自监控LCU（9），所述辅助设备包括油系统、顶盖漏水与排水系统及技术供水系统。

4.如权利要求1-3之一所述的水电机组全方位一体化协同在线监测系统，其特征在于：所述在线监测系统的监测包括一体化监测和协同监测，通过工况同步、异常事件同步及时间同步技术实现了多来源、多时标、异构机组状态数据的有机融合。

5.如权利要求4所述的水电机组全方位一体化协同在线监测系统，其特征在于：所述一体化监测是指通过工况同步、异常事件同步及时间同步技术实现了多来源、多时标、异构机组状态数据的有机融合，由综合单元（1）进行统一组织、存储与管理，从而确保这些数据与工况事件、异常事件的关联性。

6.如权利要求5所述的水电机组全方位一体化协同在线监测系统的使用方法，其特征在于：

所述工况同步指的是实时辨识机组工况事件后，各监测单元能够同步进行数据采集与记录；

所述异常事件同步指的是实时辨识机组异常事件后，各监测单元能够同步进行数据采集与记录；

所述时间同步指的是各监测单元及其采集的状态数据均能在时钟上与GPS同步对齐。

7.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于：所述协同监测指的是运用团队智能技术将各监测单元有机集成为一个机组监测团队，监测单元之间既能进行实时信息交互、信息共享与行为协同，又能同步响应机组发生的异常事件、工况事件，实现同步采集、同步存储及关联分析。

8.如权利要求7所述的使用方法，其特征在于：所述团队智能指的是若干能力与专长互补的成员按照组织、分工、协同和制约，通过信息与资源共享及彼此之间的交互过程实现一个负有共同责任的目标时所释放出来的智能；

所述工况事件与异常事件的实时识别在毫秒级内完成；其中，异常事件包括监控系统辨识的各种状态越限、开关异常动作以及在线监测系统检测出的状态越限、性能降低或性能越限；

所述工况事件为停机等待、开机过程、空载过程、并网过程、负载过程、加负荷过程、减负荷过程、解列过程和停机过程。