随着我国能源结构的不断调整,水电能源已成为构建现代多功能互补、供需协调智慧能源系统中的重要一环。大力开发水电能源对于推动我国能源绿色低碳发展,提高能源供应能力和优化能源布局起着重大战略意义。作为水电站能源转换核心设备,水电机组正向巨型化、复杂化、智能化方向发展,且机组结构日趋复杂,集成化程度越来越高,机组的安全问题日益凸显。同时,水电机组作为一类复杂非线性动力学系统,其运行过程受到水机电复杂耦合因素影响,机组振动信号通常呈现强非平稳、非线性特性,传统水电机组状态分析与故障诊断方法在准确表征故障与征兆间复杂映射关系,实现机组状态准确评估和故障精准诊断方面存在一定的理论和工程技术难点。因此,亟需探究新的状态分析与故障诊断方法,以提高故障诊断的可靠性和状态趋势预测的准确性,为事后维修决策和事前预知维护提供合理的指导意见。针对上述问题,本文围绕水电机组在非平稳信号分析与特征提取、故障检测与故障分类、以及状态趋势预测等工程应用中存在的关键问题,引入先进信号处理方法、非线性动力学理论以及智能故障诊断方法,以经验模态分解、多尺度非线性熵、基于互信息的最大相关最小冗余特征约简、极限学习机和随机森林等作为理论分析手段,探究并改进现有方法中存在的理论和应用不足,设计了水电机组非平稳振动信号分析的改进方法,提出了基于特征空间重构与多尺度排列熵的水电机组非线性特征提取方法,发展了故障检测、故障分类的两阶段综合故障诊断方法,构建了基于散布熵判别与极限学习机的水电机组状态趋势分段预测模型,为水电机组智能故障诊断和状态趋势预测领域的方法创新拓展了思路,并具有一定的工程应用价值。论文的主要研究内容及创新性成果如下:(1)针对经验模态分解中存在的端点效应问题,深入分析了端点效应产生的原因及对信号分解结果的影响,提出了基于极限学习机与镜像延拓的经验模态分解端点效应抑制方法。该方法有效融合了极限学习机延拓和镜像延拓两种单一延拓方法在抑制端点效应上的优势,在每一次筛选本征模态函数的过程中,完成信号极值点两阶段延拓。在第一阶段,利用极限学习机在数据预测上的良好性能,在信号极值点序列两端进行初步延拓;在第二阶段,利用镜像延拓方法对初步延拓后的极值点序列两端进行延拓,以避免在分解过程中极值点序列不足而导致包络线拟合失真的缺陷。最后,在仿真信号实验中,通过定性和定量对比分析,验证了所提方法的有效性。并将其应用于水轮机尾水管压力脉动信号分析,验证了其具有一定的工程应用价值。(2)考虑到强背景噪声干扰、多振源激励耦合作用下水电机组故障与征兆之间映射关系难以准确表征的问题,提出了一种基于特征空间重构与多尺度排列熵的水电机组非线性特征提取方法。该方法首先针对机组故障信号呈现的非平稳特性,且易发生模态混叠、能量泄露等现象,设计了基于集合经验模态分解的特征空间重构方法。该方法以能量为衡量标准,将与故障信息高度敏感的本征模态分量重构,实现故障特征的初步提取;同时结合多尺度排列熵在不同尺度检测信号动力学突变行为的优势,进一步对初步提取的重构特征空间进行多尺度排列熵分析,完成对机组故障特征的充分表征,通过国际标准故障诊断案例验证了所提特征提取方法的有效性和先进性。最终将所提方法成功应用于水电机组空化信号特征提取,表明了其工程实用性。(3)针对水电机组实际运行中多类故障的不同衍生和发展规律,深入考虑故障初步检测与不同故障类型、不同故障程度精准识别的实际诊断需求,提出了基于精细复合多尺度散布熵与快速集合经验模态分解的故障检测与分类的两阶段综合故障诊断策略。在故障检测阶段,考虑机组存在“正常”或“故障”状态的判别需要,探究了故障信号与正常信号对精细复合多尺度散布熵尺度因子具有不同敏感性的变化规律,提出了基于精细复合多尺度散布熵判据的故障检测方法,实现了对机组健康状况的快速判断。进一步,如果检测到故障,考虑到单一散布熵对不同故障种类和故障程度表征的不足,综合快速集合经验模态分解对复杂非线性信号高效处理性能以及精细复合多尺度散布熵在多个尺度度量信号不确定性或不规则性的优势,提出了一种基于快速集合经验模态分解与精细复合多尺度散布熵的广义多尺度特征提取方法,实现对故障特征的多维广域提取;考虑到所提取特征存在的高维、冗余特性,建立了基于互信息的最大相关最小冗余的最优特征选择和随机森林分类器的故障分类机制,实现了对不同故障种类、故障程度的准确分类。故障诊断实例表明,所提综合故障诊断策略能有效的实现对故障的检测与分类,为解决工程实际中的故障诊断问题提供了一种有效思路。(4)随着运行时间的不断积累,水电机组不可避免的存在性能下降、设备失效问题,结合机组运行状态特性,提出了一种基于散布熵判别与极限学习机的分段预测模型,实现对机组状态趋势的有效预测,以便及早捕捉异常征兆。该模型考虑极限学习机对不同波动趋势信号预测精度的不同,通过集合经验模态分解将表征运行状态的复杂信号序列的不同尺度波动或趋势逐级分解为不同本征模态函数分量,建立以散布熵为信号复杂度的衡量标准,对具有相近复杂度的本征模态函数分量整合预测,提高了预测精度,并降低了预测的复杂度,最后将各分段预测结果累加完成原始状态信号的预测。将所提预测模型成功应用于水电机组振动状态趋势预测,验证了其有效性。