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摘要：水轮发电机组是大型机电能量转换装置，其运行的安全性与稳定性直接关系到水电站的经济效益和社会效益。近年来，科学技术不断进步，尤其是信息技术迅猛发展，给水轮发电机组运行的实时监测创造了有利条件。受到诸多因素的影响，使得水轮发电机组常常出现振动等故障，严重影响了机组的正常运行状态，对我国整个国民经济带来了不利影响。因此需要对水轮发电机组振动故障进行实时监测，及时发现问题、处理问题，提高维修的针对性。本文就水轮发电机组振动在线监测和故障诊断进行了研究分析。
关键词：水轮发电机组；振动；在线监测；故障诊断
一、引言
水轮发电机组振动检测与故障诊断具有一定的复杂性与多样性，为确保水轮发电机组正常的运行，就必须对其进行全面、深入的研究与分析。目前我国水电站中的水轮发电机组运行状态监测和故障诊断的技术和方已经难以满足当今新时期的电力系统的需求，需要实现有效的机组状态监测与故障诊断，保障机组水电站以及電力系统的安全性与可靠性。本文提出了一种神级网络与专家系统混合的智能监测与诊断系统，实现了数据采集和信号分析功能，能对机组振动等故障进行实时监测与诊断，能将机组受到的破坏降到最低。
二、水轮发电机组振动故障分析
（一）水轮发电机组结构
水轮发电机组分为同步水轮发电机和异步水轮发电机，目前我国大多数水电站采用的是同步水轮发电机。同步水轮发电机由转子、定子、机架、导轴承、制动器以及推力轴承组成。
（二）水轮发电机组振动故障的特点
（1）渐变性
水轮发电机组的转速往往比其他旋转机械的转速较低，使得水轮发电机组振动故障属于渐变性或者耗损性故障，突发恶性事故较少，振动故障往往是从一个量变到质变的渐变过程。
（2）复杂多样性
据大量实践表明，水轮发电机组振动故障出现的原因基本有三种，即机械振动、水力振动以及电磁振动。这就使得机组振动机理十分复杂，可能是机械、水力以及电磁中其中一种引起的振动，也可能是三者相互作用引起的。再加上大型水轮发电机组结构尺寸较大，机组系统是耦合的庞大体系，具有一定的非线性。
（3）不规则性
受到水电站施工地理位置、地质条件以及经济技术的影响，那么这些因素也会对水轮发电机组运行状态造成影响。由于每个水电站都是专门设计的，使得不同水电站的水轮发电机组振动情况不尽相同，可比性较差，可见其振动故障具有不规则性。
（三）水轮发电机组故障诊断方法
（1）传统故障诊断方法
过去对水轮发电机组故障诊断方法实施的是定期检修，即检修时间一到不管机组有无故障都必须停机检修。在这样的模式下，检修操作人员只能靠以往的经验和现场机组状态进行观察做出结论，难以真正检测到机组中存在的隐性故障，无法确保水轮发电机组运行的安全性与稳定性。
（2）人工智能技术故障诊断方法
目前基于人工智能故障诊断主要有两类，一是基于知识的故障诊断，二是基于智能模型式识别的故障诊断。基于知识信息处理系统实质也称为专家系统，采用模块化结构和人类的逻辑思维，推广于不同的诊断对象。智能模糊识别故障诊断是对一系列过程参量进行监测，从测量空间映射到故障空间，实现故障诊断。
三、水轮发电机组在线监测与故障诊断需求研究
（一）水轮发电机组在线监测的特点
水轮发电机组状态监测与诊断往往会涉及到机组运行状态信息数据的测量、采集、记录、处理、传递以及存储等。随着计算机技术的进步，为实现水轮发电机组状态在线监测与故障诊断创造了良好的条件。水轮发电机组在线监测与故障诊断系统往往需要满足以下特点：
（1）响应速度快
水轮发电机组状态监测系统具有实时性和高速性。操作人员利用计算机相关技术，采用人机联系设备，对机组运行状态进行实时监测，在控制指令发出后往往能在3s左右得到响应。机组运行状态变化时，计算机系统可以以最快的速度对其进行显示和记录，加上该过程有大量的数据进行计算，要求该系统具有足够快的响应速度。
（2）可靠性高
为确保机组振动故障诊断系统的稳定运行，首先就需要确保机组监测系统的可靠性。在配置该系统过程中，往往需要采取可靠性强的措施，以保证系统各部分均能分别进行维护与更换。
（3）可维修性好
如果监测系统发现某个部位故障时，要求能及时地确定故障点，并尽快进行维护或者更换。因此应该尽量简化模块的种类和结构，其需要具有报警和自诊断功能。
（二）水轮发电机组在线监测与故障诊断系统结构
传统水轮发电机组振动在线监测与故障诊断系统基本都是采用单机式集中控制系统，利用变送器和传感器将所有监测机组的状态参量、电量以及非电量信号收集到计算机中，并按照相关规定进行计算、判断和维修。由于该集中控制系统具有较多的缺陷，如果中央控制计算机一旦出现故障，那么整个生产过程就会瘫痪。
在这样的发展背景下，多机分布式系统应运而生，其主要特点是功能分布性、地域分散性。在多机分布式系统中，各机组状态量和各系统智能处理单元都可以独立进行数据的采集、计算和处理，减轻了中央计算机的负担。同时各子系统和智能单元往往可以通过网络与上位机系统通信，使得该系统具有诸多优点，如共享性强、监测容量大、覆盖面广、抗故障能力强、便于集中管理等。水轮发电机组多机分布结构主要由监测系统现地单元、状态监测历史站、状态监测系统局域网、状态监测操作人员、专家系统分析站以及远方专家系统分析站等组成，能更加准确、更加及时地完成各工况下机组的监测和故障诊断与定位，弥补了传统单机式集中控制监测系统的不足。
（三）系统硬件配置和网络方案设计
（1）系统硬件配置
硬件设备是机组状态监测与故障诊断系统实现的前提，如何针对系统功能要求，选择相应的计算机设备，是目前水电站和电力企业共同关注的问题。在机组振动在线监测和故障诊断系统硬件配置时，应该根据该系统需要实现的功能、特点以及满足的要求进行设计。本设计中，该系统硬件配置主要由上位机、状态监测单元、Web服务器、工业控制网络以及远方专家系统组成。该系统监测与故障诊断主要是利用工业控制网络将各地状态监测单元与中控室上位机连接，对机组运行状态进行实时监测，判断监测信号所处状态，并采用服务器连接远方专家系统，实现远程故障诊断。
（2）通信网络方案选择
对于现地状态监测单元和上位机系统之间信息的连接与通信，往往需要通信设备进行连接。由于水轮发电机组状态监测系统的结构是分布式的，加上总体结构的性能与通信系统密切相关，因此需要根据实际情况选择适合的通信网络方案，以确保各单元信息和数据之间更好的传递。
四、总结
水轮发电机组振动在线监测与故障诊断是一个复杂而庞大的系统工程。在信息技术飞速发展下，为机组运行状态实时监测和故障诊断创造了有利条件，使定位机组故障位置，维护、检修、更换机组设备操作向综合化、智能化、网络化方向发展，提高了维修性，确保了机组运行的安全性与可靠性，为实现水电站和电力企业最大化经济效益奠定了基础。
参考文献：
[1]孔祥彬. 水轮发电机组状态监测与故障诊断系统设计与应用[D].西安理工大学，2010.
[2]陈顺永. 水轮发电机组状态监测与故障诊断方法[J]. 甘肃科技，2010，22：70-71+64.
[3]王青华，曾辉，张书友. 水轮发电机组现场振动故障诊断[A]. 中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集2011[C].中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会：，2011：6.
关键词：水轮发电机组；振动；在线监测；故障诊断
一、引言
水轮发电机组振动检测与故障诊断具有一定的复杂性与多样性，为确保水轮发电机组正常的运行，就必须对其进行全面、深入的研究与分析。目前我国水电站中的水轮发电机组运行状态监测和故障诊断的技术和方已经难以满足当今新时期的电力系统的需求，需要实现有效的机组状态监测与故障诊断，保障机组水电站以及電力系统的安全性与可靠性。本文提出了一种神级网络与专家系统混合的智能监测与诊断系统，实现了数据采集和信号分析功能，能对机组振动等故障进行实时监测与诊断，能将机组受到的破坏降到最低。
二、水轮发电机组振动故障分析
（一）水轮发电机组结构
水轮发电机组分为同步水轮发电机和异步水轮发电机，目前我国大多数水电站采用的是同步水轮发电机。同步水轮发电机由转子、定子、机架、导轴承、制动器以及推力轴承组成。
（二）水轮发电机组振动故障的特点
（1）渐变性
水轮发电机组的转速往往比其他旋转机械的转速较低，使得水轮发电机组振动故障属于渐变性或者耗损性故障，突发恶性事故较少，振动故障往往是从一个量变到质变的渐变过程。
（2）复杂多样性
据大量实践表明，水轮发电机组振动故障出现的原因基本有三种，即机械振动、水力振动以及电磁振动。这就使得机组振动机理十分复杂，可能是机械、水力以及电磁中其中一种引起的振动，也可能是三者相互作用引起的。再加上大型水轮发电机组结构尺寸较大，机组系统是耦合的庞大体系，具有一定的非线性。
（3）不规则性
受到水电站施工地理位置、地质条件以及经济技术的影响，那么这些因素也会对水轮发电机组运行状态造成影响。由于每个水电站都是专门设计的，使得不同水电站的水轮发电机组振动情况不尽相同，可比性较差，可见其振动故障具有不规则性。
（三）水轮发电机组故障诊断方法
（1）传统故障诊断方法
过去对水轮发电机组故障诊断方法实施的是定期检修，即检修时间一到不管机组有无故障都必须停机检修。在这样的模式下，检修操作人员只能靠以往的经验和现场机组状态进行观察做出结论，难以真正检测到机组中存在的隐性故障，无法确保水轮发电机组运行的安全性与稳定性。
（2）人工智能技术故障诊断方法
目前基于人工智能故障诊断主要有两类，一是基于知识的故障诊断，二是基于智能模型式识别的故障诊断。基于知识信息处理系统实质也称为专家系统，采用模块化结构和人类的逻辑思维，推广于不同的诊断对象。智能模糊识别故障诊断是对一系列过程参量进行监测，从测量空间映射到故障空间，实现故障诊断。
三、水轮发电机组在线监测与故障诊断需求研究
（一）水轮发电机组在线监测的特点
水轮发电机组状态监测与诊断往往会涉及到机组运行状态信息数据的测量、采集、记录、处理、传递以及存储等。随着计算机技术的进步，为实现水轮发电机组状态在线监测与故障诊断创造了良好的条件。水轮发电机组在线监测与故障诊断系统往往需要满足以下特点：
（1）响应速度快
水轮发电机组状态监测系统具有实时性和高速性。操作人员利用计算机相关技术，采用人机联系设备，对机组运行状态进行实时监测，在控制指令发出后往往能在3s左右得到响应。机组运行状态变化时，计算机系统可以以最快的速度对其进行显示和记录，加上该过程有大量的数据进行计算，要求该系统具有足够快的响应速度。
（2）可靠性高
为确保机组振动故障诊断系统的稳定运行，首先就需要确保机组监测系统的可靠性。在配置该系统过程中，往往需要采取可靠性强的措施，以保证系统各部分均能分别进行维护与更换。
（3）可维修性好
如果监测系统发现某个部位故障时，要求能及时地确定故障点，并尽快进行维护或者更换。因此应该尽量简化模块的种类和结构，其需要具有报警和自诊断功能。
（二）水轮发电机组在线监测与故障诊断系统结构
传统水轮发电机组振动在线监测与故障诊断系统基本都是采用单机式集中控制系统，利用变送器和传感器将所有监测机组的状态参量、电量以及非电量信号收集到计算机中，并按照相关规定进行计算、判断和维修。由于该集中控制系统具有较多的缺陷，如果中央控制计算机一旦出现故障，那么整个生产过程就会瘫痪。
在这样的发展背景下，多机分布式系统应运而生，其主要特点是功能分布性、地域分散性。在多机分布式系统中，各机组状态量和各系统智能处理单元都可以独立进行数据的采集、计算和处理，减轻了中央计算机的负担。同时各子系统和智能单元往往可以通过网络与上位机系统通信，使得该系统具有诸多优点，如共享性强、监测容量大、覆盖面广、抗故障能力强、便于集中管理等。水轮发电机组多机分布结构主要由监测系统现地单元、状态监测历史站、状态监测系统局域网、状态监测操作人员、专家系统分析站以及远方专家系统分析站等组成，能更加准确、更加及时地完成各工况下机组的监测和故障诊断与定位，弥补了传统单机式集中控制监测系统的不足。
（三）系统硬件配置和网络方案设计
（1）系统硬件配置
硬件设备是机组状态监测与故障诊断系统实现的前提，如何针对系统功能要求，选择相应的计算机设备，是目前水电站和电力企业共同关注的问题。在机组振动在线监测和故障诊断系统硬件配置时，应该根据该系统需要实现的功能、特点以及满足的要求进行设计。本设计中，该系统硬件配置主要由上位机、状态监测单元、Web服务器、工业控制网络以及远方专家系统组成。该系统监测与故障诊断主要是利用工业控制网络将各地状态监测单元与中控室上位机连接，对机组运行状态进行实时监测，判断监测信号所处状态，并采用服务器连接远方专家系统，实现远程故障诊断。
（2）通信网络方案选择
对于现地状态监测单元和上位机系统之间信息的连接与通信，往往需要通信设备进行连接。由于水轮发电机组状态监测系统的结构是分布式的，加上总体结构的性能与通信系统密切相关，因此需要根据实际情况选择适合的通信网络方案，以确保各单元信息和数据之间更好的传递。
四、总结
水轮发电机组振动在线监测与故障诊断是一个复杂而庞大的系统工程。在信息技术飞速发展下，为机组运行状态实时监测和故障诊断创造了有利条件，使定位机组故障位置，维护、检修、更换机组设备操作向综合化、智能化、网络化方向发展，提高了维修性，确保了机组运行的安全性与可靠性，为实现水电站和电力企业最大化经济效益奠定了基础。
参考文献：
[1]孔祥彬. 水轮发电机组状态监测与故障诊断系统设计与应用[D].西安理工大学，2010.
[2]陈顺永. 水轮发电机组状态监测与故障诊断方法[J]. 甘肃科技，2010，22：70-71+64.
[3]王青华，曾辉，张书友. 水轮发电机组现场振动故障诊断[A]. 中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集2011[C].中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会：，2011：6.