特高压直流换流站调相机振动监测与故障诊断系统研究

特高压直流换流站调相机振动监测与故障诊断系统研究

刘晓锋1刘一丹2卢修连1高远1

（1.江苏方天电力技术有限公司江苏省南京市211102；

2.国网江苏省电力有限公司检修分公司江苏省南京市211102）

摘要：特高压直流换流站是特高压工程的重要部分，调相机对于无功补偿电网电压稳定有着决定性作用。调相机作为特高压系统中最重要的旋转设备，振动安全至关重要。基于计算阶比跟踪振动信号分析技术和嵌入式数字信号处理系统研制了调相机振动监测与故障诊断系统。对其进行实时在线监测、远程故障诊断、故障预警和治理，保证调相机可靠运转，保证电网运行平稳可靠。

关键词：特高压直流；调相机；振动；计算阶比跟踪；嵌入式系统

ResearchonRotaryCondenserVibrationMonitoringandFaultDiagnosisSystemforUHVDCConverterStation

LIUXiaofeng1，LUXiulian1，LIUYidan2，GAOYuan1，HEXiaofenglian1，MAYunxiang1，HELipeng1，

（1.JiangsuFrontierElectricTechnologyLtd，Nanjing211102，China；

2.StateGridJiangsuElectricPowerCo.，Ltd.MaintenanceBranch，Nanjing，211102，china）

Abstract：TheUHVDCconverterstationisanimportantpartoftheUHVproject.Therotarycondensermasterdevicehasadecisiveeffectonthevoltagestabilityofthereactivecompensationnetwork.AsthemostimportantrotatingequipmentinUHVsystems，vibrationcontrolisofparamountimportance.Basedonthecomputationordertrackingalgorithmandtheembeddeddigitalsignalprocessingsystem，thevibrationmonitoringandfaultdiagnosissystemoftherotarycondenserwasdeveloped.Real-timeonlinemonitoring，remotefaultdiagnosis，faultearlywarningandmanagementtoensurethereliableoperationoftherotarycondenserhavegreateconomicandsafetysignificance.

Keywords：UHVDC；Therotarycondenser；Vibration；ComputationOrderTrackingalgorithm；embeddedsystem

引言

随着特高压交直流电网的快速发展和清洁能源的大规模开发，电网运行特性发生了深刻变化，交流与直流、送端与受端相互影响，交直流故障连锁反应机理复杂，一旦直流系统出现故障，将从电网吸收大量无功，甚至可能引起区域性电压凹陷，给电网安全运行带来重大影响。为了保证电网运行平稳可靠，至关重要的就是建设新型调相机，解决无功与电压的问题，起到“定海神针”的作用[1-2]。

目前根据冷却方式不同，调相机主要有两种主要形式，双水内冷和空冷方式。由于冷却方式不同，造成了结构形式的大不相同，轴系振动特性也呈现不同的特征。比如双水内冷发电机励端轴振虚假信号问题，强力磁状态下调相机转子热膨胀不均匀引起的振动问题[3]。

目前仅少量调相机投入商业运行。特高压换流站配套工程要求调相机具有暂态迅速反映能力。调相机作为旋转机械，振动信号能够更迅速，更直接的反映机械设备的运行状态，据统计70%以上的旋转机械故障都是以振动形式表现出来的。因此调相机的振动特性能否满足调节要求以及在运行中所暴露振动故障的机理研究是值得重点关注的学术问题。对其进行实时在线监测、远程故障诊断、故障预警和治理，保证调相机可靠运转，具有十分重大的经济和安全意义。

1调相机振动监测与故障诊断系统架构

图1调相机远程振动监测与故障诊断系统架构

Fig.1Vibrationmonitoringandfaultdiagnosissystemarchitecture

调相机振动监测与故障诊断系统主要实现振动和关键运行参数在线实时监测及数据远程分析诊断功能。图1为系统架构，分为三个层次，构建了调相机健康状态监测远程故障诊断云平台，实现大数据分析应用。物理层，基于嵌入式数字信号处理（DSP）系统实现调相机振动数据采集和计算阶比跟踪信号分析；数据层，主要构建云平台数据中心为大数据分析提供支持；应用层，实现数据发布和调相机故障远程故障诊断与服务。

2关键技术

2.1动态振动信号计算阶比跟踪技术

旋转机械的升、降速振动信号是典型的非稳定变频信号振动信息中包含有丰富的故障特征，是准确诊断机械故障所必需的。如果将其看作平稳信号直接进行频谱分析将产生严重的“频率模糊”，从而导致较大的误差甚至错误[4]。

对于调相机这种旋转机械设备，其振动与噪声信号的频率随着转速的变化而变化，计算阶比跟踪技术就是一种根据转速信号的频率变化对信号进行变速率采样技术。目前市场大多数振动在线监测系统采用传统的频谱分析方法（利用等时间间隔采样），这种分析方法对稳定工况的设备具有较好的效果，但是对于旋转机械在某些工况下出现的故障状况，比如启动、停车、加负荷过程，很难通过单纯的某一时段信号的频率分析找到确定的故障频率成分，甚至信号频率成分不断变化，会产生明显的“频率模糊”现象，阻碍分析人员判断。计算阶比跟踪技术通过等角度采样方法归一化转频，刚好避免了转速变化带来的频率模糊问题，此技术也是国外高端振动分析仪器厂家（CSI，BK，NI等）普遍采用的一种振动分析方法[5]。

图2等时间采样与等角度采样原理

Fig.2Equaltimesamplingandequiangularsamplingprinciple

计算阶比跟踪算法主要是确定重采样的时间点，得到重采样时间点后利用插值算法对振动信号进行插值，可以求出振动信号角域里面对应采样时间点的幅值，然后再对其进行快速傅里叶变换（FFT），结果即为重采样信号的阶次谱。与频率分析相比，阶次对应着频率，角度对应着时间[6-7]。发明专利[3]公开了，计算阶比跟踪算法。图3为计算阶比跟踪算法的计算流程图，目的是实现精确的等角度采样，也就是转轴每转动一次，采样点对应于转轴上的角度差是一致的，在转轴上位置是固定的，从而实现准确的整周期同步采样。图4为等时间间隔采样信号分析结果频谱图中明显出现了频率模糊现象，而图5经过计算阶比跟踪算法，等角度重采样信号的分析结果振动故障频率清晰可见。

2.2嵌入式数字信号处理系统

嵌入式数字信号处理系统专门针对调相机振动、转速、温度、电流、电压、功率等状态信号进行采集分析。硬件系统整体框图如图6所示。系统采用嵌入式数字信号处理芯片（DSP）+现场可编程门阵列芯片（FPGA）双核模式。DSP负责振动信号分析处理，包括键相转速计算和基于DSP的计算阶比跟踪算法[9-10]。

图6嵌入式数字信号处理系统框图

Fig.6Embeddeddigitalsignalprocessingsystemblockdiagram

键相通道可以接收电涡流、接近开关、光电等传感器信号，信号经过调理电路后变成标准的TTL电平，经过模拟信号数数字信号（AD）转换以后变成数字信号进入FPGA系统。

振动通道可以接收电涡流、加速度、速度等振动传感器信号，信号经过调理电路后变成AD可以接收的电平信号，AD模数转换以后振动模拟信号变成数字信号进入FPGA系统。FPGA负责振动信号信号同步采集。DSP根据采集到的数据再进行计算阶比跟踪运算，得到振动的波形、频谱、幅值和相位。图7所示为键相信号与振动信号的关系。由于DSP是使用嵌入式SYS/BIOS实时操作系统，实时性响应更好。因此可以采用完全无间隔连续采样的模式对信号进行阶比跟踪运算[11]。

图7键相信号和振动信号的关系

Fig.7Relationshipbetweenkeyphasesignalandvibrationsignal

2.3系统软件技术

系统的设计开发中，主要采用了B/S工作模式、JavaEEMVC设计模式、MySQL数据库，如图8所示[11]。

图8基于JavaEEMVC设计模式

Fig.8BasedonJavaEEMVCdesignpattern

为了保证电网设备的信息安全，系统也采用了单向隔离网闸，物理隔离。设计开发的跨网闸数据传输程序部署在数据采集部分。支持振动量数据、过程量数据跨网闸传输，实现网闸两端的镜像服务器与前端服务器数据实时同步。

图9网闸文件搬运

Fig.9Gatekeeperfilestransfer

传统的网闸数据传输采用文件搬运方式，如图9所示。它的弊端是磁盘过度读写损坏；网络中断时，内网数据写满服务器崩溃；振动波形频谱等大数据文件传输时会出现读写冲突[12]。系统基于网闸的数据传输系统，结构化动态振动信号数据，序列化后传输。采用自定义UDP传输协议，内存缓存数据（无文件）收发双方直接通信的方式（经网闸隔离）；保障通信的实时性，整个过程中不产生任何磁盘文件。

图9振动远程监测系统数据流图

Fig.9Vibrationremotemonitoringsystemdataflowdiagram

系统软件是基于计算机和单片机的集散型主从分布式系统，可以自动采集、记录和分析与设备安全有关的主要状态参数，包括振动、转速、位移、温度和压力等，快速准确地把握设备的运行状态。它可以及时捕获振动故障原始信息，预告故障的存在和发展。可以成功地捕获设备的振动故障，为保障设备的安全运行和指导设备状态检修及故障处理发挥着重要作用。

本系统实现的主要功能有：

a）智能鉴别抓取异常数据。基于概率分布的异常数据识别与抓取算法，扫描原始连续时间序列振动信号。减小常规数据高密度存储对系统资源的占用。实现振动故障记录追忆，完整复现振动发生前，发生过程中的关键数据。

b）多信息融合相关分析。通用外部接口，支持OPC、Modbus、TCP等通讯协议，采集调相机关键运行参数和状态量与振动信号多信息融合，进行相关趋势分析。

c）实时监测机组运行状态，以多种图谱的形式展现给用户，实现的图谱有：多趋势图、Bode图、波形图、频谱图、瀑布图、层叠图、极坐标图、轴中心位置图、键相图、特征量列表、单值棒图。图10~图11显示了部分振动分析图谱。

d）数据上报功能。可以将数据上报到集团公司，也可以构建专门的远程数据中心，远程中心的专家可以在异地远距离实时监测、评估和故障诊断，参与决策处理。

图10综合分析图谱

Fig.10Comprehensiveanalysisplots

图11波形频谱图轴心轨迹图

Fig.11wave、spectrumandobitplots

3结论

调相机作为特高压直流系统的主设备，目前投入运行的特高压直流300MW空冷和双水内冷调相机均为世界首创，其运行过程还未经历极端工况的考核以及长期运行的可靠性还有待验证。

研发的调相机远程振动监测与故障系统，将计算阶比跟踪振动分析算法集成在嵌入式DSP芯片中，结合设备的运行参数，多信息融合评估，及时发现具有趋势性、苗头性、突发性的故障，实时发布预警报告，能够为调相机状态评估和检修提供技术支持，保障设备安全、可靠、经济、高效运行。

调相机远程振动监测与故障系统的应用表明，计算阶比跟踪算法能够精确提取故障振动特征，嵌入式DSP+FPGA双核架构采集分析系统实时、可靠、坚固小巧特别适合分布式测量。今后的研究，将在多信息融合、数据挖掘和人工智能诊断方面完善系统。

参考文献：

[1]张宁宇，刘建坤，周前，等.同步调相机对直流逆变站运行特性的影响分析[J].电力工程技术，2016，35（3）：17-20.

ZHANGNingyu，LIUJiankun，ZHOUQian，etal.AnalysisontheImpactofSynchronousCondenseronDCInverterOperatingCharacteristic[J].ElectricalEngineeringTechnology，2016，35（3）：17-20.

[2]王雅婷，张一驰，周勤勇，等.新一代大容量调相机在电网中的应用研究[J].电网技术，2017，41（1）：22-28.

WANGYating1，ZHANGYichi1，ZHOUQinyong1，StudyonApplicationofNewGenerationLargeCapacitySynchronousCondenserinPowerGrid[J].PowerSystemTechnology，2017，41（1）：22-28.

[3]陈非，张柏林，李明，等.两种大型调相机结构特点及振动问题分析[J].山东工业技术，2016（24）：239-239.

CHENFei，ZHANGBailin，LIMing，etal.Analysisofstructuralcharacteristicsandvibrationproblemsoftwokindsoflargescalecameras.ShandongIndustrialTechnology，2016（24）：239-239

[4]赵晓平，张令弥，郭勤涛.旋转机械阶比跟踪技术研究进展综述[J].地震工程与工程振动，2008，28（6）：216-219.

ZHAOXiaoping，ZHANGLingmi，GUOQintao.Advancesandtrendsinrotationalmachineordertrackingmethodology[J].JournalofEarthquakeEngineeringVibration，2008，28（6）：216-219.

[5]MingAB，ZhangW，QinZY，etal.Improvedcomputingordertrackingmethodanditsapplications[J].JournalofVibration&Shock，2015，34（4）：40-47.

[6]WangJ，PengY，QiaoW.Current-AidedOrderTrackingofVibrationSignalsforBearingFaultDiagnosisofDirect-DriveWindTurbines[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2016，63（10）：6336-6346.

[7]WangY，XuG，LuoA，etal.Anonlinetacholessordertrackingtechniquebasedongeneralizeddemodulationforrollingbearingfaultdetection[J].JournalofSound&Vibration，2016，367（2016）：233-249.

[8]刘晓锋，卢修连，秦惠敏，等.旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法：CN，CN103234627A[P].2013.

LIUXiaofeng，LUXiulian，QINHuimin，etal.Synchronoussamplinganalysismethodforrotatingmechanicalvibrationsignal：CN，CN103234627A[P].2013.

[9]侍洁.基于DSP和FPGA汽轮机振动检测系统的设计与开发[D].南京，南京理工大学，2016：10-12

SHIJie.DesignanddevelopmentofturbineandvibrationdetectionsystembasedonDSPandFPGA[D].NanjingUniversityofScienceandTechnology，2016：10-12

[10]冯超.基于多核DSP的高性能处理平台设计[D].天津，天津大学，2016：7-9

FENGChao.High-performanceprocessingplatformdesignbasedonmulti-coreDSP[D].TianjinUniversity，2016：7-9

[11]刘晓锋，卢修连，何利鹏，等.汽轮发电机组远程振动监测新技术研究与应用[C]//江苏省电机工程学会火电专委会年会.2013.

LIUXiaofeng，LUXiulian，HELipeng，etal.Researchandapplicationofnewtechnologyforremotevibrationmonitoringofsteamturbinegeneratorset[C]//AnnualMeetingofThermalPowerSpecialCommitteeofJiangsuElectricalEngineeringSociety.2013.

[12]崔恒香，冯径，马玮骏，等.基于隔离网闸的异构数据库同步技术研究与实现[J].软件工程，2016，19（2）：10-13.

CUIHengxiang1，FENGJing1，MAWeijunetal.ResearchandImplementationofHeterogeneousDatabaseSynchronizationBasedonNetgap[J].SoftwareEngineering，2016，19（2）：10-13.

作者简介：

刘晓锋（1976—），男，博士，高级工程师，研究方向为旋转机械振动监测与故障诊断；

卢修连（1963—），男，硕士，高级工程师，研究方向为汽轮发电机组振动；

刘晓锋，刘一丹（1971—），男，硕士，高级工程师，从事特高压直流运维检修工作；

高远（1978—），男，本科，高级工程师，从事汽轮发电机组调试工作。