當前我國大中型水電廠遵照原電力部1996年484號文的精神，正朝著“無人值班(少人值守)”的管理模式發展，根據部頒《水電廠“無人值班”(少人值守)的若干規定》，抓緊設備的技術更新改造，提高水電廠的安全經濟運行管理水平和綜合自動化的程度。機組運行設備狀態及其穩定性對電廠、電網的安全經濟運行至關重要，及早發現設備存在的隱患和缺陷，有針對性地進行設備的維護保養，實施以預測性維修體制，加強管理，將給電廠及電網帶來顯著的經濟效益和社會效益。為此，在現有機組運行設備的基礎上，特別是大型水輪發電機組，研究實施設備的狀態監測與診斷系統，實現水電廠運行設備診斷與維護高效管理，是十分迫切而又極為重要的任務。
　　本文在FDI系統應用推廣的基礎上［1］，根據我國大型水輪發電機組運行設備的特點和管理形式，從實際出發，結合電力系統和水電廠運行的實踐，特別是在已經或正在實施的監控系統和管理信息系統(即MIS系統)的大中型水電廠，研究提出一個水電廠大型水輪發電機組運行設備監測診斷、維護、管理(含調度)的集成化系統，以適應當前我國大電網的運行特點及發展，并供我國大中型水電廠實施“無人值班(少人值守)”的管理模式借鑒。

1　集成化的布置模式［2］
　　所謂集成化，就是將機組運行設備監測診斷、維護和管理（含調度)三者集成為一個統一的系統，從而在整體上獲得高性能、高利用率、高效益。監測診斷、維護和管理集成化是大電網高效能量管理的體現，也是電網調度自動化的發展趨勢。
　　實現以大型水電廠水輪發電機組運行設備為主的監測診斷、維護和管理的集成化主要是在建立實施設備狀態監測與診斷系統的基礎上與電廠的生產調度和管理信息系統(MIS系統)接口，實行電廠(或公司)維護管理領導決策，同時 通過廣域通訊接口到網、省局電力調度控制系統或系統診斷分析中心，實現電網高效能量管理，既遵循電力生產規律，實現電網高效率運行，又適應電力市場的原則。建立現代化電力運營機制，應建立大型水輪發電機組狀態監測與診斷系統的具體布置形式如圖1所示。

　　該系統的總體布置由信號源、信號輸入、狀態監測、診斷系統、信號通訊、管理與調度等部分組成。狀態監測與診斷系統是總體布置的主體結構。信號源是基于機組運行設備監測診斷需要獲取的設備(即水輪機及過流部件、導軸承及推力軸承、發電機及定轉子絕緣、調速器及勵磁、潤滑油油質及其他設備等)信號以及機組監控系統的有關信號。由設備狀態監測裝置進行信號采集及處理將選擇和檢測的機組狀態信號進行信號分析，輸入診斷分析系統，特征提取，對比識別，然后作出預測診斷，決策判斷機組運行設備的好壞，壽命長短，是否停機檢修或更新改造或改變機組運行條件。但是，該系統真正實施應用于現場，達到監測診斷、維護與管理的目的，還必須做大量的工作，解決幾個關鍵技術問題，即測點的選擇與布置、信號分析與處理、特征信號提取與故障類型的確定以及建立一個準確可信的專家系統等。

2　監測點的選擇與布置
　　監測點的選擇與布置是取得機組運行設備狀態信號的重要環節，其監測點的合理性、準確性以及數量多少取決于機組運行性能的設計、設備結構特點和使用的規律性，直接影響到信號采集真實性和整個系統的診斷分析、決策判斷的可信度。
　　水輪發電機組特別是大型水輪發電機組由于型號、結構的不同，加上運行工況變化多樣，比較復雜，給監測點的選擇與布置帶來較大的困難。下面以豎式水輪發電機組為主，簡略介紹機組運行設備監測點的選擇與布置的原則和要求［3］。
2．1　要優化監測點
　　優化原則是監測點布置的最基本的原則。從設備監測角度來說，少是很重要的，但也要考慮它的必要性、可能性及實際應用。監測點布置應在滿足診斷的基礎上選擇最有代表性、最能捕捉運行設備狀態的監測點，或最接近于設備運行故障的監測點。
2．2　要符合水力特性
　　大型水輪發電機組的水力穩定性對機組的安全運行影響是很大的，這是水輪發電機組的固有特性。主要是水輪機及其過流部件的渦殼、頂蓋、壓力鋼管、導水葉(含固定、活動導水葉)及尾水管的壓力和壓力脈動，其值大小取決于監測點的位置。所以應根據機組的水力特性，正確選擇水輪機及其過流條件的最大壓力及壓力脈動的測點位置。
2．3　要符合旋轉機械特性
　　水輪發電機組運行的穩定性能，既涉及到機組的水力特性和電氣特性，又涉及機組的機械特性。水輪發電機組屬于低轉速旋轉機械設備，因此，在監測點布置時，應考慮機組的低速旋轉機械的特點，并結合機組的水力和電氣干擾因素，綜合、合理、準確地選擇機組振動、擺度、間隙的監測點位置。
2．4　要符合設備結構特點
　　機組運行設備結構的變化，將影響機組的正常運行，降低機組運行效率及設備壽命。因此，在監測點布置上，還應根據運行設備的結構特點、故障征兆及機組運行性能進行正確選擇。這一原則不但有利于監測設備運行狀態，而且便于診斷評估設備的趨勢及壽命。
2．5　要符合發電機電氣特性
　　影響水輪發電機組穩定性運行的電氣干擾也是監測診斷的重要參數。在監測點選擇與布置時應根據發電機電氣特性和結構綜合分析。在考慮發電機負序電流或三相負荷電流不平衡所引起的相間不平衡時，應選擇相電壓、相電流、負序電流等參數的監測點；在考慮發電機定、轉子絕緣問題時應注意選擇定、轉子和繞組的溫度以及監測絕緣的監測點。
　　另外，涉及機組運行設備測點還有反映機組負荷特性的定、轉子電流、電壓、功率等；上下游水位、流量、機組的液位(含軸承油位和水壓水位)以及勵磁調節參數等監測點的選擇和布置［4］，與常規試驗測點或機組監控系統的測點沒有多大變化。

3　監測信號的分析與處理
　　設備運行狀態信號的取得，是設備診斷技術的基本任務，通過對信號的分析與處理，才能識別設備的運行狀態，揭示設備問題的本質原因，因此分辨信號的性質，進行信號的分析與處理是至關重要的。
3．1　機組的信號特性
　　水輪發電機組運行設備狀態信號是由周期信號、非周期信號和隨機信號組成的，其中低頻隨機信號是機組運行的固有特性，由于水輪發電機組的這一特性，加上反映機組運行設備狀態周期性較長，在信號采集和處理上既有它的難度又有它的特殊性。例如，在采樣周期選擇上，要合理地選擇，提高采樣數據精度，以數量經濟的時域數據獲取準確可靠的譜分析數據，盡量減少譜線泄漏，避免柵欄效益；應對機組振動、擺度和壓力脈動信號進行整周期采樣。為了分析到較低次諧波，需非周期采集及軟件上實現整周期細化功能，來提高譜分析范圍；在數據采集速度上，在提高A／D板數據轉換和數據傳輸速度的基礎上要采取先進的數據處理技術；在信號處理上，應注意低頻隨機信號的處理。
3．2　機組的信號分析
　　由于運行設備的結構特點和性能不一樣，反映其設備的信號、特征、征兆也就不相同，就其設備信號分析的基本功能也是有差異的。通常通用機械設備的系統信號分析基本功能包括時域、幅值域、頻域、時差域傳遞特性等信號分析(如圖2所示)。它既適用確定性信號(含周期信號及非周期信號)的分析，又適用于隨機信號的分析。

　　水輪機發電機組在系統信號分析中，不但包括通用機械設備的信號分析功能，還有自己獨特的信號分析功能。圖3表示了大型水輪發電機組運行設備的信號分析基本功能圖。考慮到機組監測內容的不同，在常規的主機信號分析基本功能中根據需要可相應增加機組軸系系統、過渡過程、發電機氣隙、油膜厚度、溫度趨勢、線棒絕緣，以及潤滑油質等信號分析功能。

4　特征信號與故障類型
4．1　機組特征信號的獲取
　　機組運行設備狀態特征信號的獲取是故障診斷的基礎，特征信號獲取的正確與否，直接影響到預測診斷的效果。通過監測機組運行設備各種運行方式下的信號和各種狀態參數來識別機組運行狀態，獲取和分析機組運行的特征信號，提取征兆，才能對機組運行設備和性能進行診斷。
　　機組運行狀態特征信號一般有兩種表現形式，一是以能量方式表現出來的特征信號，另一種是物態形式表現出來的特征信號。對于 能量形式的特征信號(如振動、擺度、壓力、溫度、位移、電壓、電流等)，可以在時域中提取征兆，也可以在頻域、幅值域或相位域提取征兆；對于物態形式的特征信號裂紋、煙霧、油質等，可以采用特定的物理或化學分析方法(如探傷分析、超譜分析等)提取征兆。通常水輪發電機組特征信號是以能量形式表現為主的，以頻率作為運行設備結構的重要特征，常見的水輪機發電機組特征頻率［4］［5］。

f2=50　Hz　 3水輪機導葉頻率f3=nr.Z1／60Z1—導葉數 4水輪機轉輪葉片頻率f4<