基于生产实时大数据的抽水蓄能机组稳定性研究与应用

李国和，孙 勇，王 磊，魏 敏

（国网新源控股有限公司，北京市 100023）

0 引言

根据前期对10家抽水蓄能电站生产数据进行专题分析，对各电站运行情况有了较深入的了解。各运行电站机组振摆不仅存在共性特征，如多数机组在国家标准下长期稳定运行、具有相同影响因素等，而且个性化特征也较为突出。其中，琅琊山机组振摆和波动区间均较小，无超出国家标准情况，随时间变化运行平稳无突变状况发生，整体运行状态优秀；桐柏、天荒坪、白莲河、泰山电站机组振摆和波动区间相对较小，但偶有超出国家标准情况，随时间变化运行偶有突变情况发生，整体运行状态良好；回龙、张河湾、西龙池、蒲石河、宜兴电站机组振摆和波动区间较大且超出国家标准情况时有发生，随时间变化突变情况也相对较多，整体运行状态需要关注。

而且，基于10家抽蓄电站生产数据分析的基础，发现机组振摆主要表现在空间和时间两个维度上，空间维度主要聚焦于振摆的大小，时间维度主要聚焦于振摆的规律。为此，本文利用箱线图和趋势拟合法，分别从空间和时间维度对国网新源控股有限公司10家抽蓄电站40台机组的振摆数据特征规律进行深度探索。

1 机组振摆数据特征分析

1.1 空间维度振摆数据特征

1.1.1 机组振动数据特征

从机架振动的空间分布上看，主要特征为各运行电站机组机架振动差异较大，同一电站各运行机组机架振动差异也相对较大，而且各电站间机组机架振动范围各不相同。机组机架振动个性特征明显[1]。

抽水蓄能机组在发电（额定负荷）和抽水两种工况下，振动数据特征空间分布如图1所示，由于宜兴、桐柏、琅琊山、泰山、白莲河电站机组振动数据为速度型测点，单位为mm/s。回龙、蒲石河、天荒坪、西龙池、张河湾电站机组振动数据为位移型测点，单位为µm。所以针对不同振动单位，分别比较。

从图1可以看出，发电（额定负荷）和抽水工况下，机架振动特征表现基本保持一致。综合振动数据特征情况和超出国家标准情况：回龙、张河湾电站机组机架振动值很大，且大幅超出国家标准；蒲石河和西龙池电站机组机架振动值也相对较大，且存在超出国家标准的情况；天荒坪、宜兴、桐柏、琅琊山电站机架振动值均很小，没有超出国家标准的情况发生。在机组层面，回龙1、2号机组、张河湾2、3号机组机架振动值偏大，而琅琊山电站4台机组机架振动值很小。

1.1.2 机组摆度数据特征

从导轴承摆度数据特征空间分布上看，其主要特征与机架振动相同[2]（见表1），也表现为各运行电站机组摆度差异较大，同一电站各运行机组摆度差异也相对较大的同时，各电站间机组摆度范围各不相同。机组导轴承摆度个性特征同样明显（见表2）。

图1 各工况下40台机组振动数据区间分布Figure 1 Vibration data interval distribution of 40 units under various working conditions

表1 机组机架振动区间中位数超出国家标准情况统计Table 1 Statistics of the median vibration range of unit frame exceeding the national standard

从图2可以看出，发电（额定负荷）和抽水工况下，导轴承摆度特征表现基本保持一致。综合摆度数据特征情况和超出国家标准情况：回龙、蒲石河电站机组导轴承摆度值均很大，且大幅超出国家标准（见表3）；宜兴和西龙池电站导轴承摆度值也相对较大，且存在超出国家标准的情况[3]；琅琊山、泰山、白莲河电站导轴承摆度值均很小，没有超出国家标准的情况发生。在机组层面，回龙1、2号机组、宜兴2号机组、西龙池2号机组导轴承摆度均偏大，而琅琊山电站4台机组导轴承摆度均很小。

表2 机组导轴承摆度区间中位数超出国家标准情况统计Table 2 Statistics of unit guide bearing swing interval median exceeding national standard

图2 各工况下40台机组摆度数据区间分布Figure 2 Swing data interval distribution of 40 units under various working conditions

表3 蒲石河发电（额定负荷）工况导轴承摆度预警值示意Table 3 Early warning value of guide bearing swing under power generation （rated load） condition of pushihe

1.1.3 机组振摆故障特征

筛选由振摆异常引起、并且具备数据支撑分析的9次严重、危急缺陷，根据数据挖掘分析得出，此类缺陷发生前是缺陷发生前机组多数部位振摆陆续突增[4]，以琅琊山电站3号机组2016年4月18日发电过程中缺陷振摆特征为例，如图3所示。

1.1.4 基于振摆大小的预警值分析

根据振摆空间大小的分析结果，不同机组振摆历史运行范围存在明显差异，有着不同的个性化的运行特性[5]。而机组运行超出自身运行特性，即可能进入异常运行状态。为了机组长期可靠安全的运行，充分考虑机组运行的个性化特性，及时掌握机组当前运行状态，尽早发现机组长时间运行在非振摆历史区间或国家标准非安全区域引起的异常状态征兆，避免严重事故发生，保障机组安全稳定运行，因此开展预警值探索性分析研究。

依据规程，评定各种机器振动烈度有两个评定准则的一般描述。一是考虑振动幅值（大小），不能超出国家标准（A-B区上限值）的1.25倍；二是考虑振动幅值（大小）的变化，不管是增加还是减少，明显变化时可能指示事故已发生或预示即将发生的事故或其他不规则事故，而且当幅值（大小）的变化超过国家标准（A-B区上限值）的25%时，这样的变化被认为是明显的[6]。

图3 振摆类缺陷发生时振摆变化情况Figure 3 Shimmy changes when shimmy defects occur

预警值对不同的机器可以有很大的变化，通常是相对于基线值来设定预警值[7]。以各机组各部位2011—2016年振摆数据的分布区间上限作为基线值，超出国家标准（A-B区上限值），预警基线值修正为A-B区上限值。

考虑振动幅值（大小）见式（1）：

考虑振动幅值（大小）变化见式（2）：

1.2 时间维度振摆数据特征

1.2.1 机组振摆数据特征

从机组振摆随时间维度的变化特征上来看，主要存在年内呈季节性变化；年间呈一定范围内规律波动；悬式机组较半伞式机组季节性变化更为明显的特征[8]（见表4）。

一是机组振摆年内呈季节性变化。季节性变化机组总占比达70%，悬式机组较半伞式机组季节性变化更为明显。在发电（额定负荷）工况下，天荒坪、宜兴、回龙电站12台悬式机组中有10台机组振摆年内呈季节性变化特征，占比83%。桐柏、琅琊山、西龙池、张河湾、泰山、蒲石河、白莲河电站28台半伞式机组中有18台机组振摆年内呈季节性变化特征，占比64%。导轴承摆度年内季节变化规律是1、2、3月摆度较小，7、8、9月摆度较大。抽水工况下振摆季节性变化特征与发电（额定负荷）基本一致[8]（见图4）。

二是机组振摆年间呈现在一定范围内规律波动。分析的40台机组中，发电（额定负荷）工况下，约69%的机组测点振摆在一定范围内波动，在抽水工况下，约66%的机组测点振摆在一定范围内波动。此外，半伞式机组测点振摆在一定范围内波动的特征占比更大。在发电（额定负荷）工况下，天荒坪、宜兴、回龙电站等悬式机组中，约55%的机组测点振摆在一定范围内波动；桐柏、琅琊山、西龙池、张河湾、泰山、蒲石河、白莲河电站等半伞式机组中，约76%的机组测点振摆在一定范围内波动[9]（见图5）。抽水工况下机组测点振摆在一定范围内波动的特征与发电（额定负荷）基本一致，如图6所示。

1.2.2 机组振摆突变情况分析

从机组振摆在时间维度上的突变情况上来看，天荒坪4～6号机组、宜兴1～2、4号机组、西龙池2号机组、张河湾1～4号机组、泰山2～3号机组、蒲石河2～3号机组、回龙1～2号机组机架振动或导轴承摆度存在某个时间突然变化的特征，而且机架振动较导轴承摆度的突变特征更为突出。琅琊山和桐柏电站是最平稳的，波动最小更没有突变情况发生，运行最优（见图7～图9）。

2 机组振摆综合评分

机组振摆突出表现为两个方向的特征，一个是空间维度，主要体现为振摆的大小；另一个是时间维度，主要体现为振摆的变幅。为了综合比较公司各电站在空间、时间维度上的变幅，就需要一把统一的尺子加以衡量，以确立评价比较的准确性和权威性。为此，本文借助大数据数学算法，引入了机组振摆综合评分法的概念[10]。

2.1 机组振摆综合评分法

首先，为了去除振动和摆度数据单位或量级限制，选取离差标准化算法对振摆原始数据进行标准化处理，将其转化为无量纲量的纯数值，使结果落到[0，1]区间上，便于不同单位或量级的指标进行比较和加权；而且为了消除各电站机组之间量级的差异性以及最大程度上保证分析结论的准确性和权威性，离差标准化的分母使用的是各电站国家标准规定振摆的最大值。具体计算公式如式（3）所示。

然后，选取等距映射（ISOMAP）算法对数据进行空间维度上的映射，使含有空间大小和随时间变化特性的二维振摆数据降维为一维数据，此算法能够很好地保留数据的全局几何信息。在MDS理论框架上保持点与点之间的最短距离见式（4）。

式中dG——点与点之间的测地距离；

xbi——高维的点；

ybi——低维的点。

转化为最小误差函数见式（5）：

最后，综合考虑振摆数据在空间中的大小和振幅情况，选取中位数、50%集中分布区间和95%集中分布区间三个角度进行评价，由点到面，全面展示数据的整体信息，进行准确评价。

上述百分位公式中，b表示百分位，Lb、i、fb分别为该百分位所在组段的下限，组距和频数，Fb为小于该百分位的各组段累计频数。则中位数等三个特征值的计算公式见式（7）～式（9）：

表4 机组振摆在时间维度上的突变情况统计Table 4 Statistics of the sudden change of unit swing in time dimension

图4 悬式机组导轴承摆度随时间年内季节性变化规律示意图Figure 4 Schematic diagram of seasonal variation of swing of guide bearing of suspension unit with time

图5 半伞式机组导轴承摆度随时间年内季节性变化规律示意图Figure 5 Schematic diagram of the seasonal variation of the swing of the guide bearing of the semi umbrella unit with the time

图6 悬式机组导轴承摆度随时间年间变化规律示意图Figure 6 Schematic diagram of swing of guide bearing of suspension unit changing with time

图7 半伞式机组导轴承摆度随时间年间变化规律示意图Figure 7 Schematic diagram of the variation of the swing of the guide bearing of the semi umbrella unit with time

图8 蒲石河电站机组机架振动突变情况示意图Figure 8 Schematic diagram of sudden change of unit frame vibration of pushihe hydropower station

图9 天荒坪电站机组导轴承摆度突变情况示意图Figure 9 Schematic diagram of sudden change in swing of guide bearing of tianhuangping power station unit

且由于大小和幅值的重要性是相等的，将三个层面得到的评分求平均值，最终得到综合评分。分值越高表示振摆的波动程度越剧烈，运行效果越差。

2.2 振摆综合评分法得出的主要结论

机组振摆综合评分，从电站层面看，宜兴电站评分最大、回龙次之，琅琊山电站最小，桐柏电站也较小；从机组层面面看，宜兴1、2、4号机组、回龙1号机组、西龙池2、4号机组、张河湾3号机组评分偏大；从机组型式看，立轴半伞式机组评分小于悬式机组（见图10）。

图10 40台机组振摆综合评分Figure 10 Comprehensive score of shimmy of 40 units analyzed

2.2.1 机组层面综合评分

从分析的40台机组看，机组综合评分从小到大前五位的机组分别为：琅琊山2号机组0.31、琅琊山4号机组0.31、琅琊山3号机组0.36、琅琊山1号机组0.37、桐柏1号机组0.52。机组综合评分从大到小后五位的机组分别为：宜兴2号机组1.36、宜兴4号机组1.33、宜兴1号机组1.32、回龙1号机组1.28、西龙池2号机组1.25。

发电（额定负荷）工况下，机组评分从小到大前五位的机组分别为：琅琊山2号机组0.32、琅琊山4号机组0.34、琅琊山3号机组0.35、琅琊山1号机组0.35、天荒坪5号机组0.45。机组评分从大到小后五位的机组分别为：宜兴2号机组1.38、西龙池2号机组1.36、宜兴4号机组1.31、宜兴1号机组1.30、西龙池4号机组1.27。

抽水工况下，机组评分从小到大前五位的机组分别为：琅琊山4号机组0.28、琅琊山2号机组0.30、琅琊山3号机组0.37、琅琊山1号机组0.38、桐柏1号机组0.48。机组评分从大到小后五位的机组分别为：回龙1号机组1.44、宜兴4号机组1.34、宜兴1号机组1.34、宜兴2号机组1.33、张河湾3号机组1.29。

2.2.2 机组型式层面综合评分

从机组的型式看，立轴半伞式机组综合评分为0.76，悬式机组综合评分为1.01，立轴半伞式机组评分小于悬式机组。

发电（额定负荷）工况下，立轴半伞式机组综合评分为0.83，悬式机组综合评分为0.99；抽水工况下，立轴半伞式机组综合评分为0.70，悬式机组综合评分为1.04，如图11所示。

图11 不同机组型式机组振摆综合评分Figure 11 Comprehensive score of shimmy for different unit types

宏观来看，抽水蓄能立轴半伞式机组的振摆评价要明显优于立轴悬式机组。

3 结束语

目前，根据2011—2016年关于机组振动的实时数据分析情况看，国网新源控股有限公司所属抽水蓄能电站主要呈现以下几个明显的特征。

一是在空间维度上从振摆大小看，主要特征为各运行电站机组机架振摆大小差异较大，同一电站各运行机组机架振动差异也相对较大。电站层面，回龙、蒲石河、西龙池机架振动和导轴承摆度均很大，且大多数超出国家标准；张河湾电站机架振动很大，但导轴承摆度并不突出；宜兴电站机架振动并不突出，导轴承摆度则很大；琅琊山电站机架振动和导轴承摆度均很小。在机组层面，回龙1、2号机组、张河湾2、3号机组机架振动和导轴承摆度均偏大，而琅琊山电站4台机组机架振动和导轴承摆度则均很小。电站个性特征来看，个别电站或振摆存在突变情况，如泰山2号机组机架在2015年中的突然增大，或长期高位运行，如回龙。而由振摆异常引起的缺陷，有缺陷发生前机组多数部位振摆陆续突增，在前三天左右，机组个别部位振摆出现持续增大趋势，机组振摆运行在较长一段时间内超标逐渐增多的特征。

二是在时间维度上从振摆规律上看，主要特征是机组振摆大小年内呈季节性变化浮动，年间呈一定范围内规律波动。一般来讲，机组振摆在1、2、3月摆度较小，7、8、9月摆度较大。

三是为了综合比较振摆大小，我们设定了机组振摆综合评分公式，从综合评分的结果上看，各家差异较大，琅琊山、桐柏表现较好，张河湾、西龙池、回龙、宜兴表现不佳。立轴半伞式机组的振摆评价要明显优于立轴悬式机组。