張澤展，張立峰，王 毅

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511493）

0 引 言

與傳統(tǒng)電站建設(shè)相比，抽水蓄能電站在“無(wú)人化”的發(fā)展方面更為先進(jìn)，不但能夠從根本上減少人力供應(yīng)，也提升了管理效率和管理準(zhǔn)確性。目前，國(guó)內(nèi)開展管理抽水蓄能電站時(shí)，主要依靠進(jìn)口監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，工作人員在使用進(jìn)口系統(tǒng)的過(guò)程中，缺乏明確的檢修維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，以致檢修工藝與實(shí)際使用需求無(wú)法緊密契合，最終造成資源浪費(fèi)。

1 確定抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)檢修方案

1.1 抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)的檢修工藝內(nèi)容

抽水蓄能電站使用的發(fā)電機(jī)組，主要有幾種特定的穩(wěn)定運(yùn)行工況，其中包括發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相以及開停機(jī)等。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受工程要求的影響，需要進(jìn)行多種工況轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換進(jìn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的電氣主設(shè)備和輔助設(shè)備需要持續(xù)操作，并進(jìn)行復(fù)雜的控制。對(duì)于檢修工作而言，在開展發(fā)電機(jī)檢修前，應(yīng)當(dāng)明確發(fā)電機(jī)擁有的電磁參數(shù)。

我國(guó)抽水蓄能電站所采用的發(fā)電機(jī)組，通常為雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的同步機(jī)組。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)模的穩(wěn)態(tài)電磁參數(shù)和瞬態(tài)電磁參數(shù)。其中，穩(wěn)態(tài)電磁參數(shù)具體表現(xiàn)在同步電抗方面，而瞬態(tài)電磁參數(shù)則表現(xiàn)在瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗兩個(gè)方面。因此，對(duì)于檢修工藝來(lái)說(shuō)，通過(guò)判斷電磁參數(shù)，能夠在一定程度上獲知當(dāng)前發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能，完成檢修優(yōu)化。

1.2 抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)檢修系統(tǒng)框架

基于對(duì)抽水蓄能電站的機(jī)組特性分析，本文在開展可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，首先明確故障樹分析的基本理念[1]。與傳統(tǒng)的檢修分析方式不同，故障樹分析法能夠?qū)哂兄苯雨P(guān)聯(lián)和直接影響的各個(gè)分量進(jìn)行邏輯推論，從而尋求系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題的影響因素的邏輯關(guān)系，再通過(guò)圖形符號(hào)對(duì)邏輯關(guān)系進(jìn)行表述，最終形成多個(gè)根事件共同組成的樹狀圖。

在故障樹分析中，首先應(yīng)當(dāng)結(jié)合技術(shù)規(guī)范、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)資料，對(duì)所選用的發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)常態(tài)、故障態(tài)、故障事件進(jìn)行定義，并依據(jù)故障分析追溯故障原因。系統(tǒng)故障的追溯，既應(yīng)當(dāng)包含對(duì)過(guò)去故障的分析，也應(yīng)當(dāng)包含對(duì)將來(lái)故障的預(yù)測(cè)，從而使系統(tǒng)能夠根據(jù)資料探查基本事件。隨后，要開始構(gòu)造故障樹。故障樹的構(gòu)造一般以假設(shè)條件為主要依據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)資料提供邊界，最終確定故障情況，如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)故障樹系統(tǒng)邊界條件

1.3 可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文在進(jìn)行發(fā)電機(jī)檢修系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，以可視化系統(tǒng)作為主要的設(shè)計(jì)方向。通過(guò)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，能夠在極大程度上提升檢修人員對(duì)檢修工作的理解。此外，隨著近些年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真技術(shù)的發(fā)展，三維仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，能夠在機(jī)組檢修中發(fā)揮突出作用。

從更加宏觀的層面上考慮，抽水蓄能電站開展可視化系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠填補(bǔ)目前國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域方面的空白，并為今后電站機(jī)組檢修提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。尤其是在抽水蓄能方面，發(fā)電機(jī)急速設(shè)備十分復(fù)雜，通過(guò)可視化系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠幫助發(fā)電機(jī)檢修培訓(xùn)全面開展，從而使更多優(yōu)秀人員進(jìn)入檢修工作。在這個(gè)意義上，研發(fā)發(fā)電機(jī)檢修的可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)除了應(yīng)當(dāng)具備對(duì)故障的判斷能力外，還應(yīng)當(dāng)具備機(jī)組檢修的仿真培訓(xùn)功能。

此外，在檢修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于運(yùn)用了故障樹這一檢修判斷邏輯，使得復(fù)雜的發(fā)電機(jī)組內(nèi)部部件更加具有關(guān)聯(lián)系。除了要能夠?qū)Ξ?dāng)前發(fā)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行判斷，可視化系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)結(jié)合故障樹，對(duì)未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而形成可行方案。

2 抽水蓄能電站的發(fā)電機(jī)檢修可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電磁參數(shù)計(jì)算

通過(guò)前文的論述可以看出，可視化系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)檢修的主要手段，應(yīng)當(dāng)對(duì)發(fā)電機(jī)組的電磁參數(shù)擁有計(jì)算能力。因此，設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行電磁參數(shù)函數(shù)導(dǎo)入[2]。以穩(wěn)態(tài)電抗中同步電抗的計(jì)算為例，在發(fā)動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁繞組和阻尼繞組均維持在開路狀態(tài)，此時(shí)定子三相繞組在直軸進(jìn)行正弦磁動(dòng)勢(shì)的施壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定的直軸磁場(chǎng)分布。通過(guò)三維磁場(chǎng)的有限元分析計(jì)算方法，能夠求得直軸的同步電抗。計(jì)算時(shí)通常采用斯托克斯公式：

式中，ψ為所進(jìn)行計(jì)算的繞組磁鏈，Ne為磁場(chǎng)當(dāng)中的單元個(gè)數(shù)，Ak為單元中第k個(gè)單元質(zhì)心的矢量磁位，Vk則表示單元體積，l0k則代表第k個(gè)單元的方向單位矢量，N則為繞組的總匝數(shù)，S指繞組截面積。通過(guò)計(jì)算，最終可以獲得直軸磁場(chǎng)的同步電抗。

2.2 可視化系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)故障樹的邏輯原理，檢修可視化系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)故障進(jìn)行了匯總，并以模塊的形式進(jìn)行展示。以某電站所采用的大型旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組為例，該機(jī)組具有轉(zhuǎn)子大、轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，在特殊水質(zhì)環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)故障。通過(guò)故障樹分析，將其故障總結(jié)為發(fā)電機(jī)故障、主變故障、軸承故障（包含主軸軸承和推力軸承）和過(guò)流故障等。不同的模塊對(duì)應(yīng)的故障類型不同，系統(tǒng)操作可以通過(guò)模塊完成對(duì)故障情況的信息查看。為了保證可視化系統(tǒng)能夠與實(shí)時(shí)的發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)保持一致，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，本文還加入了監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，主要測(cè)定的內(nèi)容為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的震動(dòng)情況。依據(jù)振動(dòng)頻率可以分為三種不同的參數(shù)，分別為加速度、速度以及一般位移。通過(guò)振動(dòng)頻率，可以十分直觀地觀測(cè)到諧波的分量。在該發(fā)電機(jī)組中，諧波分量與頻率放大程度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

2.3 仿真動(dòng)畫展示設(shè)計(jì)

仿真動(dòng)畫是可視化系統(tǒng)使檢修工藝流程更加直觀生動(dòng)的重要步驟。系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出仿真演示訓(xùn)練平臺(tái)。參與培訓(xùn)的人員通過(guò)可視化系統(tǒng)平臺(tái)，能夠?qū)C(jī)組故障情況、機(jī)組運(yùn)行原理以及檢修方法進(jìn)行全面了解。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文有針對(duì)地選用了三維動(dòng)畫作為表現(xiàn)方式，主要表現(xiàn)的內(nèi)容包括檢修作業(yè)準(zhǔn)備、措施檢查和檢修工藝等。其中，檢修工藝采用表格的方式，并采取文字描述等方式，對(duì)檢修工作中的工作步驟、操作內(nèi)容進(jìn)行展現(xiàn)，再通過(guò)形象的動(dòng)畫演示方式進(jìn)行表現(xiàn)，從而使文字?jǐn)⑹雠c動(dòng)畫相互結(jié)合，明晰表現(xiàn)出檢修工藝的具體流程[3]。

例如，在檢修工作的密封工藝中，檢修手段主要包括準(zhǔn)備工序、工具選擇、安全檢查和工作交底等步驟，而細(xì)分又能夠劃分為近100個(gè)工藝步驟，對(duì)于檢修工作具有極大挑戰(zhàn)。因此，在可視化系統(tǒng)中，可以采用實(shí)物對(duì)照?qǐng)D、模擬仿真訓(xùn)練的方式完成檢修工藝要求。其中，檢修所需運(yùn)用的工具應(yīng)當(dāng)均有實(shí)物與之對(duì)應(yīng)。在模擬仿真過(guò)程中，還需要通過(guò)實(shí)物拍攝的方式，將其以網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面交互的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)條理清晰的菜單條目，幫助參與培訓(xùn)的人員能夠清楚將仿真內(nèi)容與實(shí)際檢修工作一一對(duì)應(yīng)。

3 結(jié) 論

綜上所述，為了能夠使相對(duì)復(fù)雜的抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)清晰可控的檢修，需要結(jié)合目前技術(shù)手段中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行可視化系統(tǒng)開發(fā)?？梢暬到y(tǒng)除了能夠使發(fā)電機(jī)組的檢修過(guò)程更加清晰可視外，還能夠依據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的一系列故障問(wèn)題進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的高效運(yùn)用。