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水 利 学 报

２０２４年 ６月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ６期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０６ － ０７４４ － １２

基于 ＵＰＥＭＤ融合 ＲＣＭＣＳＥ和 ＡＬＷＯＡ － ＢＰ的水电机组故障诊断

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李 想 ，钱 晶 １，２ ，曾 云 １，２
（１．昆明理工大学 冶金与能源学院，云南 昆明 ６５００９３；
２．云南省高校水力机械智能测试工程研究中心，云南 昆明 ６５００９３）

摘要：水电机组振动信号 的 诊 断 对 机 组 安 全 稳 定 运 行 至 关 重 要。本 文 提 出 一 种 基 于 均 匀 相 位 经 验 模 态 分 解
（ Ｕｎｉｆｏｒｍ ＰｈａｓｅＥＭＤ，ＵＰＥＭＤ）融合精细复合多尺度余弦相似熵（ＲｅｆｉｎｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭｕｌｔｉｓｃａｌｅＣＳＥ，ＲＣＭＣＳＥ）和改
进鲸鱼算法优化反向传播神经网络（ ＡＬＷＯＡ － ＢＰ）的水电机组故障诊断方法。利用 ＵＰＥＭＤ对原始信号进行分解，
然后建立 ＷＯＡ － ＢＰ故障诊断模型。针对 ＷＯＡ算法快速陷入局部最优和过早收敛的问题，采用自适应权重和莱维
飞行对 ＷＯＡ算法进行优化。实验结果表明，该方法的准确率达到了 １００％。为探究所提模型的抗噪性能，引入信
噪比为 ２ｄＢ的噪声进行再次分析，诊断结果为 ９４．４４％，明显优于其他未优化模型。该项研究可以对现有水电机
组故障诊断方法进行有价值的补充。
关键词：水电机组；精细复合多尺度熵；余弦相似熵；ＡＬＷＯＡ － ＢＰ；故障诊断
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＭ３１２ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０６９４

１ 研究背景

随着能源领域的不断发展，水电能源作为一种清洁、可再生能源得到越来越广泛的应用，水力发
电对实现能源可持续发展具有重要意义。水电机组作为水电站发电的核心部件，它的运行过程包含流
体、机械、电力等方面多因素耦合过程，其运行状态稳定性和安全性直接关系到水电站的发电效率和
安全稳定运行。水电机组一但发生故障，势必会造成经济上的巨大损失，有些甚至还会引起环境污
染，人员伤亡等严重问题 ［１ － ２］ 。因此及时准确地诊断和排除故障对于保障水电机组的运行安全和可靠
性至关重要。
在欧盟，大部分可利用的水力潜能已经在 １９７０年代之前得到开发 ［３］ 。相比之下，中国的水力发
电站发展始于 １９５０年代，以满足能源需求 ［４ － ５］ 为目的大规模修建水电站。因此很多水电机组结构已趋
于劣化，所以针对水电机组故障诊断进行研究逐渐成为学术界和工程实践中的热点问题。水电机组故
障诊断在于确保水电机组的稳定运行和提高其可靠性，机组运行中的振动信号是关键反馈 ［６ － ７］ 。振动
故障主要源于三方面：水力、机械和电磁。水力振动主要由动水压力引起，如卡门涡街和水力不平
衡。机械振动由机械作用力和设备磨损、劣化引发，如轴线不对中和转子不平衡。电磁激励下的振动
由发电机磁拉力不平衡等引起。振动导致机组承受交变载荷，降低设备寿命，甚至引发灾难性后果。
例如中国的五强溪电站 ５台机组由于存在转子机械不平衡故障，以及转轮叶片裂纹、转轮空蚀引发的
水力激振力，使得机组振动摆渡幅度值过大，加剧了机械磨损，并多次引发事故停机 ［８］ 。所以，针对
水电机组振动信号的故障检测与预警、故障诊断与分析、运行状态评估与优化以及维护策略具有重要

收稿日期：２０２３ － １１ － ０７；网络首发日期：２０２４ － ０６ － ２１
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０６２０．０９５７．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５２０７９０５９，５２２６９０２０）
作者简介：李想（ １９９７ － ），博士生，主要从事水电机组轴系振动故障诊断研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｉｘｉａｎｇ２＠ｓｔｕ．ｋｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：曾云（１９６５ － ），教授，主要从事水电机组运行稳定性与控制策略研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｙｕｎ００１＠１６３．ｃｏｍ
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