能源是社会现代化的坚实基础与动力，能源战略直接关系着我国现代化建设的未来。在过去的工业现代化进程中，大量消耗化石能源后产生的废弃物不仅导致了温室效应，更使我国许多地区深受雾霾之害。为实现人类社会的可持续发展，构建安全、清洁、高效的低碳能源结构体系已迫在眉睫。水电能源作为一种清洁的可再生能源，其开发技术成熟，且无污染性排放，符合我国的能源战略发展需要。国务院《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》中明确提出了要在西南地区积极有序地推进大型水电基地建设，因地制宜地发展中小水电，加强水资源的综合利用，力争常规水电装机在2020年达到3.5亿千瓦左右。由此可见，水电能源开发利用将迎来新的发展机遇。目前在我国的能源管理中，水电机组除承担基荷外，还是电网调峰、调频的关键设备。《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》还指出，在大力发展风电与加快发展太阳能的同时，要提高可再生能源的利用水平，加强电源与电网的统筹规划，科学安排调峰、调频、储能配套能力，切实解决弃风、弃水、弃光问题。在此能源结构不断调整和优化的大背景下，为消纳高速发展的新能源并网时给电网稳定性带来的冲击，对水电的高效运行与管理赋予了更大使命。
作为水电能源转换的关键设备，水电机组的运行状态直接影响能源转换的效率，若发生异常或故障，将使电能输送质量下降及电网频率扰动，危害水电机组和电站的安全，严重时甚至会造成巨大的经济损失和人员伤亡。然而，在国内外电站的实际运行过程中，由于设备的劣化、外界及人为因素，导致水电机组运行故障或事故屡屡发生。水府庙水电站4号机7号导叶因外物卡死，水轮机进水不平衡诱发机组剧烈振动，导致7号导叶双连臂弯曲，并折断一边；葛洲坝水力发电厂曾因机组状态检修时的安装偏差导致出现摆渡超标的故障，影响机组的运行稳定；仰山水电站因迷宫上部严重磨损，导致机组振动和尾水管弯管处噪声超标，迫使机组停机检修；安康水电站1号机和紧水滩水电站4号机均曾因非设计工况下运行时的尾水涡动诱发过强烈的机组振动；迄今为止最为严重的是俄罗斯萨扬舒申斯克水电站事故，造成了机毁人亡的惨痛教训。为了最大限度地减少此类事故的再次发生，提升水电机组的运行稳定性，并创造更多的发电经济效益，亟须开展机组的状态监测、故障诊断与状态趋势预测等研究，进而指导水电机组的状态检修工作。
水电机组状态监测是开展状态检修的基础，其通过对水电机组的实时运行情况进行跟踪，保证其运行在健康状态，主要包括稳定性监测、压力脉动监测、空化监测与局放监测等，其中较为常见的是以振动信号分析为主的稳定性监测。水电机组运行时，由于受强背景噪声与复杂电磁干扰的影响，导致监测到的振动信号特征频带易被背景噪声湮没，难以反映出水电机组真实的运行状态。通过先进的信号处理方法对监测信号进行降噪分析，有助于准确获取信号的时、频特征，进而及时发现水电机组运行的异常。故障诊断作为电站智能化建设的重要组成部分，即在监测系统全面采集水电机组运行数据的基础上，综合运用信号处理与模式识别技术，分析水电机组运行健康状态并诊断出可能存在的故障，最后给出决策建议，为状态检修提供指导和依据，进而避免发生重大运行事故。
水电机组故障诊断在流程上包括特征提取和故障模式识别两步。其中，特征提取是提升故障准确率的关键，因此，如何从监测信号中提取能充分表征水电机组运行状态的特征信息，一直是备受关注的热点问题。由于水电机组变工况与启、停频繁，且在运行时受多重激励因素耦合作用，所以导致监测到的振动信号具有明显的非平稳性、非线性与非高斯性等特点。针对此类信号，探索能深刻反映水电机组这一复杂大型动力系统所蕴含变化规律的特征提取新方法，具有重要的理论与实际意义。此外，由于水电机组设备的特殊性，诊断时常面临样本分布不均匀与数量倾斜的情况，而传统诊断方法由于忽略了受样本分布的影响，易出现过学习。因此，亟须针对此类问题发展新的诊断方法，以提升故障模式识别精度。
尽管状态监测与故障诊断可提高水电机组的运行可靠性，但它们都是事后决策方式，即仅在故障或异常发生后才开展决策分析。然而，一旦发生具体故障，难免会影响机组的安全稳定运行。状态趋势预测作为一种事前决策技术，可有效弥补事后决策的不足。其基于监测采集的状态参数历史数据来确定水电机组当前的运行状态，预测水电机组下一时刻的状态发展趋势，有助于及时捕捉早期故障前兆，进而避免发生重大事故。结合现代信号处理技术与回归预测方法，实现对水电机组状态趋势的准确预测，不仅有助于及时发现机组早期运行异常，更有助于科学合理地制订状态检修计划，进而提升电站的综合经济效益。
由于设计、制造，以及安装与运行方面的原因，水电机组在实际运行中无法避免地存在振动现象，同时振动故障也是水电机组最常见的故障类型。因此，为了提升故障诊断水平，促进水电机组的安全稳定，有必要深入了解水电机组振动故障机理，掌握不同振源激励下的故障表现。从振源激励因素的角度，水电机组振动故障的激励源主要包括水力、机械和电磁等三种。
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