蘇 宇，王崢瀛，夏建華，甘陳源

（1.中國長江電力股份有限公司溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善657300；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

0 引言

如今隨著水電站自動化系統(tǒng)程度的提高，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的一個重要手段。傳統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測主要借助于監(jiān)控系統(tǒng)所采集參數(shù)高于或低于報警值以及通過趨勢分析系統(tǒng)人工查看單點(diǎn)趨勢來發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，此種方式存在兩方面不足，①目前監(jiān)控系統(tǒng)定值報警仍處于直接報警階段，未考慮報警參數(shù)與設(shè)備運(yùn)行工況的關(guān)聯(lián)性，例如，水輪發(fā)電機(jī)推導(dǎo)油槽油位在水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷不同時其合理上下限值區(qū)間也不相同；②當(dāng)設(shè)備故障處于萌芽狀態(tài)時異常趨勢并不明顯，此時通過趨勢分析系統(tǒng)并不一定能發(fā)現(xiàn)問題。綜上所述，目前對于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的方式準(zhǔn)確程度和可靠程度較低，效率不高，進(jìn)而使機(jī)組的正常運(yùn)行得不到有效保證，存在非計(jì)劃停運(yùn)的隱患。

對于長期連續(xù)運(yùn)行設(shè)備來說，發(fā)生設(shè)備故障大多數(shù)是一個緩慢的惡化過程，傳統(tǒng)監(jiān)測手段已經(jīng)無法滿足需求，無法做到智能實(shí)時監(jiān)測和提前預(yù)警。同時，專業(yè)人員也無法做到24 h連續(xù)不斷的對現(xiàn)場眾多的參數(shù)進(jìn)行查看和分析，因此設(shè)備的惡化過程很難把握，最終影響機(jī)組的安全運(yùn)行[2]。

溪洛渡水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用了北京中水科水電科技有限公司開發(fā)的H9000 V4.0版全分布式監(jiān)控系統(tǒng)。其采集全廠數(shù)據(jù)達(dá)65 000點(diǎn)[1]，其中反映設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的模擬量約有2萬個。為能在設(shè)備發(fā)生劣化趨勢時及時發(fā)現(xiàn)問題，溪洛渡電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用了模擬量緩變智能判斷及告警技術(shù)。

1 具體實(shí)現(xiàn)

1.1 所取模擬量的判定約束條件

實(shí)際生產(chǎn)中一個模擬量往往有多個相關(guān)量，對于數(shù)據(jù)判斷應(yīng)在相同參數(shù)環(huán)境下進(jìn)行計(jì)算，即需要設(shè)立約束條件。溪洛渡電廠根據(jù)生產(chǎn)常見情況設(shè)計(jì)了3類約束條件，并可通過多約束條件的聯(lián)合使用形成約束條件組，從而形成對特定工況的數(shù)據(jù)表達(dá)。

3類約束條件如下：

（1）模擬量的取值范圍約束，設(shè)定模擬量在人為設(shè)定的最大及最小取值范圍內(nèi)取值?？捎糜谟泄?、水頭等關(guān)聯(lián)參數(shù)的范圍限定。

（2）開關(guān)量的取值范圍約束，設(shè)定模擬量在滿足某些開關(guān)量的狀態(tài)時進(jìn)行取值?？捎糜诎l(fā)電機(jī)組狀態(tài)、斷路器狀態(tài)等限定。

（3）開關(guān)量的運(yùn)行時間約束，設(shè)定模擬量在滿足某些開關(guān)量某一狀態(tài)保持時間達(dá)人為設(shè)定值時進(jìn)行取值?？捎糜跈C(jī)組并網(wǎng)發(fā)電時間、泵運(yùn)行時間等限定。

復(fù)合約束條件（即約束條件組）：

采用與、或、非邏輯運(yùn)算符組合以上3類約束條件形成約束條件組，約束條件組對設(shè)備工況進(jìn)行限定，即當(dāng)設(shè)備在此工況下運(yùn)行時才對模擬量進(jìn)行取值。

1.2 模擬量取值觀測窗口

在本文所述方法中，需要選擇合適的時間窗口對分析對象進(jìn)行觀測，并在不同的時間窗口間對數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，以判斷數(shù)據(jù)趨勢。選擇一個合適的窗口大小對本分析算法的有效性有較大的影響，窗口過小則加大實(shí)時計(jì)算量，同時容易因數(shù)據(jù)的波動產(chǎn)生誤判，過大則不能及時發(fā)現(xiàn)故障的發(fā)生。在實(shí)際應(yīng)用中由溪洛渡電廠各專業(yè)組根據(jù)本專業(yè)設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)定義觀測窗口大小，并根據(jù)使用情況進(jìn)行調(diào)整。

本模型可根據(jù)需求對連續(xù)的2個及以上窗口數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的同時，也支持對之前若干個窗口的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

1.3 特征值提取

在進(jìn)行模型分析前，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以去除毛刺及無效數(shù)據(jù)。此處有兩種常用處理方法：

（1）基于算術(shù)平均數(shù)的平滑處理。在原始檢測數(shù)據(jù)中去除不合理數(shù)據(jù)后，取固定時間段的算術(shù)平均數(shù)進(jìn)行平滑處理（例如：30 s的平均值）。此種方法算法相較簡單，但缺點(diǎn)是某些設(shè)備模擬量存在大量的毛刺，此方法毛刺數(shù)據(jù)仍然參與了分析過程。

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：xt1，xt2，xt3，…，xtN為 t時段內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)所采集的模擬量值；A為t時段內(nèi)所采集的模擬量的算術(shù)平均數(shù)，N為t時段內(nèi)模擬量個數(shù)。

（2）基于概率密度的分析方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的取值。截取當(dāng)前時間窗口的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算該窗口下的概率密度函數(shù)，取出現(xiàn)概率較高范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，該平均值能真實(shí)反映這段時間的數(shù)據(jù)特征。舉例說明如下：

發(fā)電機(jī)組有功功率在某一較小范圍間的推力軸承瓦溫測值通常近似于正態(tài)分布，其概率分布函數(shù)如下所示：

式中：x為時間窗口內(nèi)符合有功功率約束的推力軸承瓦溫數(shù)值；σ為時間窗口內(nèi)x的方差；μ為時間窗口內(nèi)x的算術(shù)平均值。

圖1 正態(tài)分布概率分布函數(shù)圖

也就是說在出現(xiàn)概率最高的頂點(diǎn)兩側(cè)集中了大部分的觀測數(shù)據(jù)，對于采集誤差較大毛刺較多的數(shù)據(jù)取這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行平均能最好的代表這段數(shù)據(jù)的特征（圖1中矩形區(qū)域數(shù)據(jù)），但缺點(diǎn)是在實(shí)時分析中，數(shù)據(jù)概率密度的分析消耗的計(jì)算資源較大。

在實(shí)際使用中根據(jù)模擬量值特點(diǎn)靈活選擇以上兩種取值方法以達(dá)到取值精度和取值速度的合理配置。

1.4 緩變趨勢判定

結(jié)合實(shí)際驗(yàn)證，溪洛渡電廠設(shè)置了兩套緩變判斷算法：

（1）差值法

理論來說對于發(fā)生緩變趨勢的數(shù)據(jù)其特征值序列應(yīng)呈現(xiàn)逐漸增大或減少的規(guī)律，差值法即是觀測連續(xù)n個差值Δ1，Δ2，…，Δn逐漸增大或減少則判定模擬量緩變。其邏輯表達(dá)式為：

{if Δn＞Δn-1＞Δn-2＞… ＞Δ1then 判定：模擬量緩慢上升 elseifΔn＜Δn-1＜Δn-2＜… ＜Δ1then 判定：模擬量緩慢下降}

（2）回歸法

對提取到的特征值進(jìn)行線性回歸計(jì)算以求出其回歸函數(shù)的斜率K。斜率的大小及變化即反映出觀測數(shù)據(jù)的變化趨勢。

線性回歸模型：

式中k、C均由計(jì)算機(jī)計(jì)算得出。

需要注意的是觀測數(shù)據(jù)是隨時間動態(tài)變化的，故計(jì)算出的斜率也是動態(tài)變化的，隨著計(jì)算時間的增長、計(jì)算樣本數(shù)量的增多，斜率的精確度將會逐漸提高。當(dāng)動態(tài)斜率大于設(shè)定上限值則判定模擬量緩慢上升，斜率小于設(shè)定下限值則判定模擬量緩慢下降。

1.5 操作員站報警

偵測到數(shù)據(jù)緩變趨勢后，通過查找事先梳理的事件策略表中策略做出故障預(yù)測，在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)操作員站事件窗口以短消息的方式發(fā)出告警。例如：1號水輪發(fā)電機(jī)組上導(dǎo)油槽油位緩慢下降，下降速率xx mm/h，疑似發(fā)生漏油。

為防止誤判對運(yùn)行人員監(jiān)視造成干擾，只有出現(xiàn)兩個及兩個以上相同判定結(jié)果時才會發(fā)出告警信號，連續(xù)兩個及兩個以上判定周期無判定結(jié)果時則自動復(fù)歸告警信號，若告警自動復(fù)歸后相同工況下再次出現(xiàn)相同告警信號，則告警保持直至問題處理人工復(fù)歸信號。

2 實(shí)際應(yīng)用

溪洛渡水電廠4號機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，因推導(dǎo)軸承冷卻器內(nèi)部水管銹蝕出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致冷卻水混入推導(dǎo)透平油中，致使推導(dǎo)軸承油槽油位緩慢上升。

2.1 約束條件

約束條件如表1所示。

表1 機(jī)組推導(dǎo)油槽油位取值約束條件

2.2 觀測窗口

考慮油槽油位變化對設(shè)備運(yùn)行影響程度，設(shè)定觀測窗口為30 min。

2.3 特征值取值

因油槽油位由磁翻板式液位計(jì)采集，在實(shí)際使用中經(jīng)常出現(xiàn)因磁翻板臨時性卡阻導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差，故采用基于概率密度計(jì)算的特征值取值方式。

2.4 緩變判定

在滿足約束條件的情況下可能引發(fā)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組推導(dǎo)軸承油槽油位變化的原因主要有兩個，①漏油導(dǎo)致油位下降，②進(jìn)水導(dǎo)致油位上升，此兩種情況發(fā)生時油位幅值變化非常小并且變化趨勢緩慢，為考慮判斷準(zhǔn)確性采用回歸法進(jìn)行判斷。

2.5 判斷結(jié)果

自判定程序段開始運(yùn)行后的第14個觀測窗口，即7 h后監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出了“4號機(jī)組推導(dǎo)軸承油槽油位緩慢上升動作”告警信號，此時4號機(jī)組推導(dǎo)油槽油位較程序開始時上升僅1 mm左右，對緩變判斷正確。

3 結(jié)語

溪洛渡電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)模擬量緩變智能判斷及告警技術(shù)的使用，將計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能由基于單點(diǎn)閾值告警的傳統(tǒng)方式，提升為自動發(fā)現(xiàn)設(shè)備劣化趨勢并進(jìn)行預(yù)警，有效輔助運(yùn)行人員及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，消除事故于未然，大大提高了安全生產(chǎn)保障能力，減少了檢修成本[2]。