摘要：隨著政府對水電站的逐步改造，需要對水電站的運行狀況進行自動監(jiān)測和診斷，并做出合理的檢修決策。水電機組關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)直接關(guān)系到機組的正常運行和電網(wǎng)的穩(wěn)定。監(jiān)測工作狀態(tài)和分析水電機組的性能不僅提高了設(shè)備維護活動的經(jīng)濟性，而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性，這種技術(shù)使發(fā)電廠能夠?qū)υO(shè)備進行維護。

關(guān)鍵詞：水輪機調(diào)速系統(tǒng);性能評價;應(yīng)用

引言

從保持狀態(tài)的角度出發(fā)，我們提出了一種基于數(shù)字模型的巡航控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和分析方法。根據(jù)該方法，通過分析調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備，確定測點位置和數(shù)據(jù)采集方案。在狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字模型，對汽輪機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)進行評估。使用事件操縱和自控傳播機制診斷設(shè)備故障的基礎(chǔ)，使用視覺模型指示健康狀態(tài)，并重新定向巡航控制設(shè)備以維護速度控制系統(tǒng)。

1.水輪機調(diào)速系統(tǒng)性能評價意義

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，發(fā)電機組容量不斷增長，系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，對安全性和可靠性的要求也越來越高。調(diào)速系統(tǒng)是水電機組的主控制器，其穩(wěn)定可靠的運行是電力安全生產(chǎn)的基本保證。因此，有必要充分了解運行情況，改變速度解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備方向。今天，計算機監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于全國的發(fā)電廠。其目的是提供主要設(shè)備工作狀態(tài)的數(shù)字顯示、報警和方向顯示，控制機組運行和保護機組。作為一個智能模塊，調(diào)速器本身還包括數(shù)據(jù)監(jiān)控和故障檢測，以達到控制和保護的目的。重點是控制和保護關(guān)鍵單元設(shè)備，評估設(shè)備狀態(tài)，比較過去的操作過程，監(jiān)測數(shù)據(jù)，多參數(shù)耦合和人工檢查確定狀態(tài)。因此，巡航控制設(shè)備的狀態(tài)分析和故障診斷基于專家人工判斷，不能滿足狀態(tài)維護要求。近年來，水電站主要設(shè)備狀況的維護得到了廠家的評價，在國內(nèi)外都有成功的應(yīng)用。維持控制系統(tǒng)狀態(tài)所需的工作較少。本文提出的基于數(shù)字模型的水輪機控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與分析方法，為控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與分析提供了參考，并實現(xiàn)了控制系統(tǒng)狀態(tài)的維護。這意味著有些項目是實用的[1]。

2.項目概述

調(diào)節(jié)器的故障會導(dǎo)致機組意外停止、導(dǎo)致機組打滑、危及現(xiàn)場人員的生命或嚴(yán)重?fù)p壞工廠設(shè)備。目前，我國水輪發(fā)電機主機狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)較為成熟，但對調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究和應(yīng)用較為匱乏。

通過上述研究，開發(fā)了一套水輪發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)優(yōu)化和在線監(jiān)測決策系統(tǒng)。系統(tǒng)可提供實時調(diào)速系統(tǒng)在線監(jiān)控、歷史回顧、數(shù)據(jù)處理和工作狀態(tài)分析記錄等功能。具有良好的開放性、交互性和可擴展性，可用于故障診斷和優(yōu)化水力發(fā)電的運行化。發(fā)電機組調(diào)節(jié)器。它提供了正確支持速度控制系統(tǒng)優(yōu)化維護實施所需的信息。系統(tǒng)為水電站調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計了一個在線監(jiān)控柜，柜內(nèi)配置有數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)光纖收發(fā)設(shè)備，應(yīng)用軟件部署在數(shù)據(jù)服務(wù)器平臺上。系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊方式與調(diào)節(jié)器電氣柜主控平臺（PLC）和液壓控制柜主控平臺（PLC）進行通訊。系統(tǒng)的安裝和使用不修改或影響調(diào)速系統(tǒng)原有的軟硬件結(jié)構(gòu)：（1） 機組基本運行狀態(tài)：機組頻率、電網(wǎng)頻率、工作水頭、有功功率、導(dǎo)葉開度、槳葉開度等;

（2） 調(diào)速系統(tǒng)控制參數(shù)與給定：指的是調(diào)速系統(tǒng)在控制過程中的相關(guān)控制參數(shù)及控制給定信息;

（3） 調(diào)速系統(tǒng)控制方式與控制命令：調(diào)速系統(tǒng)控制方式與控制命令確定了調(diào)速器的控制方式及其控制輸出;

（4） 調(diào)速系統(tǒng)開關(guān)量狀態(tài)：調(diào)速系統(tǒng)開關(guān)量指的是調(diào)速系統(tǒng)在運行過程中關(guān)鍵控制開關(guān)的動作狀態(tài)以及監(jiān)控系統(tǒng)順序控制過程中產(chǎn)生的中間開關(guān)狀態(tài);

（5） 機械液壓隨動系統(tǒng)狀態(tài)：機械液壓隨動系統(tǒng)是調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行部分;

（6） 油壓裝置狀態(tài)：油位、油壓、油泵啟停情況;

（7） 調(diào)速器報警：指的是調(diào)速依靠本身的狀態(tài)數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系判斷出的故障報警信息。

3.調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備分析及數(shù)字化模型

設(shè)備分析是準(zhǔn)確及時掌握設(shè)備狀態(tài)和汽輪機控制系統(tǒng)變化趨勢，進行狀態(tài)評估和狀態(tài)分析的基礎(chǔ)，是保持調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)的前提。儀器分析包括結(jié)構(gòu)分析和特性分析。結(jié)構(gòu)分析包括物理結(jié)構(gòu)分析（結(jié)構(gòu)平面、幾何關(guān)系、結(jié)構(gòu)特征）、運動過程分析（物體功能單元的運動原理和作用范圍）、空間擴展分析（物體安裝位置、安裝方法等）組件之間的連接）包括在內(nèi)。關(guān)系）和故障現(xiàn)象分析（不同組件之間的相互作用及其在發(fā)生不同故障時的外部影響）。特征分析包括通信關(guān)系分析（內(nèi)外部對象的結(jié)構(gòu)關(guān)系、能量流與信息流的轉(zhuǎn)換關(guān)系）、運動學(xué)分析（物體運動的原理和規(guī)律、狀態(tài)方程的定量分析），包括輸入和輸出分析（確定對象之間的輸入和輸出狀態(tài)量）和故障模式分析（獲取設(shè)備可能的故障模式分類、特征狀態(tài)量和數(shù)量限制狀態(tài)以確定故障模式）。速度控制系統(tǒng)是由電氣、機械、液壓等設(shè)備組成的水輪發(fā)電機組的主要控制系統(tǒng)。

速度控制系統(tǒng)的設(shè)備分析從設(shè)備層次開始。其原理是根據(jù)子系統(tǒng)-設(shè)備-單元-模塊五個組成層次，將設(shè)備劃分為最小的可服務(wù)單元。速度控制系統(tǒng)分為電控系統(tǒng)、機械液壓系統(tǒng)和壓力油系統(tǒng)，可進一步劃分。巡航控制系統(tǒng)的設(shè)備故障是不斷變化的。如何從大數(shù)據(jù)中獲取設(shè)備健康狀態(tài)診斷故障是關(guān)鍵。一般在了解設(shè)備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計、制造、安裝和使用專家的經(jīng)驗和知識，采用故障結(jié)果和風(fēng)險分析（FMECA）和故障樹（FTA）進行分析。

速度控制系統(tǒng)設(shè)備的其他部分的分析就是在此分析的基礎(chǔ)上進行的。對于控制系統(tǒng)故障的診斷，研究和應(yīng)用最多的方法是模型引用的故障診斷方法，該方法將模型仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的信號與故障診斷的實際測量值進行比較。真實系統(tǒng)如何處理非線性和非線性數(shù)據(jù)，使模型系統(tǒng)與真實系統(tǒng)最相似，是診斷調(diào)速系統(tǒng)故障的關(guān)鍵。數(shù)字儀器模型以儀器分析為基礎(chǔ)，利用可視化建模技術(shù)創(chuàng)建儀器可視化模型，利用分布式物理網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)創(chuàng)建儀器數(shù)字化功能模型，利用信息鏈接技術(shù)，將可視化模型與仿真和真實設(shè)備信息聯(lián)系起來。電腦eur可以自動識別設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)、設(shè)備的工作狀態(tài)和健康狀態(tài)，反映設(shè)備的故障機制。導(dǎo)葉的主伺服電機是速度控制系統(tǒng)的主要實現(xiàn)。導(dǎo)葉壓力分配主閥的液壓輸出PQ轉(zhuǎn)換為輸出機械力FV。設(shè)備分析表明，主伺服電機的主要故障有液壓油泄漏、液壓油泄漏和推拉桿運動拒絕三種形式。分布式物理圖網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)用于對主繼電器的數(shù)字特性進行建模。儀器分析的結(jié)論假設(shè)液壓油的質(zhì)量、壓降和管道中的動態(tài)運行應(yīng)該被忽略。在同一油腔內(nèi)，各處加壓油的壓力相同，加壓油的溫度和最高模數(shù)不變;壓力油的泄漏是層流的[2]。

4.水輪機調(diào)速系統(tǒng)的專家診斷結(jié)構(gòu)

為了提高汽輪機整定系統(tǒng)的診斷效率，可以采用故障軸與專家系統(tǒng)相結(jié)合的診斷方法。這可以充分利用兩種診斷技術(shù)的互補優(yōu)勢，使您的診斷系統(tǒng)更加完善。錯誤樹主要用于對診斷系統(tǒng)的可靠性進行建模和分析。專家系統(tǒng)基于錯誤樹及其搜索策略、邏輯推理策略和診斷。在故障樹模型中，專家系統(tǒng)預(yù)測的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)健康狀態(tài)屬于故障樹的上層事件，預(yù)測系統(tǒng)監(jiān)測的特征信息屬于故障樹的下層事件。專家系統(tǒng)的推理過程類似于錯誤樹的邏輯關(guān)系，通過塊將專家系統(tǒng)和錯誤樹聯(lián)系起來。汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的健康設(shè)置相當(dāng)于故障軸切割偏移量，符合專家系統(tǒng)知識庫的規(guī)則。規(guī)則假設(shè)對應(yīng)截斷集合的下事件到上事件的路徑，規(guī)則結(jié)論對應(yīng)錯誤樹模型截斷集合的基事件。專家系統(tǒng)與誤差模型中指定的最小閾值之間的交互顯著減少了搜索時間。誤差樹模型的優(yōu)點還允許對汽輪機控制系統(tǒng)的健康特征進行分類和提取，以實現(xiàn)對汽輪機控制系統(tǒng)健康狀態(tài)的預(yù)測[3]。

5.水輪機調(diào)速系統(tǒng)的故障樹模型

故障樹分析（FTA）是延遲因果關(guān)系的邏輯框圖，按照完整的樹逐層執(zhí)行，分析系統(tǒng)的可靠性和完整性。它通常用于預(yù)測系統(tǒng)狀況和診斷故障。由于水輪機調(diào)諧系統(tǒng)由電動調(diào)速器、電液伺服系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)三部分組成，因此對水輪機調(diào)諧系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測是最重要的。電動調(diào)節(jié)器、電液伺服系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的狀態(tài)預(yù)測如下。節(jié)點的第二層，即從電液伺服系統(tǒng)外殼延伸出的節(jié)點的第三層，包含電液變壓器、先導(dǎo)閥、主壓力分配閥和繼電器。從液壓箱延伸出來的節(jié)點類型包括閥組、油泵、油泵驅(qū)動、油品等級、油泵啟動頻率等。這一步一直持續(xù)到故障樹模型底部的事件。

速度控制本地監(jiān)控單元是數(shù)據(jù)采集和處理的核心。除了獨立采集數(shù)據(jù)外，它還通過CAN總線從控制器獲取實時數(shù)據(jù)，用于實時仿真、性能評估和運行狀態(tài)分析。數(shù)字模型的數(shù)字優(yōu)勢模型內(nèi)部部分集成。設(shè)備的診斷掃描服務(wù)器是診斷過程的核心。優(yōu)化維修信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲，主要補充機組調(diào)速系統(tǒng)等系統(tǒng)的診斷和故障分析功能。同時，它通過RS-485從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)并發(fā)送給本地的各個檢測單元。服務(wù)器診斷數(shù)字樹模型和錯誤并集成推理算法。變速移動工作站是您系統(tǒng)的重要補充。如果系統(tǒng)無法識別或診斷故障，專家可以從本地單元讀取數(shù)據(jù)進行人工交互診斷和分析。數(shù)字模型的可視化模型與移動工作站等客戶端設(shè)備部分集成，并使用多媒體顯示設(shè)備的健康狀況、預(yù)覽和反應(yīng)故障[4]。

6.結(jié)語

水電機組設(shè)備維護是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。水輪機調(diào)速系統(tǒng)性能評價方法對水輪機正常運作十分重要。其分步實施將有助于提高水電站自動化水平，為少量無人化作業(yè)，特別是實現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)備，包括水電機組穩(wěn)定運行打下堅實基礎(chǔ)。維護條件（如速度控制和勵磁系統(tǒng)）非常重要。從保持狀態(tài)的角度出發(fā)，我們提出了一種基于數(shù)字模型的巡航控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和分析方法。該方法通過分析調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備來確定測量點的位置和數(shù)據(jù)采集方案。在狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，以機組的工作狀態(tài)為前端場景，結(jié)合調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字模型，對汽輪機控制系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)進行評估。使用事件操縱和自控傳播機制診斷設(shè)備故障的基礎(chǔ)，使用視覺模型指示健康狀態(tài)，并重新定向巡航控制設(shè)備以維護速度控制系統(tǒng)。

參考文獻

[1]譚群峰.水輪機調(diào)速系統(tǒng)性能評價方法研究及應(yīng)用[D].湖北：華中科技大學(xué)，2007.DOI：10.7666/d.D489098.

[2]陳青青，姬巧玲，蔡天富.水輪機調(diào)速系統(tǒng)健康狀態(tài)的預(yù)測研究[J].水電與新能源，2015（6）：27-30.DOI：10.13622/j.cnki.cn42 -1800/tv.1671-3354.2015.06.007.

[3]陳燚濤，李朝暉.基于數(shù)字化模型的水輪機調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（9）：72-76.DOI：10.3321/j.issn：1000-1026.2005.09.015.

[4]劉秋華.水輪機調(diào)速系統(tǒng)實時在線監(jiān)測與分析研究[D].湖北：華中科技大學(xué)，2007.DOI：10.7666/d.D489102.

作者簡介：黃永強（1980.05-）、男、漢族、大學(xué)本科、湖南岳陽、工程師 ?主要研究方向：水電廠自動化控制。