國(guó)能重慶萬(wàn)州電力有限責(zé)任公司 周 森

火電機(jī)組熱控系統(tǒng)是控制火力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行和驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)中樞，主要是用于控制發(fā)電機(jī)組的發(fā)電輸出和電能輸出，屬于智能控制系統(tǒng)。目前火電機(jī)組熱控系統(tǒng)在火力發(fā)電廠中得到了廣泛應(yīng)用。火電機(jī)組熱控系統(tǒng)的應(yīng)用雖然能夠有效控制火電機(jī)組，但是由于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用到的軟件和硬件數(shù)量較多，并且火電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于熱控系統(tǒng)的控制精密度要求比較高，在工況負(fù)荷比較大的情況下火電機(jī)組熱控系統(tǒng)非常容易發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)故障，并且發(fā)生故障的概率也比較高[1]。

引發(fā)火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障的原因有很多種，故障類(lèi)型也有很多，其中包括系統(tǒng)邏輯故障、系統(tǒng)硬件設(shè)備故障、系統(tǒng)DCS 裝置異常故障以及系統(tǒng)電源故障等，一旦發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致火電機(jī)組熱控系統(tǒng)停止運(yùn)行，從而導(dǎo)致火力發(fā)電廠無(wú)法正常工作，影響居民企業(yè)正常用電。因此對(duì)火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障分析是非常有必要的[2]。

1 火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障分析方法設(shè)計(jì)

火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障分析是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，故障種類(lèi)多樣，且系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化故障分析難度，減少故障分析運(yùn)算量，此次以殘差理論為故障分析依據(jù)，設(shè)計(jì)一種新的系統(tǒng)故障分析方法，其流程如下：火電機(jī)組熱控系統(tǒng)-無(wú)線傳感器-故障信息重組/故障特征提取-信息殘差-設(shè)計(jì)闕直-輸出結(jié)果。本文提出的系統(tǒng)故障分析方法共分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段是利用無(wú)線傳感器采集系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)；第二個(gè)階段是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行故障信息進(jìn)行重組，并提取到系統(tǒng)運(yùn)行故障特征；第三個(gè)階段是計(jì)算出系統(tǒng)殘差并設(shè)計(jì)閾值，將二者進(jìn)行分析對(duì)比判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。以下將對(duì)該三個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 火電機(jī)組熱控系統(tǒng)信息采集

信息數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)故障分析的基礎(chǔ)工作，根據(jù)系統(tǒng)故障分析需求，此次利用無(wú)線傳感技術(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行信息進(jìn)行采集。選取的無(wú)線傳感器為GNKBNJS/5S5DA5型號(hào)微波無(wú)線傳感器，該傳感器體積小，重量輕，能夠準(zhǔn)確讀取到系統(tǒng)中軟件與硬件的運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過(guò)BGSK 接口將GNKBNJS/5S5DA5型號(hào)微波無(wú)線傳感器與火電機(jī)組熱控系統(tǒng)連接，在無(wú)線傳感器操控界面中選中添加系統(tǒng)的所有軟件和硬件，并對(duì)無(wú)線傳感器的讀取頻率、周期、范圍以及數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行設(shè)定，具體技術(shù)參數(shù)值需要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況而定[3]。利用網(wǎng)絡(luò)接口將GNKBNJS/5S5DA5型號(hào)微波無(wú)線傳感器與局域網(wǎng)連接，在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中截獲系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)到無(wú)線傳感器S/D 硬盤(pán)中，利用數(shù)據(jù)線將S/D 硬盤(pán)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。

1.2 火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障特征提取

采集到系統(tǒng)運(yùn)行信息之后，需要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行信息進(jìn)行系統(tǒng)的分析，提取到系統(tǒng)運(yùn)行故障特征，此次將采集到的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)集合設(shè)定為K，假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行故障數(shù)據(jù)之間存在一定的距離，其距離設(shè)定為h，將集合K 中所有的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)放入到系統(tǒng)故障特征分類(lèi)域x 中，以此構(gòu)建一個(gè)火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障分析大數(shù)據(jù)融合最優(yōu)分類(lèi)平面K，如果系統(tǒng)故障特征量滿足最優(yōu)分類(lèi)平面K 大于運(yùn)行故障特征之間的距離h 條件，則系統(tǒng)故障信息分布的關(guān)聯(lián)系數(shù)為1；如果系統(tǒng)故障特征量滿足最優(yōu)分類(lèi)平面K小于運(yùn)行故障特征之間的距離h 條件，則系統(tǒng)故障信息分布的關(guān)聯(lián)系數(shù)為-1。

通過(guò)上述分析，并根據(jù)系統(tǒng)故障分析需求，系統(tǒng)運(yùn)行故障信息量應(yīng)該滿足的條件為：系統(tǒng)運(yùn)行故障特征之間的距離h 為1[4]。按照上述過(guò)程對(duì)采集的系統(tǒng)運(yùn)行信息進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行故障信號(hào)的幅度值和采樣頻段進(jìn)行拉伸，由此可以得到重組后的系統(tǒng)運(yùn)行非平穩(wěn)信號(hào)。在上述基礎(chǔ)上再對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行故障信息進(jìn)行分類(lèi)，由于系統(tǒng)故障類(lèi)型比較多，且沒(méi)有明顯的規(guī)律性，因此將系統(tǒng)運(yùn)行故障分類(lèi)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問(wèn)題，利用UGUHG/5964增減量式支持向量機(jī)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行故障特征進(jìn)行準(zhǔn)確分類(lèi)，最后根據(jù)UGUHG/5964增減量式支持向量機(jī)的分類(lèi)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障特征的提取，為后續(xù)系統(tǒng)故障分析提供依據(jù)。

1.3 基于殘差診斷分析火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障

殘差可以反映出兩個(gè)系統(tǒng)或者物體之間不一致程度，也是設(shè)備、系統(tǒng)故障診斷中常見(jiàn)的一種手段，因此在上述基礎(chǔ)上，以殘差理論作為理論基礎(chǔ)，對(duì)火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障信息分析，計(jì)算系統(tǒng)殘差，利用殘差分析出火電機(jī)組熱控系統(tǒng)運(yùn)行信息中出現(xiàn)的突變信息，其計(jì)算過(guò)程如下。

在火電機(jī)組熱控系統(tǒng)中，各軟件、硬件設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的殘差定義為y，殘差分別包括系統(tǒng)控制輸出量殘差和系統(tǒng)電流殘差，其計(jì)算公式為式（1）：，式中，y(t)表示時(shí)間為t 時(shí)火電機(jī)組熱控系統(tǒng)殘差值；y1表示系統(tǒng)控制輸出量殘差；y2表示系統(tǒng)電流殘差；y1＊表示系統(tǒng)實(shí)際控制輸出量；yr表示系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)控制輸出量；y2＊表示實(shí)際系統(tǒng)電機(jī)電流量；yu表示系統(tǒng)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電流量[5]。系統(tǒng)殘差取控制輸出量殘差和系統(tǒng)電流殘差均值。當(dāng)火電機(jī)組熱控系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，殘差y 為均值為零的高斯白噪聲；當(dāng)火電機(jī)組熱控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，殘差y 的均值不再為零，因此可以根據(jù)殘差y 值來(lái)判斷火電機(jī)組熱控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)[6]。

火電機(jī)組熱控系統(tǒng)殘差的計(jì)算目的是為了在避免誤報(bào)警的前提下，判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，也就是是否發(fā)生故障，為了更好地實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，在系統(tǒng)故障分析運(yùn)算中插入一個(gè)閾值，將閾值作為判斷系統(tǒng)故障的標(biāo)準(zhǔn)，閾值的計(jì)算公式為N=u+wp，式中，N表示火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障分析閾值；u 表示火電機(jī)組熱控系統(tǒng)正常時(shí)的殘差均值；w 表示比例系數(shù)，通過(guò)比例系數(shù)取值為1.5；p 表示火電機(jī)組熱控系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的殘差方差。如果火電機(jī)組熱控系統(tǒng)殘差值y 大于閾值N，則判定火電機(jī)組熱控系統(tǒng)存在故障；如果火電機(jī)組熱控系統(tǒng)殘差值y 小于閾值N，則判定火電機(jī)組熱控系統(tǒng)沒(méi)有故障，以此實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障分析。

2 火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障分析及改進(jìn)措施

使用本文提出方法，針對(duì)三種常見(jiàn)的系統(tǒng)硬件設(shè)備故障、電源故障以及系統(tǒng)邏輯故障情況進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

2.1 系統(tǒng)熱控就地硬件設(shè)備故障

對(duì)系統(tǒng)熱控就地硬件設(shè)備的軸承進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，檢查系統(tǒng)熱控就地硬件設(shè)備軸承回路，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)熱控就地硬件設(shè)備B 柱軸承封漏氣量比較大，泄漏的水蒸氣沿著B(niǎo) 柱滲漏到系統(tǒng)延伸電纜處，并遇到冷空氣凝結(jié)成水時(shí)，是發(fā)生了硬件設(shè)備故障。這種情況下容易導(dǎo)致火電機(jī)組熱控系統(tǒng)延伸電纜絕緣性能下降，從而引發(fā)系統(tǒng)的信號(hào)故障[7]。造成該故障的原因是因?yàn)闊峥鼐偷赜布O(shè)備軸承缺乏潤(rùn)滑，由于軸承摩擦量加重，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下熱控就地硬件設(shè)備軸承表面溫度升高，造成B 柱軸承表面出現(xiàn)裂縫，熱控就地硬件設(shè)備內(nèi)蒸汽向外散發(fā)，從而出現(xiàn)以上情況。

根據(jù)該故障特征，對(duì)熱控就地硬件設(shè)備B 柱軸承進(jìn)行更換，并加入適量的順滑劑，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中定時(shí)向熱控就地硬件設(shè)備B 柱軸承表面噴水，以此將其軸承表面溫度，避免出現(xiàn)軸承斷裂，通過(guò)采取該措施，解決系統(tǒng)熱控就地硬件設(shè)備故障。

2.2 系統(tǒng)電源故障

當(dāng)火電機(jī)組熱控系統(tǒng)某機(jī)組線路與相鄰的另一機(jī)組線路全部失電時(shí)，兩個(gè)機(jī)組的電源開(kāi)關(guān)均處于跳閘狀態(tài)，這是典型的火電機(jī)組熱控系統(tǒng)電源故障。該故障出現(xiàn)的原因主要為火電機(jī)組熱控系統(tǒng)變壓器運(yùn)行紊亂導(dǎo)致系統(tǒng)上級(jí)開(kāi)關(guān)跳閘，跳閘后系統(tǒng)的失電信號(hào)無(wú)法正常傳輸，進(jìn)而觸發(fā)變壓器附近的三號(hào)機(jī)組和四號(hào)機(jī)組線路失電，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)該故障，將會(huì)造成火電機(jī)組熱控系統(tǒng)運(yùn)行癱瘓。結(jié)合該故障的原因和特征，將系統(tǒng)變壓器更換為AC220V/DC24V 變壓器，并將兩個(gè)故障機(jī)組的電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)，保證系統(tǒng)機(jī)組正常送電。更換完變壓器后啟動(dòng)系統(tǒng)并網(wǎng)，以此解決系統(tǒng)的電源故障。

2.3 系統(tǒng)控制邏輯故障

當(dāng)火電機(jī)組熱控系統(tǒng)P 引風(fēng)機(jī)控制指令在智能模式下隨著N 引風(fēng)機(jī)控制指令增大而增大時(shí)，火電機(jī)組的爐膛負(fù)壓容易超出預(yù)先設(shè)定的控制限值，并會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間逐漸增加，這是典型的火電機(jī)組熱控系統(tǒng)控制邏輯故障。造成該故障的原因在于系統(tǒng)操作人員操作錯(cuò)誤，在P 引風(fēng)機(jī)投入智能模式時(shí)操控停運(yùn)送風(fēng)機(jī)擋板，當(dāng)P 引風(fēng)機(jī)控制指令速度增大時(shí)，N 引風(fēng)機(jī)控制已投入智能，輸出指令就會(huì)隨之增大，因此系統(tǒng)火電機(jī)組運(yùn)行速率無(wú)法抑制，進(jìn)而造成火電機(jī)組爐腔內(nèi)壓力增大到兩倍，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)該故障，將會(huì)造成火電機(jī)組熱控系統(tǒng)跳機(jī)現(xiàn)象。

根據(jù)以上分析，將系統(tǒng)P 引風(fēng)機(jī)改為汽機(jī)沖轉(zhuǎn)模式，重新設(shè)定火電機(jī)組的爐膛復(fù)壓限值，隨后對(duì)火電機(jī)組的鍋爐重新點(diǎn)火，并將系統(tǒng)并網(wǎng)帶負(fù)荷。當(dāng)火電機(jī)組的鍋爐內(nèi)溫度達(dá)到750℃時(shí)，開(kāi)啟N 引風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)，并將N 引風(fēng)機(jī)的控制模式設(shè)定為自定義模式，隨時(shí)觀察N 引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，運(yùn)行穩(wěn)定后轉(zhuǎn)化為智能模式。火電機(jī)組熱控系統(tǒng)控制邏輯故障的改進(jìn)需要了解其出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤的位置，這樣才能準(zhǔn)確對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行邏輯輸出。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)論證

實(shí)驗(yàn)以某火電機(jī)組熱控系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該火電機(jī)組熱控系統(tǒng)共包含18種軟件和11種硬件設(shè)備，系統(tǒng)使用年限比較久，運(yùn)行過(guò)程中故障頻發(fā)，利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行故障分析，檢驗(yàn)此次設(shè)計(jì)的火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障分析方法的有效性和可靠性。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了GNKBNJS/5S5DA5型號(hào)微波無(wú)線傳感器1臺(tái)，增減量式支持向量機(jī)一臺(tái)，將無(wú)線傳感器信息讀取頻段設(shè)定為2.36Hz，讀取周期設(shè)定為1.5s，讀取范圍設(shè)定為0～1m。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：開(kāi)啟火電機(jī)組熱控系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，令系統(tǒng)保持運(yùn)行狀態(tài)，利用GNKBNJS/5S5DA5型號(hào)微波無(wú)線傳感器對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)樣本集合為3000個(gè)，數(shù)據(jù)量為234GB，采用4個(gè)16位輸入通道進(jìn)行系統(tǒng)故障信號(hào)加載以及指令傳輸控制。利用公式（1）計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行殘差均值，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)故障分析閾值，輸出結(jié)果（圖1）。

實(shí)驗(yàn)利用兩種方法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行故障分析100次，運(yùn)用設(shè)計(jì)方法分析到的系統(tǒng)故障分別為系統(tǒng)邏輯故障76個(gè)、系統(tǒng)硬件設(shè)備故障162個(gè)、系統(tǒng)DCS 裝置異常故障42個(gè)以及系統(tǒng)電源故障36個(gè)，利用上文提出的改進(jìn)措施對(duì)故障進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。實(shí)驗(yàn)分別抽取10次故障分析結(jié)果，將分析到的故障數(shù)量與實(shí)際情況比較，利用BLO 軟件計(jì)算出兩種方法應(yīng)用過(guò)程中的誤診率，并使用電子表格對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，此次設(shè)計(jì)的方法檢出量與實(shí)際數(shù)量基本相同，誤診率均在1%以內(nèi)，最小誤診率為零，說(shuō)明設(shè)計(jì)方法對(duì)于火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障分析精度比較高；而傳統(tǒng)方法檢出量與實(shí)際數(shù)量差距比較大，多數(shù)情況下故障檢出量要比實(shí)際故障數(shù)量多，系統(tǒng)故障誤診率比較高，最大誤診率為22.75%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)方法，因此實(shí)驗(yàn)證明了此次設(shè)計(jì)的方法具有良好的可行性，分析結(jié)果可靠性比較高，更適用于火電機(jī)組熱控系統(tǒng)故障分析，并且可以針對(duì)故障的分析結(jié)果，進(jìn)行上述提出的改進(jìn)措施。