中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司水電科學(xué)研究院 黃永強(qiáng)

水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)由控制器和調(diào)速裝置組成，其主要任務(wù)是通過調(diào)整導(dǎo)葉和槳葉開度，隨電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度需求變化控制進(jìn)水量大小，它的功能不僅是維持機(jī)組速度（頻率）的穩(wěn)定，還可以對(duì)機(jī)組在啟動(dòng)、停網(wǎng)、增減負(fù)荷、事故停機(jī)等不同工況下進(jìn)行調(diào)節(jié)和監(jiān)視。如果調(diào)節(jié)器在水輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行期間發(fā)生故障，可能導(dǎo)致非計(jì)劃停機(jī)或機(jī)組飛車，甚至危及人員和設(shè)備的安全，目前對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)化研究較少，有必要開發(fā)一套水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化決策系統(tǒng)，滿足調(diào)速系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)、歷史回顧、數(shù)據(jù)處理、工況分析、記錄等功能。

該智能診斷系統(tǒng)一是應(yīng)具有良好的開放性、交互性和可擴(kuò)展性，提供故障診斷和優(yōu)化水輪發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器運(yùn)行所需的信息，并為調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化和維護(hù)提供支持；二是監(jiān)控水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀況，準(zhǔn)確獲取調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)信息，及時(shí)給出故障報(bào)警，并根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)信息的狀態(tài)分析，對(duì)設(shè)備可能存在的缺陷或故障進(jìn)行預(yù)警；三是專業(yè)人員可根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)的歷史記錄分析設(shè)備和系統(tǒng)工況實(shí)時(shí)狀態(tài)的評(píng)估，方便技術(shù)人員快速便捷擬定診斷系統(tǒng)調(diào)速性能下降和系統(tǒng)健康狀況惡化的原因維護(hù)檢修方案，為調(diào)速系統(tǒng)的維護(hù)和維修提供決策支持；四是對(duì)水電廠逐步開展?fàn)顟B(tài)檢修，提高維護(hù)檢修效率具有重要意義。

就目前國內(nèi)現(xiàn)已研發(fā)的智能診斷系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)效果并不理想，其中該智能診斷系統(tǒng)能夠可靠進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理和診斷結(jié)果分析功能的有限，而且還存在在線自動(dòng)診斷的功能不完善的缺陷，不能向運(yùn)行人員和檢修維護(hù)人員提供有效的診斷結(jié)果，所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足水電廠正常運(yùn)行和檢修狀態(tài)的實(shí)際要求，其主要原因如下：

缺乏高深的理論知識(shí)和技術(shù)來支持失效自故障機(jī)理；缺乏一個(gè)科學(xué)客觀的系統(tǒng)來高效地整合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)故障診斷結(jié)果。目前由于實(shí)驗(yàn)故障診斷是一項(xiàng)實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，要求科研人員結(jié)合參與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際診斷的技術(shù)人員和具有豐富領(lǐng)域知識(shí)的專家，盡可能建立一套貼近實(shí)際的規(guī)則，并同時(shí)要求推理機(jī)制與實(shí)際診斷思維方法和診斷信息相結(jié)合。為了建立一個(gè)接近人工診斷的推理系統(tǒng)，就目前大多數(shù)科研人員對(duì)實(shí)際的診斷過程及其特點(diǎn)還不夠了解全面；在知識(shí)的獲取和應(yīng)用以及人工智能和專家系統(tǒng)方面還存在一些問題，人工智能和專家系統(tǒng)在工程應(yīng)用中未能達(dá)到預(yù)期水平，問題的核心仍然是獲取知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的問題，即如何結(jié)合好掌握的知識(shí)、如何推理、如何提高自學(xué)能力。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)專家系統(tǒng)實(shí)施方法和規(guī)則的研究。

1 調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

硬件結(jié)構(gòu)：該系統(tǒng)設(shè)置一面在線監(jiān)測(cè)控制柜，柜內(nèi)配置一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及運(yùn)行于數(shù)據(jù)服務(wù)器平臺(tái)上的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊方式與調(diào)速器電柜主控平臺(tái)(PLC)、油壓控制柜主控平臺(tái)(PLC)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，獲取所需狀態(tài)信息，并將相關(guān)報(bào)警數(shù)據(jù)、診斷分析結(jié)果發(fā)送至Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)中心。

軟件結(jié)構(gòu)：水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化決策軟件，包括狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和優(yōu)化決策子系統(tǒng)。狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包含四個(gè)功能模塊：人機(jī)界面模塊提供軟件系統(tǒng)和用戶的交互功能，用戶通過界面監(jiān)視調(diào)速器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，查詢報(bào)警事件和歷史錄波曲線等；數(shù)據(jù)通訊模塊用于從調(diào)速器主控平臺(tái)(PLC)采集數(shù)據(jù)，并將處理過后的數(shù)據(jù)發(fā)送給Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)中心；通訊模塊以通訊驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，能夠支持基于不同通訊規(guī)約、通訊介質(zhì)的通訊系統(tǒng)，如Modbus Rtu、Modbus TCP/IP 等[1]；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給優(yōu)化決策子系統(tǒng)用于專家決策。故障錄波用于記錄報(bào)警事件和實(shí)時(shí)波形曲線，用戶可以查看歷史報(bào)警事件和歷史波形曲線，并保存為數(shù)據(jù)文件（圖1）。

2 調(diào)速系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化決策分析

水力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)過程主要包括：?jiǎn)?dòng)機(jī)組、空載頻率波動(dòng)或者擾動(dòng)、接力器固定時(shí)間、負(fù)載機(jī)組甩負(fù)荷、一次頻率和獨(dú)網(wǎng)運(yùn)行。一般情況下，接力器的打開時(shí)間和接力器的關(guān)閉時(shí)間限制了接力器運(yùn)動(dòng)期間的速度；而完全打開的接力器和完全關(guān)閉的接力器的位置，其兩個(gè)位置在接力器移動(dòng)期間限制限位位置，是接力器運(yùn)動(dòng)過程中的主要非線性要素[2]。基于接力器運(yùn)動(dòng)進(jìn)入上述所述位置和水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)工況這一事實(shí)，可以將水輪機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程可分為大振蕩（大擾動(dòng)）和小振蕩（小擾動(dòng)）等兩個(gè)動(dòng)態(tài)工況過程。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿負(fù)載甩負(fù)荷動(dòng)態(tài)過程和水輪發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)空載頻率波動(dòng)或者擾動(dòng)動(dòng)態(tài)過程這兩個(gè)過程的特性有著密切的關(guān)系。這兩個(gè)過程的系統(tǒng)特性是具有遲緩型、優(yōu)良型空載頻率波動(dòng)或者擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)也是具有與之對(duì)應(yīng)相同的遲緩型 、優(yōu)良型的機(jī)組滿負(fù)載甩負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性。

舉個(gè)實(shí)例比如：如果一個(gè)具有遲緩型水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)空載頻率波動(dòng)或者擾動(dòng)動(dòng)態(tài)過程特性的系統(tǒng)，那么這個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組滿負(fù)載甩負(fù)荷動(dòng)態(tài)過程特性很有可能也是一個(gè)具有遲緩型動(dòng)態(tài)特性。基于這兩個(gè)過程的密切特性有效的為水電站水輪發(fā)電機(jī)組選取調(diào)速器的PID 控制器參數(shù)提供全面數(shù)據(jù)和路徑，目前根據(jù)水電廠的水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)情況，不能滿足進(jìn)行數(shù)次滿負(fù)載甩負(fù)荷動(dòng)態(tài)過程[3]。所以通常在水輪發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)空載頻率波動(dòng)或者擾動(dòng)動(dòng)態(tài)過程試驗(yàn)中，通過選擇調(diào)速器的PID 控制器參數(shù)，使其具有優(yōu)良型的空載頻率波動(dòng)或者擾動(dòng)動(dòng)特性，從而也就可以選取水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿負(fù)載甩負(fù)荷時(shí)的調(diào)速器的PID 控制器參數(shù)。

基于水輪發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)工況優(yōu)化系統(tǒng)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析技術(shù)，采集多方面有關(guān)水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真驗(yàn)證結(jié)果，用于分析水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)組、空載頻率波動(dòng)或者擾動(dòng)、接力器固定時(shí)間、負(fù)載機(jī)組甩負(fù)荷、一次頻率等動(dòng)態(tài)過程來確定動(dòng)態(tài)過程類型。其次可以在分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程曲線與數(shù)表的基礎(chǔ)上，對(duì)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行處理和分析，還有在專家知識(shí)庫的幫助下提供相應(yīng)的輔助決策支持，指出水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器PID調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化的方向和數(shù)值[4]。為客觀描述和反映水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)過程類型，如圖2～4列舉一些關(guān)于某水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)不同負(fù)荷工況和事故情況下的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)例。

圖2 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)組滿負(fù)載甩負(fù)荷動(dòng)態(tài)過程模擬分析圖

3 調(diào)速系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)優(yōu)化決策方案及效果評(píng)價(jià)

通常，調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)對(duì)象主要是調(diào)速器系統(tǒng)本體及油壓系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備，包括兩部分：調(diào)速系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，調(diào)速系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)參數(shù)包括控制參數(shù)、動(dòng)靜態(tài)特性參數(shù)和機(jī)組控制參數(shù)[5]；工況監(jiān)測(cè)參數(shù)包括油壓及調(diào)速器的運(yùn)行參數(shù)和電廠的運(yùn)行參數(shù)，目前，調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的研究重點(diǎn)是速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能工況的監(jiān)測(cè)和診斷。

圖3 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)空載頻率波動(dòng)或擾動(dòng)動(dòng)態(tài)過程模擬分析圖

圖4 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)負(fù)荷工況動(dòng)態(tài)過程模擬分析圖

主要有以下功能：實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)調(diào)速系統(tǒng)和智能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分析。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)調(diào)速系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線、實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)列表，記錄故障事件等，可動(dòng)態(tài)顯示油源系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，將用相應(yīng)的捕捉標(biāo)志具體位置指示，提醒對(duì)其進(jìn)行診斷分析；事件記錄和事故收集：設(shè)備狀態(tài)信息90天期間，系統(tǒng)運(yùn)行過程和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行全面和完整保存信息，以執(zhí)行故障錄波和試驗(yàn)記錄功能；優(yōu)化決策：根據(jù)對(duì)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)信息的分析，評(píng)估設(shè)備的性能和健康狀態(tài)，然后基于對(duì)調(diào)速系統(tǒng)性能和健康狀況的評(píng)估，快速診斷設(shè)備性能不佳和健康狀況惡化的原因，并做出維護(hù)調(diào)速系統(tǒng)的最佳決策。

效果評(píng)價(jià)：即使該系統(tǒng)停運(yùn)后，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、歷史回顧、數(shù)據(jù)處理、工況分析記錄等功能，為機(jī)組故障診斷提供必要的信息和決策建議，并對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化維護(hù)，每年節(jié)約大量的調(diào)速系統(tǒng)維護(hù)設(shè)備成本，同時(shí)提高設(shè)備使用小時(shí)數(shù)，提高發(fā)電效率；安裝該系統(tǒng)后，能夠有效和完整的積累大量調(diào)整系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況狀態(tài)和過程調(diào)整參數(shù)，為后期水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備故障建模和分析提供歷史數(shù)據(jù)借鑒和支持；該系統(tǒng)可推廣應(yīng)用于國內(nèi)同類型的其他水電站，以充分了解運(yùn)行狀態(tài)，改變本廠的調(diào)速系統(tǒng)的變化趨勢(shì)，對(duì)其他水電站逐步因地制宜進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)和檢修具有重要意義。

經(jīng)濟(jì)效益：該決策方案在應(yīng)用于某電廠6號(hào)機(jī)組后，能夠?qū)崿F(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、歷史回顧、數(shù)據(jù)處理、故障預(yù)警等功能,具有很好的開放性、交互性和擴(kuò)展性,能夠?yàn)闄C(jī)組故障診斷提供必要的信息與決策建議,對(duì)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)施優(yōu)化維護(hù)提供重要支撐依據(jù)。有效避免因調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間。洪江電廠平均每臺(tái)機(jī)組每年因調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)時(shí)間1天平均值來算，1天發(fā)電量：4.5萬千瓦×1天×24小時(shí)/天=108萬千瓦時(shí)，電廠上網(wǎng)電價(jià)為0.35元/千瓦時(shí)，提高機(jī)組可用小時(shí)數(shù)可增發(fā)電量創(chuàng)收：108萬千瓦時(shí)×0.35元/千瓦=37.8萬元，6臺(tái)機(jī)組可創(chuàng)收37.8萬元×6=226.8萬元。

綜上，該廠對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)優(yōu)化新決策方案實(shí)施以后，能夠?qū)崟r(shí)評(píng)估調(diào)速系統(tǒng)的工況參數(shù)和性能狀態(tài)，鑒別系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，識(shí)別故障點(diǎn)的最初癥狀，判斷故障的位置點(diǎn)、損害程度和故障的發(fā)展趨勢(shì)等，并且做出結(jié)果診斷或數(shù)據(jù)共借鑒，這樣可以保證系統(tǒng)或者設(shè)備性能指標(biāo)未達(dá)到規(guī)定或即將發(fā)生故障之前，對(duì)設(shè)備進(jìn)行超前維護(hù)或者檢修，提高設(shè)備的可利用率，快速擬定檢修計(jì)劃，為設(shè)備的安全性、可靠性、長(zhǎng)期運(yùn)行性等提供有力技術(shù)支持和保證，此外可以為公司節(jié)約開支，節(jié)省創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，該廠對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)優(yōu)化新決策方案，可在國內(nèi)其他同類型水電站進(jìn)行推廣應(yīng)用，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障分析診斷有非常重要的意義。