一種基于知識(shí)庫的蓄能機(jī)組啟停流程故障分析平臺(tái)

黃中杰

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東省廣州市 510950）

0 引言

目前，我國抽水蓄能電站建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期。抽水蓄能機(jī)組在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用及吸收多余電能等多種任務(wù)，是目前電網(wǎng)最重要的儲(chǔ)能和調(diào)峰調(diào)頻環(huán)節(jié)。抽水蓄能機(jī)組在啟停過程中最容易出現(xiàn)故障，且表現(xiàn)出的故障形式多種多樣，故障機(jī)理過程也十分復(fù)雜。

目前國內(nèi)外的蓄能機(jī)組故障診斷技術(shù)主要為基于設(shè)備故障樹的匹配診斷方法，形式單一、功能簡單，不能適應(yīng)目前抽水蓄能機(jī)組多種工況轉(zhuǎn)換，流程復(fù)雜且故障多發(fā)的應(yīng)用現(xiàn)狀。通過研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對蓄能機(jī)組在線監(jiān)測和分析診斷方面的研究主要缺點(diǎn)在于：①集中在狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)集成和故障的診斷方法上，目前的研究成果還不能滿足現(xiàn)場需求；②電廠現(xiàn)有系統(tǒng)大多仍以圖表曲線顯示、訊號(hào)或指示報(bào)警等為主，由于對報(bào)警值的設(shè)定缺乏科學(xué)性，使得系統(tǒng)無法做到準(zhǔn)確異?；蚬收吓袛?，對于故障診斷還是需要技術(shù)人員或?qū)＜曳治鰜淼贸鲎罱K結(jié)果；③有些系統(tǒng)雖具有故障診斷功能，但達(dá)不到實(shí)用的水平；④在設(shè)備狀態(tài)檢修方面，直接依靠在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能來決定機(jī)組檢修，目前的水平還滿足不了要求，仍以提供技術(shù)支持為主。

1 功能設(shè)計(jì)

本平臺(tái)通過開發(fā)啟停流程知識(shí)庫，完成流程相關(guān)特征信息的規(guī)則編寫。開停機(jī)知識(shí)庫包括：機(jī)組各工況流程步跨步條件（對應(yīng)實(shí)際設(shè)備狀態(tài)點(diǎn)）；機(jī)組各工況流程步正常執(zhí)行時(shí)間和超時(shí)時(shí)間；機(jī)組正常開停機(jī)時(shí)間；重要設(shè)備開合時(shí)間間隔；熱工保護(hù)測定狀態(tài)等。

根據(jù)知識(shí)庫制定相關(guān)規(guī)則，完成對應(yīng)故障分析算法，最終實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)庫的蓄能機(jī)組啟停流程故障分析平臺(tái)。該平臺(tái)主要功能一是流程狀態(tài)識(shí)別，判定機(jī)組啟停狀態(tài)是否正常，提供機(jī)組健康狀態(tài)評估和故障預(yù)警，避免和預(yù)防故障的發(fā)生；二是故障預(yù)測，預(yù)測機(jī)組啟停狀態(tài)的相關(guān)設(shè)備發(fā)展趨勢，提供設(shè)備性能評估與預(yù)測，快速定位異常設(shè)備，為制定合理的檢維修決策提供技術(shù)保障，使維修工作目的明確、方法科學(xué)、時(shí)間縮短，對保障機(jī)組的安全可靠運(yùn)行及獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有重大意義。

2 基于知識(shí)庫的蓄能機(jī)組啟停流程故障分析平臺(tái)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為基于知識(shí)庫的蓄能機(jī)組啟停流程故障分析平臺(tái)的示意圖，表明該系統(tǒng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理和各個(gè)部分之間的架構(gòu)和流程傳遞關(guān)系。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig．1 System Architecture

2.2 靜態(tài)結(jié)構(gòu)特征

本系統(tǒng)主要包括知識(shí)庫管理模塊、算法模塊、后臺(tái)處理模塊、用戶界面和抽水蓄能機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)（含主計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)、工程師站、操作員站和遠(yuǎn)動(dòng)裝置及其搭設(shè)網(wǎng)絡(luò)）。

故障分析的前提條件是要有一定數(shù)量的能反映故障信息的故障特征形成的知識(shí)庫。蓄能機(jī)組在啟停過程中出現(xiàn)異常，會(huì)引起一些物理參數(shù)的變化，比如出現(xiàn)某些異常會(huì)引起異常噪聲、振動(dòng)加劇等現(xiàn)象，此時(shí)監(jiān)測到的振動(dòng)、噪聲等物理參數(shù)就會(huì)發(fā)生變化。將表征機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)備參數(shù)稱為特征參數(shù)，特征參數(shù)的信息條目稱為特征信息。特征信息一般來源于對運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測（在線監(jiān)測和離線監(jiān)測），按其監(jiān)測對象可分為電流、電壓、功率等的電氣參數(shù)，振動(dòng)、行程、位移、導(dǎo)葉開度、間隙等的機(jī)械參數(shù)，水位、流量、壓力等的水力參數(shù)，應(yīng)力應(yīng)變等的力學(xué)參數(shù)，瓦溫、油溫、繞組溫度等的熱量參數(shù)等。同時(shí)，特征信息也包括不同流程中不同流程步的信息。

知識(shí)庫規(guī)則范式如下：

（1）流程步。

各字段含義為：

U：機(jī)組。標(biāo)明該條規(guī)則對應(yīng)的機(jī)組。

O：工況信息。標(biāo)明該條規(guī)則對應(yīng)的工況。

S：流程步。標(biāo)明該條規(guī)則對應(yīng)工況的流程第幾步。

Time：流程步時(shí)間。標(biāo)明該條規(guī)則對應(yīng)流程步執(zhí)行完所需的常規(guī)時(shí)間。

Regulation：修正值。由系統(tǒng)自動(dòng)生成并更新修正值，不需要管理人員填寫。

Manual：人工調(diào)整值。為絕對值百分比，空值默認(rèn)為0。

（2）特征標(biāo)準(zhǔn)前綴。

各字段含義為：

U：機(jī)組。標(biāo)明該條規(guī)則對應(yīng)的機(jī)組。

O：工況信息。標(biāo)明該條規(guī)則對應(yīng)的工況。

S：流程步。標(biāo)明該條規(guī)則對應(yīng)工況的流程第幾步。

T：跳閘標(biāo)識(shí)。標(biāo)明該條規(guī)則是否表明機(jī)組跳閘。

A/D：模/數(shù)標(biāo)識(shí)。標(biāo)明該條規(guī)則對應(yīng)的是模擬量或開關(guān)量特征信息，針對不同情況會(huì)連接模擬量后綴或開關(guān)量后綴。

Message：特征信息。與監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫條目匹配。

以上字段均通過管理人員填寫，不能為空。

（3）模擬量后綴。

Interval：區(qū)間值。標(biāo)明監(jiān)視時(shí)間區(qū)間，非空。

Edge：跳變值。標(biāo)明跳變幅度，非空。

Regulation：修正值。由系統(tǒng)自動(dòng)生成并更新修正值，不需要管理人員填寫。

Manual：人工調(diào)整值。為絕對值百分比，空值默認(rèn)為0。

（4）開關(guān)量后綴。

P Edge：從0到1變位區(qū)間值。標(biāo)明監(jiān)視時(shí)間區(qū)間，空值說明不分析。

N Edge：從1到0變位區(qū)間值。標(biāo)明監(jiān)視時(shí)間區(qū)間，空值說明不分析。

P Count：從0到1變位次數(shù)。標(biāo)明設(shè)備從分位到合位動(dòng)作次數(shù)，空值說明不分析。

N Count：從1到0變位次數(shù)。標(biāo)明設(shè)備從分位到合位動(dòng)作次數(shù)，空值說明不分析。

（注：以上4個(gè)字段至少有1個(gè)字段不為空值）

Regulation：修正值。由系統(tǒng)自動(dòng)生成并更新修正值，不需要管理人員填寫。

Manual：人工調(diào)整值。為絕對值百分比，空值默認(rèn)為0。

知識(shí)庫管理模塊通過提供管理接口，完成規(guī)則編寫制定。同時(shí)，允許管理人員對知識(shí)庫進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，備份及恢復(fù)等管理操作。

算法模塊提取對應(yīng)的規(guī)則，對蓄能機(jī)組啟停流程實(shí)施分析，對故障進(jìn)行報(bào)警，并對異常情況進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，將該次流程成功執(zhí)行結(jié)束后的相關(guān)信息進(jìn)行計(jì)算，更新對應(yīng)規(guī)則的修正值。

后臺(tái)處理模塊對監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的一覽表信息進(jìn)行調(diào)用，對數(shù)據(jù)查詢進(jìn)行優(yōu)化，并將特征信息與算法模塊進(jìn)行交互。

用戶界面即用戶訪問和操作該平臺(tái)系統(tǒng)的人機(jī)接口，提供用戶輸入查詢、參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)輸出相關(guān)界面。

抽水蓄能機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)，包括主計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)、工程師站、操作員站和遠(yuǎn)動(dòng)裝置及其搭設(shè)網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)具備實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)抽水蓄能機(jī)組功能，負(fù)責(zé)抽水蓄能機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理，能夠提供全面的事件記錄和曲線記錄，為事故原因查找和關(guān)鍵設(shè)備變化趨勢分析提供很好的工具。同時(shí)，對其所監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，若有異常則及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，以告知值班人員或維護(hù)人員。監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)至后臺(tái)處理模塊，確保本系統(tǒng)的實(shí)用性、實(shí)時(shí)性和可靠性。

2.3 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特征

本系統(tǒng)具備流程分析、模擬量特征分析、開關(guān)量特征分析、智能調(diào)節(jié)等功能。流程分析功能對不同工況流程的每一步進(jìn)行分析，對跳閘信號(hào)進(jìn)行報(bào)警并鎖定跳閘時(shí)刻流程狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，同時(shí)對異常的流程執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行提示。該功能相關(guān)信息如下：

（1）機(jī)組進(jìn)入某一個(gè)啟停工況流程的第一步。

（2）監(jiān)測是否有跳閘信號(hào)。若有，則發(fā)出報(bào)警并鎖定當(dāng)前時(shí)刻的流程狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)；若無，則等待流程步執(zhí)行完畢。

（3）監(jiān)測流程是否超時(shí)。若超時(shí)，則發(fā)出報(bào)警并鎖定當(dāng)前時(shí)刻的流程狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)；若未超時(shí)，則記錄并顯示本次流程步所用時(shí)間。

（4）根據(jù)本次流程步所用時(shí)間，比對流程步預(yù)設(shè)時(shí)間。若超過預(yù)設(shè)時(shí)間則發(fā)出提示。同時(shí)，根據(jù)所用時(shí)間自動(dòng)計(jì)算流程步時(shí)間的修正值，更新預(yù)設(shè)時(shí)間。

（5）進(jìn)入流程第二步，重復(fù)（2）～（4）步內(nèi)容，直到所有流程步結(jié)束，工況轉(zhuǎn)換完成。

若出現(xiàn)跳閘信號(hào)或流程超時(shí)鎖定狀態(tài)，需要手動(dòng)復(fù)歸流程畫面。

相關(guān)步驟如圖2所示。

圖2 流程分析功能流程圖Fig．2 Steps of Process Analysis Function

模擬量特征分析功能對不同工況流程的每一步中的模擬量特征進(jìn)行分析，對信號(hào)在特定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的異常跳變情況進(jìn)行提示。該功能相關(guān)信息如下：

（1）機(jī)組進(jìn)入某一個(gè)啟停工況流程的第一步。

（2）監(jiān)測對應(yīng)模擬量特征的數(shù)值，直到該步結(jié)束。

（3）是否匹配知識(shí)庫內(nèi)規(guī)則（Interval和Edge字段匹配）。若匹配，則繼續(xù)監(jiān)測直到該步結(jié)束；若不匹配，則發(fā)出提示。

（4）若有多條規(guī)則，則依次進(jìn)行匹配處理。

（5）該流程步結(jié)束后，若未發(fā)生規(guī)則不匹配的情況，則根據(jù)本次流程步情況更新規(guī)則的修正值。

（6）進(jìn)入流程第二步，重復(fù)（2）～（5）步內(nèi)容，直到所有流程步結(jié)束，工況轉(zhuǎn)換完成。

相關(guān)步驟如圖3所示。

開關(guān)量特征分析功能對不同工況流程的每一步中的開關(guān)量特征進(jìn)行分析，對信號(hào)在特定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的變位情況以及流程步過程中的變位次數(shù)異常情況進(jìn)行提示。該功能相關(guān)信息如下：

圖3 模擬量特征分析功能流程圖Fig．3 Steps of Analog Signal Features Analysis Function

（1）機(jī)組進(jìn)入某一個(gè)啟停工況流程的第一步。

（2）監(jiān)測對應(yīng)開關(guān)量特征的變位時(shí)間和變位信息，直到該步結(jié)束。

（3）是否匹配知識(shí)庫內(nèi)規(guī)則（P Edge、N Edge、P Count和N Count字段匹配）。若匹配，則繼續(xù)監(jiān)測直到該步結(jié)束；若不匹配，則發(fā)出提示。

（4）若有多條規(guī)則，則依次進(jìn)行匹配處理。

（5）該流程步結(jié)束后，若未發(fā)生規(guī)則不匹配的情況，則根據(jù)本次流程步情況更新規(guī)則的修正值。

（6）進(jìn)入流程第二步，重復(fù)（2）～（5）步內(nèi)容，直到所有流程步結(jié)束，工況轉(zhuǎn)換完成。

相關(guān)步驟如圖4所示。

智能調(diào)節(jié)功能完成規(guī)則修正值實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算，對不同機(jī)組、不同流程、不同規(guī)則進(jìn)行差異化管理，使規(guī)則更匹配機(jī)組啟停流程的實(shí)際情況。該功能相關(guān)信息如下：

（1）機(jī)組進(jìn)入某一個(gè)啟停工況流程的第一步。

（2）該流程步正常執(zhí)行結(jié)束后，根據(jù)流程步實(shí)際執(zhí)行時(shí)間，實(shí)時(shí)計(jì)算并更新知識(shí)庫規(guī)則的修正值。

（3）該流程步正常執(zhí)行結(jié)束后，根據(jù)模擬量特征的實(shí)際監(jiān)測情況，實(shí)時(shí)計(jì)算并更新知識(shí)庫規(guī)則的修正值。

圖4 開關(guān)量特征分析功能流程圖Fig．4 Steps of Digital Signal Features Analysis Function

（4）該流程步正常執(zhí)行結(jié)束后，根據(jù)開關(guān)量特征的實(shí)際監(jiān)測情況，實(shí)時(shí)計(jì)算并更新知識(shí)庫規(guī)則的修正值。

（5）進(jìn)入流程第二步，重復(fù)（2）～（5）步內(nèi)容，直到所有流程步結(jié)束，工況轉(zhuǎn)換完成。

相關(guān)算法為：

（1）流程時(shí)間修正。

1）流程步預(yù)設(shè)時(shí)間TS=[（Time+Regulation）×（1-Manual），（Time+Regulation）×（1+Manual）]

2）其中，修正值計(jì)算方法為：

Regulation=（流程步實(shí)際用時(shí)TA-Time）/采樣值n

3）采樣值n為管理人員設(shè)定參數(shù)，一般取100。

4）Manual為人工調(diào)整值（百分比），默認(rèn)為0，設(shè)值為絕對值。

（2）模擬量特征修正。

1）規(guī)則匹配方法：

時(shí) 間 區(qū) 間 [（Interval+Regulation1）×（1-Manual），（Interval+Regulation1）×（1+Manual）]

&&

跳變區(qū)間 [（Edge+Regulation2）×（1-Manual），（Edge+Regulation2）×（1+Manual）]

內(nèi)進(jìn)行匹配

2）修正值計(jì)算方法為：

Regulation1=[（模擬量特征變化實(shí)際用時(shí)IA/模擬量特征跳變實(shí)際幅度EA-Interval/Edge）×Edge]/采樣值n

Regulation2=[（模擬量特征跳變實(shí)際幅度EA模擬量特征變化實(shí)際用時(shí)IA-Edge/Interval）×Interval]/采樣值n

3）采樣值n為管理人員設(shè)定參數(shù)，一般取100。

4）Manual為人工調(diào)整值（百分比），默認(rèn)為0，設(shè)值為絕對值。

（3）開關(guān)量特征修正。

1）規(guī)則匹配方法：

從0到1變位時(shí)間區(qū)間[（P Edge+Regulation1）×（1-Manual），（P Edge +Regulation1）×（1+Manual）]

從1到0變位時(shí)間區(qū)間[（N Edge+Regulation2）×（1-Manual），（N Edge +Regulation2）×（1+Manual）]

從0到1變位次數(shù)區(qū)間[（P Count+Regulation3）×（1-Manual），（P Count +Regulation3）×（1+Manual）]

從1到0變位次數(shù)區(qū)間[（N Count+ Regulation4）×（1-Manual），（N Count +Regulation4）×（1+Manual）]

2）修正值計(jì)算方法為：

Regulation1=（開關(guān)量特征變位實(shí)際用時(shí)PT-P Edge）/采樣值n

Regulation2=（開關(guān)量特征變位實(shí)際用時(shí)NT-N Edge）/采樣值n

Regulation3=（開關(guān)量特征實(shí)際變位次數(shù)PC-P Count）/采樣值n

Regulation4=（開關(guān)量特征實(shí)際變位次數(shù)NC-N Count）/采樣值n

3）采樣值n為管理人員設(shè)定參數(shù)，一般取100。

4）Manual為人工調(diào)整值（百分比），默認(rèn)為0，設(shè)值為絕對值。

3 結(jié)束語

本平臺(tái)系統(tǒng)根據(jù)知識(shí)庫制定相關(guān)規(guī)則，完成對應(yīng)故障分析算法，最終實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)庫的蓄能機(jī)組啟停流程故障分析平臺(tái)。其優(yōu)點(diǎn)為∶

（1）直接監(jiān)測各工況啟停流程每一步運(yùn)行情況，以及相關(guān)設(shè)備動(dòng)作情況及跨步條件滿足情況。通過知識(shí)庫將各工況中每一個(gè)流程步信息及設(shè)備情況編寫規(guī)則，對流程跨步實(shí)際時(shí)間進(jìn)行監(jiān)視并修正規(guī)則。同時(shí)，將每一步跨步條件所需設(shè)備情況進(jìn)行匯總，當(dāng)發(fā)生流程超時(shí)事件時(shí)即可快速定位故障，并記錄故障時(shí)刻各設(shè)備狀態(tài)。

（2）根據(jù)知識(shí)庫的規(guī)則條目，匹配設(shè)備特征，自動(dòng)診斷流程過程中該設(shè)備情況是否異常。既能進(jìn)行設(shè)備實(shí)施故障監(jiān)視，又能對異常動(dòng)作的設(shè)備進(jìn)行診斷報(bào)警。

（3）通過人為設(shè)定調(diào)整值，增加分析診斷裕度，能根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行各機(jī)組快速調(diào)節(jié)。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況生成并更新修正值，對知識(shí)庫規(guī)則進(jìn)行二次修正，使得更接近機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況。采用雙重調(diào)整修正的方法，使得知識(shí)庫規(guī)則更接近機(jī)組實(shí)際啟停情況，又能增加智能管理手段。

（4）技術(shù)成果可在一定程度上配合預(yù)防性檢修和狀態(tài)檢修的開展，并可在其他抽水蓄能電站和常規(guī)電站推廣。

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