基于水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)在線監(jiān)測優(yōu)化新決策方案

中國大唐集團科學技術研究院有限公司水電科學研究院 黃永強

水輪發(fā)電機組的調節(jié)系統(tǒng)由控制器和調速裝置組成，其主要任務是通過調整導葉和槳葉開度，隨電網負荷調度需求變化控制進水量大小，它的功能不僅是維持機組速度（頻率）的穩(wěn)定，還可以對機組在啟動、停網、增減負荷、事故停機等不同工況下進行調節(jié)和監(jiān)視。如果調節(jié)器在水輪發(fā)電機組正常運行期間發(fā)生故障，可能導致非計劃停機或機組飛車，甚至危及人員和設備的安全，目前對調節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測技術的優(yōu)化研究較少，有必要開發(fā)一套水輪發(fā)電機組轉速在線監(jiān)測和動態(tài)響應優(yōu)化決策系統(tǒng)，滿足調速系統(tǒng)的在線監(jiān)測、歷史回顧、數據處理、工況分析、記錄等功能。

該智能診斷系統(tǒng)一是應具有良好的開放性、交互性和可擴展性，提供故障診斷和優(yōu)化水輪發(fā)電機調節(jié)器運行所需的信息，并為調速系統(tǒng)的優(yōu)化和維護提供支持；二是監(jiān)控水輪發(fā)電機組調節(jié)系統(tǒng)的狀況，準確獲取調速系統(tǒng)的狀態(tài)信息，及時給出故障報警，并根據調速系統(tǒng)信息的狀態(tài)分析，對設備可能存在的缺陷或故障進行預警；三是專業(yè)人員可根據狀態(tài)數據的歷史記錄分析設備和系統(tǒng)工況實時狀態(tài)的評估，方便技術人員快速便捷擬定診斷系統(tǒng)調速性能下降和系統(tǒng)健康狀況惡化的原因維護檢修方案，為調速系統(tǒng)的維護和維修提供決策支持；四是對水電廠逐步開展狀態(tài)檢修，提高維護檢修效率具有重要意義。

就目前國內現已研發(fā)的智能診斷系統(tǒng)經過實踐應用發(fā)現效果并不理想，其中該智能診斷系統(tǒng)能夠可靠進行數據存儲管理和診斷結果分析功能的有限，而且還存在在線自動診斷的功能不完善的缺陷，不能向運行人員和檢修維護人員提供有效的診斷結果，所以遠遠不能滿足水電廠正常運行和檢修狀態(tài)的實際要求，其主要原因如下：

缺乏高深的理論知識和技術來支持失效自故障機理；缺乏一個科學客觀的系統(tǒng)來高效地整合現場實時采集的數據和實驗故障診斷結果。目前由于實驗故障診斷是一項實用性很強的技術，要求科研人員結合參與現場實際診斷的技術人員和具有豐富領域知識的專家，盡可能建立一套貼近實際的規(guī)則，并同時要求推理機制與實際診斷思維方法和診斷信息相結合。為了建立一個接近人工診斷的推理系統(tǒng)，就目前大多數科研人員對實際的診斷過程及其特點還不夠了解全面；在知識的獲取和應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)在工程應用中未能達到預期水平，問題的核心仍然是獲取知識和應用知識的問題，即如何結合好掌握的知識、如何推理、如何提高自學能力。因此，應加強對專家系統(tǒng)實施方法和規(guī)則的研究。

1 調速系統(tǒng)系統(tǒng)結構現狀

硬件結構：該系統(tǒng)設置一面在線監(jiān)測控制柜，柜內配置一臺數據服務器、網絡設備以及運行于數據服務器平臺上的在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)采用以太網通訊方式與調速器電柜主控平臺(PLC)、油壓控制柜主控平臺(PLC)進行數據通訊，獲取所需狀態(tài)信息，并將相關報警數據、診斷分析結果發(fā)送至Ⅱ區(qū)數據中心。

軟件結構：水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測及動態(tài)響應優(yōu)化決策軟件，包括狀態(tài)在線監(jiān)測子系統(tǒng)和優(yōu)化決策子系統(tǒng)。狀態(tài)在線監(jiān)測子系統(tǒng)包含四個功能模塊：人機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)視調速器的實時數據，設置系統(tǒng)參數，查詢報警事件和歷史錄波曲線等；數據通訊模塊用于從調速器主控平臺(PLC)采集數據，并將處理過后的數據發(fā)送給Ⅱ區(qū)數據中心；通訊模塊以通訊驅動方式實現，能夠支持基于不同通訊規(guī)約、通訊介質的通訊系統(tǒng)，如Modbus Rtu、Modbus TCP/IP 等[1]；數據處理模塊對緩沖區(qū)中的數據進行分析處理，并將相關數據發(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警事件和實時波形曲線，用戶可以查看歷史報警事件和歷史波形曲線，并保存為數據文件（圖1）。

2 調速系統(tǒng)在線監(jiān)測動態(tài)優(yōu)化決策分析

水力發(fā)電機組的動態(tài)實時在線監(jiān)測過程主要包括：啟動機組、空載頻率波動或者擾動、接力器固定時間、負載機組甩負荷、一次頻率和獨網運行。一般情況下，接力器的打開時間和接力器的關閉時間限制了接力器運動期間的速度；而完全打開的接力器和完全關閉的接力器的位置，其兩個位置在接力器移動期間限制限位位置，是接力器運動過程中的主要非線性要素[2]?；诮恿ζ鬟\動進入上述所述位置和水輪發(fā)電機組動態(tài)實時及調節(jié)系統(tǒng)運行動態(tài)工況這一事實，可以將水輪機控制系統(tǒng)的動態(tài)過程可分為大振蕩（大擾動）和小振蕩（小擾動）等兩個動態(tài)工況過程。

水輪機調節(jié)系統(tǒng)機組調節(jié)系統(tǒng)滿負載甩負荷動態(tài)過程和水輪發(fā)電機調節(jié)系統(tǒng)空載頻率波動或者擾動動態(tài)過程這兩個過程的特性有著密切的關系。這兩個過程的系統(tǒng)特性是具有遲緩型、優(yōu)良型空載頻率波動或者擾動動態(tài)特性，同時也是具有與之對應相同的遲緩型 、優(yōu)良型的機組滿負載甩負荷的動態(tài)特性。

舉個實例比如：如果一個具有遲緩型水輪發(fā)電機組調節(jié)系統(tǒng)空載頻率波動或者擾動動態(tài)過程特性的系統(tǒng)，那么這個水輪發(fā)電機組滿負載甩負荷動態(tài)過程特性很有可能也是一個具有遲緩型動態(tài)特性?；谶@兩個過程的密切特性有效的為水電站水輪發(fā)電機組選取調速器的PID 控制器參數提供全面數據和路徑，目前根據水電廠的水輪發(fā)電機組實時情況，不能滿足進行數次滿負載甩負荷動態(tài)過程[3]。所以通常在水輪發(fā)電機調節(jié)系統(tǒng)空載頻率波動或者擾動動態(tài)過程試驗中，通過選擇調速器的PID 控制器參數，使其具有優(yōu)良型的空載頻率波動或者擾動動特性，從而也就可以選取水輪機調節(jié)系統(tǒng)機組調節(jié)系統(tǒng)滿負載甩負荷時的調速器的PID 控制器參數。

基于水輪發(fā)電機動態(tài)工況優(yōu)化系統(tǒng)大數據統(tǒng)計和分析技術，采集多方面有關水輪發(fā)電機組的調速系統(tǒng)現場實時試驗數據和仿真驗證結果，用于分析水輪機調節(jié)系統(tǒng)啟動機組、空載頻率波動或者擾動、接力器固定時間、負載機組甩負荷、一次頻率等動態(tài)過程來確定動態(tài)過程類型。其次可以在分析系統(tǒng)動態(tài)過程曲線與數表的基礎上，對相應的動態(tài)特性進行處理和分析，還有在專家知識庫的幫助下提供相應的輔助決策支持，指出水輪機微機調速器PID調節(jié)參數優(yōu)化的方向和數值[4]。為客觀描述和反映水輪發(fā)電機組動態(tài)過程類型，如圖2～4列舉一些關于某水輪發(fā)電機組調節(jié)系統(tǒng)不同負荷工況和事故情況下的動態(tài)模擬實例。

圖2 水輪機調節(jié)系統(tǒng)機組滿負載甩負荷動態(tài)過程模擬分析圖

3 調速系統(tǒng)在線監(jiān)測優(yōu)化決策方案及效果評價

通常，調速系統(tǒng)運行工作狀態(tài)的監(jiān)測對象主要是調速器系統(tǒng)本體及油壓系統(tǒng)運行設備，包括兩部分：調速系統(tǒng)性能監(jiān)測和設備狀態(tài)監(jiān)測，調速系統(tǒng)性能監(jiān)測參數包括控制參數、動靜態(tài)特性參數和機組控制參數[5]；工況監(jiān)測參數包括油壓及調速器的運行參數和電廠的運行參數，目前，調速系統(tǒng)狀態(tài)實時在線監(jiān)測和故障診斷的研究重點是速度調節(jié)系統(tǒng)的性能工況的監(jiān)測和診斷。

圖3 水輪機調節(jié)系統(tǒng)空載頻率波動或擾動動態(tài)過程模擬分析圖

圖4 水輪機調節(jié)系統(tǒng)調節(jié)負荷工況動態(tài)過程模擬分析圖

主要有以下功能：實時在線監(jiān)測調速系統(tǒng)和智能系統(tǒng)的運行狀態(tài)分析。實時在線監(jiān)測調速系統(tǒng)包括實時監(jiān)控運行狀態(tài)、實時運行曲線、實時狀態(tài)數據列表，記錄故障事件等，可動態(tài)顯示油源系統(tǒng)和調速系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，將用相應的捕捉標志具體位置指示，提醒對其進行診斷分析；事件記錄和事故收集：設備狀態(tài)信息90天期間，系統(tǒng)運行過程和設備狀態(tài)進行全面和完整保存信息，以執(zhí)行故障錄波和試驗記錄功能；優(yōu)化決策：根據對速度調節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)信息的分析，評估設備的性能和健康狀態(tài)，然后基于對調速系統(tǒng)性能和健康狀況的評估，快速診斷設備性能不佳和健康狀況惡化的原因，并做出維護調速系統(tǒng)的最佳決策。

效果評價：即使該系統(tǒng)停運后，實現了實時在線監(jiān)測、歷史回顧、數據處理、工況分析記錄等功能，為機組故障診斷提供必要的信息和決策建議，并對調速系統(tǒng)進行優(yōu)化維護，每年節(jié)約大量的調速系統(tǒng)維護設備成本，同時提高設備使用小時數，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整系統(tǒng)的實際運行工況狀態(tài)和過程調整參數，為后期水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)的設備故障建模和分析提供歷史數據借鑒和支持；該系統(tǒng)可推廣應用于國內同類型的其他水電站，以充分了解運行狀態(tài)，改變本廠的調速系統(tǒng)的變化趨勢，對其他水電站逐步因地制宜進行系統(tǒng)設備的維護和檢修具有重要意義。

經濟效益：該決策方案在應用于某電廠6號機組后，能夠實現水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)實時在線監(jiān)測、歷史回顧、數據處理、故障預警等功能,具有很好的開放性、交互性和擴展性,能夠為機組故障診斷提供必要的信息與決策建議,對調速系統(tǒng)實施優(yōu)化維護提供重要支撐依據。有效避免因調節(jié)系統(tǒng)故障導致機組非計劃停運時間。洪江電廠平均每臺機組每年因調節(jié)系統(tǒng)故障導致機組停運時間1天平均值來算，1天發(fā)電量：4.5萬千瓦×1天×24小時/天=108萬千瓦時，電廠上網電價為0.35元/千瓦時，提高機組可用小時數可增發(fā)電量創(chuàng)收：108萬千瓦時×0.35元/千瓦=37.8萬元，6臺機組可創(chuàng)收37.8萬元×6=226.8萬元。

綜上，該廠對水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)在線監(jiān)測優(yōu)化新決策方案實施以后，能夠實時評估調速系統(tǒng)的工況參數和性能狀態(tài)，鑒別系統(tǒng)和設備運行狀態(tài)，識別故障點的最初癥狀，判斷故障的位置點、損害程度和故障的發(fā)展趨勢等，并且做出結果診斷或數據共借鑒，這樣可以保證系統(tǒng)或者設備性能指標未達到規(guī)定或即將發(fā)生故障之前，對設備進行超前維護或者檢修，提高設備的可利用率，快速擬定檢修計劃，為設備的安全性、可靠性、長期運行性等提供有力技術支持和保證，此外可以為公司節(jié)約開支，節(jié)省創(chuàng)造經濟效益。綜上所述，該廠對水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)在線監(jiān)測優(yōu)化新決策方案，可在國內其他同類型水電站進行推廣應用，對水輪發(fā)電機組的調速系統(tǒng)遠程故障分析診斷有非常重要的意義。