水輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)故障檢測與診斷技術(shù)研究

毛學(xué)志，付 婧

（1.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 臺州 317300；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

隨著我國水電事業(yè)的快速發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)規(guī)模日趨大型化、復(fù)雜化，自動化的程度也越來越高，在我國水輪機(jī)調(diào)節(jié)行業(yè)中，廣泛運用微型計算機(jī)技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)和現(xiàn)代液壓技術(shù)的新成果，以及將其他工業(yè)部門先進(jìn)的技術(shù)成果移植到水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)中來，這些新技術(shù)無疑大大提高了水輪機(jī)調(diào)速器性能。可以肯定的是提高自動化程度可以提高勞動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，然而另一方面，控制系統(tǒng)中運用了大量的自動化元件和設(shè)備而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)龐大，導(dǎo)致故障發(fā)生的可能性也隨之增加。對于水輪發(fā)電機(jī)組而言，一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障，勢必會威脅整個水電廠安全運行，甚至產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此解決如何進(jìn)一步提高水輪機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)可靠性就是迫在眉睫的大事。

然而，直到目前為止，水輪機(jī)控制系統(tǒng)都缺乏對控制系統(tǒng)故障進(jìn)行在線監(jiān)測、診斷的能力，而且這方面的研究還很少。因此為了提高調(diào)速控制系統(tǒng)的維修性和安全性，有必要加強水輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)故障檢測與診斷技術(shù)研究。

1 控制系統(tǒng)故障診斷技術(shù)概述

控制系統(tǒng)故障診斷包括3方面內(nèi)容：故障檢測、故障分離(診斷)和故障修復(fù)。統(tǒng)稱為故障的檢測、分離和修復(fù)。

（1）故障檢測。故障檢測是指確定系統(tǒng)是否發(fā)生故障的過程，即對一非正常狀態(tài)的檢測過程。通過不斷監(jiān)測系統(tǒng)可測量變量的變化，在標(biāo)稱情況下，認(rèn)為這些變量在某一不確定性下滿足一已知模式，而當(dāng)系統(tǒng)任一部件故障發(fā)生時，這些變量偏離其標(biāo)稱狀態(tài)。通常根據(jù)系統(tǒng)輸出或狀態(tài)變量的估計殘差的特性來判斷故障。目前研究的目標(biāo)是檢測的及時性、準(zhǔn)確性和可靠性及最小誤報和漏報率。

（2）故障診斷。故障診斷指根據(jù)殘差方向和結(jié)構(gòu)來分離出故障的部位，判斷故障的種類，估計出故障的發(fā)生時間、大小和原因，進(jìn)行評價與決策的過程。故障分類是將故障按其嚴(yán)重程度進(jìn)行分類，以便采取相應(yīng)措施。故障的評價和決策是指根據(jù)故障的類別、嚴(yán)重程度，決定是否采取修復(fù)、補救、隔離或改變控制率等措施，以防止故障的影響和傳播，預(yù)防災(zāi)難事故的發(fā)生。

（3）故障修復(fù)。故障修復(fù)指根據(jù)故障診斷結(jié)論，或是改變控制率或是控制重構(gòu)或是系統(tǒng)重構(gòu)，使整個系統(tǒng)在故障發(fā)生情況下，保證穩(wěn)定并改善系統(tǒng)性能。故障修復(fù)是自主系統(tǒng)和智能系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。故障修復(fù)把故障狀態(tài)檢測和故障診斷與自動控制緊密聯(lián)系起來，使故障診斷具有更深遠(yuǎn)意義和廣闊的應(yīng)用前景。故障修復(fù)理論和方法將是目前和將來的研究方向。

2 水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)存在的問題

目前，由于廣泛的采用微機(jī)控制技術(shù)、機(jī)械液壓技術(shù)。其系統(tǒng)多數(shù)以采用“微機(jī)調(diào)節(jié)器+電液隨動系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)模式。由微機(jī)調(diào)節(jié)器部分完成信號傳遞、調(diào)節(jié)規(guī)律的綜合、調(diào)節(jié)參數(shù)切換、狀態(tài)指示、控制量的輸出等功能，而純粹將機(jī)械液壓部分作為功率放大、進(jìn)行隨動控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。將微機(jī)調(diào)節(jié)器的小功率電氣信號變換為能夠推動水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的機(jī)械位移。隨著容錯計算機(jī)技術(shù)的成熟，在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，其硬件和軟件的可靠性已經(jīng)達(dá)到了較高水平，芯片的可靠性已經(jīng)達(dá)到10一次/h。然而據(jù)統(tǒng)計在控制系統(tǒng)中80%的故障來自于控制系統(tǒng)的測量變送元件和執(zhí)行元件，也即控制系統(tǒng)的主要故障來自于傳感器故障和執(zhí)行器故障。

1990年，原能源部電力公司和中國電力企業(yè)聯(lián)合會科技部對40個水電廠的134臺水輪機(jī)調(diào)速器故障情況進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，運行中的水輪機(jī)調(diào)速器故障率十分驚人，累計總故障次數(shù)達(dá)827次，其中電液伺服系統(tǒng)故障率達(dá)61.1%，在總故障率中，因液壓調(diào)節(jié)柜的電液轉(zhuǎn)換器的原因而產(chǎn)生的故障就占45%。

由以上這些事實不難看出，調(diào)速器即水輪機(jī)控制系統(tǒng)，故障多發(fā)生在液壓放大環(huán)節(jié)，以及水頭、機(jī)頻等信號測量等環(huán)節(jié)，這兩個才是系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。所以，為了進(jìn)一步提高其系統(tǒng)可靠性，應(yīng)將工作重點放在如何提高和預(yù)防水輪機(jī)調(diào)速器的電液隨動系統(tǒng)與參與調(diào)節(jié)的信號測量，即傳感器的故障檢測和診斷。

3 水輪機(jī)調(diào)速器主要故障檢測與診斷技術(shù)

近年來，隨著對水輪發(fā)電機(jī)組的安全性和可靠性越來越重視，水輪機(jī)調(diào)速器故障診斷技術(shù)也越來越被關(guān)注，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究，目前調(diào)速器故障檢測與診斷的方法主要有以下幾種。

3.1 故障檢測技術(shù)

（1）硬件冗余。只有非常重要的信號設(shè)置了二重和三重硬件冗余，通常的故障判斷方法為多數(shù)表決。如果要分離出故障傳感器，至少需要有三重硬件冗余。

（2）信號門限檢測。信號的門限檢測是通過判斷傳感器信號的變化范圍和變化速率是否超過實現(xiàn)故障的范圍的檢測方法。它是工程中常用的方法，具有簡單和易于實現(xiàn)的特點。然而許多情況下，傳感器的讀數(shù)雖然在正常的范圍內(nèi)，但是其本身己經(jīng)發(fā)生了某種故障。因此該方法只能在故障發(fā)展到很大的程度時才能被檢測到。事實上當(dāng)傳感器或者執(zhí)行器出故障時，不一定就瞬間達(dá)到或超過故障閥值極限，這個變化需要時間，因此這種故障診斷方法往往就放棄了寶貴的故障修復(fù)最佳時機(jī)，造成不必要的損失。另外，僅依賴于信號的超過正常范圍也很難判別出故障的真正原因所在。

（3）運行人員的觀察判斷。通過運行人員的觀察并結(jié)合具有的經(jīng)驗來進(jìn)行故障判斷。這種方法固然有用，但對人的素質(zhì)和對過程的理解等密切相關(guān)，而且許多故障是很難通過觀察發(fā)現(xiàn)。

（4）簡單的信號測量計算。如果某元件工作不正常，為了確定其故障，往往是檢修人員人為的將一輸入信號加到元件上，測其輸出值。這種方法對于驗證簡單的諸如斷線，信號消失這類故障可能有效，但是，往往控制系統(tǒng)會發(fā)生性能上的變化從而導(dǎo)致一些復(fù)雜故障，此時該方法失效。

3.2 故障處理措施

（1）切手動。對于一些不嚴(yán)重的故障，當(dāng)采用自動調(diào)節(jié)的方法無法使參數(shù)穩(wěn)定時，往往將控制系統(tǒng)切為手動控制。

（2）連鎖保護(hù)或停機(jī)。傳統(tǒng)的參數(shù)報警和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的作用是，防止在重要位置上出現(xiàn)危險情況，一旦發(fā)生某些可能引起嚴(yán)重后果的故障時，則使設(shè)備停止運行以避免引起更嚴(yán)重的損害。從可靠性來說，保護(hù)系統(tǒng)并不能從根本上保證系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行，只是緊急情況的一種處理措施。

3.3 更深層次或在線故障診斷方法開發(fā)

水輪機(jī)調(diào)速器故障的診斷研究方興未艾，余雄偉等提出了一種智能交互式診斷方法。申衛(wèi)星等提出了一種面向?qū)ο蟮乃姀S的智能診斷方案，與余雄偉類似都是要建立在對已經(jīng)發(fā)生過故障的大量專家經(jīng)驗上。這些智能診斷方法均要求真實系統(tǒng)發(fā)生的故障應(yīng)在知識庫內(nèi)能找到與之對應(yīng)的故障信息，對于綜合的，或者未知故障，以及在有干擾的情況下準(zhǔn)確度就會大大降低。余曉暉等提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)速器故障診斷方案，但是，水輪機(jī)調(diào)速器工作現(xiàn)場條件比較惡劣。因此，引發(fā)系統(tǒng)故障的原因很多，有時故障還可能是疊加的，而且即使找到確定的故障原因，但是故障程度會因故障不同而最終結(jié)果不同。因此這些基于知識和信號的診斷方法是有可能對故障漏報或誤判，而且也缺乏對已發(fā)生故障的程度進(jìn)行估計。

4 結(jié)語

上述情況表明，水電廠控制系統(tǒng)故障診斷水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到令人滿意的程度。目前還無法做到及時地和早期地診斷出控制系統(tǒng)中的故障。故障檢測手段比較粗糙，故障處理方式單一，這些都使得查找故障原因費時費力，難以采取有效的預(yù)防性措施來減小和防止保護(hù)動作次數(shù)以及停機(jī)次數(shù)。將先進(jìn)的控制系統(tǒng)故障診斷方法應(yīng)用到水電廠水輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中，達(dá)到對水輪機(jī)調(diào)速器出現(xiàn)的故障進(jìn)行實時在線檢測，和對故障準(zhǔn)確診斷，是未來的發(fā)展趨勢。

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