基于水輪發電機組調速系統在線監測優化新決策方案

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

水輪發電機組的調節系統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和監視。如果調節器在水輪發電機組正常運行期間發生故障，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，目前對調節系統狀態監測技術的優化研究較少，有必要開發一套水輪發電機組轉速在線監測和動態響應優化決策系統，滿足調速系統的在線監測、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，提供故障診斷和優化水輪發電機調節器運行所需的信息，并為調速系統的優化和維護提供支持；二是監控水輪發電機組調節系統的狀況，準確獲取調速系統的狀態信息，及時給出故障報警，并根據調速系統信息的狀態分析，對設備可能存在的缺陷或故障進行預警；三是專業人員可根據狀態數據的歷史記錄分析設備和系統工況實時狀態的評估，方便技術人員快速便捷擬定診斷系統調速性能下降和系統健康狀況惡化的原因維護檢修方案，為調速系統的維護和維修提供決策支持；四是對水電廠逐步開展狀態檢修，提高維護檢修效率具有重要意義。

就目前國內現已研發的智能診斷系統經過實踐應用發現效果并不理想，其中該智能診斷系統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，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方面還存在一些問題，人工智能和專家系統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，應加強對專家系統實施方法和規則的研究。

1 調速系統系統結構現狀

硬件結構：該系統設置一面在線監測控制柜，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測系統軟件。系統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，獲取所需狀態信息，并將相關報警數據、診斷分析結果發送至Ⅱ區數據中心。

軟件結構：水輪發電機組調速系統狀態在線監測及動態響應優化決策軟件，包括狀態在線監測子系統和優化決策子系統。狀態在線監測子系統包含四個功能模塊：人機界面模塊提供軟件系統和用戶的交互功能，用戶通過界面監視調速器的實時數據，設置系統參數，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送給Ⅱ區數據中心；通訊模塊以通訊驅動方式實現，能夠支持基于不同通訊規約、通訊介質的通訊系統，如Modbus Rtu、Modbus TCP/IP 等[1]；數據處理模塊對緩沖區中的數據進行分析處理，并將相關數據發送給優化決策子系統用于專家決策。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 調速系統在線監測動態優化決策分析

水力發電機組的動態實時在線監測過程主要包括：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]。基于接力器運動進入上述所述位置和水輪發電機組動態實時及調節系統運行動態工況這一事實，可以將水輪機控制系統的動態過程可分為大振蕩（大擾動）和小振蕩（小擾動）等兩個動態工況過程。

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

舉個實例比如：如果一個具有遲緩型水輪發電機組調節系統空載頻率波動或者擾動動態過程特性的系統，那么這個水輪發電機組滿負載甩負荷動態過程特性很有可能也是一個具有遲緩型動態特性。基于這兩個過程的密切特性有效的為水電站水輪發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電機組實時情況，不能滿足進行數次滿負載甩負荷動態過程[3]。所以通常在水輪發電機調節系統空載頻率波動或者擾動動態過程試驗中，通過選擇調速器的PID 控制器參數，使其具有優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系統機組調節系統滿負載甩負荷時的調速器的PID 控制器參數。

基于水輪發電機動態工況優化系統大數據統計和分析技術，采集多方面有關水輪發電機組的調速系統現場實時試驗數據和仿真驗證結果，用于分析水輪機調節系統啟動機組、空載頻率波動或者擾動、接力器固定時間、負載機組甩負荷、一次頻率等動態過程來確定動態過程類型。其次可以在分析系統動態過程曲線與數表的基礎上，對相應的動態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調節參數優化的方向和數值[4]。為客觀描述和反映水輪發電機組動態過程類型，如圖2～4列舉一些關于某水輪發電機組調節系統不同負荷工況和事故情況下的動態模擬實例。

圖2 水輪機調節系統機組滿負載甩負荷動態過程模擬分析圖

3 調速系統在線監測優化決策方案及效果評價

通常，調速系統運行工作狀態的監測對象主要是調速器系統本體及油壓系統運行設備，包括兩部分：調速系統性能監測和設備狀態監測，調速系統性能監測參數包括控制參數、動靜態特性參數和機組控制參數[5]；工況監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，調速系統狀態實時在線監測和故障診斷的研究重點是速度調節系統的性能工況的監測和診斷。

圖3 水輪機調節系統空載頻率波動或擾動動態過程模擬分析圖

圖4 水輪機調節系統調節負荷工況動態過程模擬分析圖

主要有以下功能：實時在線監測調速系統和智能系統的運行狀態分析。實時在線監測調速系統包括實時監控運行狀態、實時運行曲線、實時狀態數據列表，記錄故障事件等，可動態顯示油源系統和調速系統的實時運行狀態，如果系統發生故障，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：設備狀態信息90天期間，系統運行過程和設備狀態進行全面和完整保存信息，以執行故障錄波和試驗記錄功能；優化決策：根據對速度調節系統狀態信息的分析，評估設備的性能和健康狀態，然后基于對調速系統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的最佳決策。

效果評價：即使該系統停運后，實現了實時在線監測、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，并對調速系統進行優化維護，每年節約大量的調速系統維護設備成本，同時提高設備使用小時數，提高發電效率；安裝該系統后，能夠有效和完整的積累大量調整系統的實際運行工況狀態和過程調整參數，為后期水輪發電機組調速系統的設備故障建模和分析提供歷史數據借鑒和支持；該系統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，改變本廠的調速系統的變化趨勢，對其他水電站逐步因地制宜進行系統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，能夠實現水輪發電機組調速系統實時在線監測、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,對調速系統實施優化維護提供重要支撐依據。有效避免因調節系統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系統故障導致機組停運時間1天平均值來算，1天發電量：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電量創收：108萬千瓦時×0.35元/千瓦=37.8萬元，6臺機組可創收37.8萬元×6=226.8萬元。

綜上，該廠對水輪發電機組調速系統在線監測優化新決策方案實施以后，能夠實時評估調速系統的工況參數和性能狀態，鑒別系統和設備運行狀態，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，這樣可以保證系統或者設備性能指標未達到規定或即將發生故障之前，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，此外可以為公司節約開支，節省創造經濟效益。綜上所述，該廠對水輪發電機組調速系統在線監測優化新決策方案，可在國內其他同類型水電站進行推廣應用，對水輪發電機組的調速系統遠程故障分析診斷有非常重要的意義。