水輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)故障檢測(cè)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(tái)州 317300；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

隨著我國(guó)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(dòng)化的程度也越來(lái)越高，在我國(guó)水輪機(jī)調(diào)節(jié)行業(yè)中，廣泛運(yùn)用微型計(jì)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(lái)，這些新技術(shù)無(wú)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(dòng)化程度可以提高勞動(dòng)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(yùn)用了大量的自動(dòng)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(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組而言，一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障，勢(shì)必會(huì)威脅整個(gè)水電廠安全運(yùn)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(duì)控制系統(tǒng)故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、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(qiáng)水輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)故障檢測(cè)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(cè)、故障分離(診斷)和故障修復(fù)。統(tǒng)稱為故障的檢測(cè)、分離和修復(fù)。

（1）故障檢測(cè)。故障檢測(cè)是指確定系統(tǒng)是否發(fā)生故障的過(guò)程，即對(duì)一非正常狀態(tài)的檢測(cè)過(guò)程。通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可測(cè)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(shí)，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(jì)殘差的特性來(lái)判斷故障。目前研究的目標(biāo)是檢測(cè)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性及最小誤報(bào)和漏報(bào)率。

（2）故障診斷。故障診斷指根據(jù)殘差方向和結(jié)構(gòu)來(lái)分離出故障的部位，判斷故障的種類，估計(jì)出故障的發(fā)生時(shí)間、大小和原因，進(jìn)行評(píng)價(jià)與決策的過(guò)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(píng)價(jià)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(bǔ)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(gè)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(cè)和故障診斷與自動(dòng)控制緊密聯(lián)系起來(lái)，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(lái)的研究方向。

2 水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)存在的問(wèn)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(dòng)系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)模式。由微機(jī)調(diào)節(jié)器部分完成信號(hào)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(dòng)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(hào)變換為能夠推動(dòng)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的機(jī)械位移。隨著容錯(cuò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，在計(jì)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(jì)在控制系統(tǒng)中80%的故障來(lái)自于控制系統(tǒng)的測(cè)量變送元件和執(zhí)行元件，也即控制系統(tǒng)的主要故障來(lái)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(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)科技部對(duì)40個(gè)水電廠的134臺(tái)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(yùn)行中的水輪機(jī)調(diào)速器故障率十分驚人，累計(jì)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(shí)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(hào)測(cè)量等環(huán)節(jié)，這兩個(gè)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(diǎn)放在如何提高和預(yù)防水輪機(jī)調(diào)速器的電液隨動(dòng)系統(tǒng)與參與調(diào)節(jié)的信號(hào)測(cè)量，即傳感器的故障檢測(cè)和診斷。

3 水輪機(jī)調(diào)速器主要故障檢測(cè)與診斷技術(shù)

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

3.1 故障檢測(cè)技術(shù)

（1）硬件冗余。只有非常重要的信號(hào)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(hào)門限檢測(cè)。信號(hào)的門限檢測(cè)是通過(guò)判斷傳感器信號(hào)的變化范圍和變化速率是否超過(guò)實(shí)現(xiàn)故障的范圍的檢測(cè)方法。它是工程中常用的方法，具有簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。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(shí)才能被檢測(cè)到。事實(shí)上當(dāng)傳感器或者執(zhí)行器出故障時(shí)，不一定就瞬間達(dá)到或超過(guò)故障閥值極限，這個(gè)變化需要時(shí)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(shí)機(jī)，造成不必要的損失。另外，僅依賴于信號(hào)的超過(guò)正常范圍也很難判別出故障的真正原因所在。

（3）運(yùn)行人員的觀察判斷。通過(guò)運(yùn)行人員的觀察并結(jié)合具有的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行故障判斷。這種方法固然有用，但對(duì)人的素質(zhì)和對(duì)過(guò)程的理解等密切相關(guān)，而且許多故障是很難通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)。

（4）簡(jiǎn)單的信號(hào)測(cè)量計(jì)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(hào)加到元件上，測(cè)其輸出值。這種方法對(duì)于驗(yàn)證簡(jiǎn)單的諸如斷線，信號(hào)消失這類故障可能有效，但是，往往控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)生性能上的變化從而導(dǎo)致一些復(fù)雜故障，此時(shí)該方法失效。

3.2 故障處理措施

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

（2）連鎖保護(hù)或停機(jī)。傳統(tǒng)的參數(shù)報(bào)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(xiǎn)情況，一旦發(fā)生某些可能引起嚴(yán)重后果的故障時(shí)，則使設(shè)備停止運(yùn)行以避免引起更嚴(yán)重的損害。從可靠性來(lái)說(shuō)，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(yùn)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(duì)已經(jīng)發(fā)生過(guò)故障的大量專家經(jīng)驗(yàn)上。這些智能診斷方法均要求真實(shí)系統(tǒng)發(fā)生的故障應(yīng)在知識(shí)庫(kù)內(nèi)能找到與之對(duì)應(yīng)的故障信息，對(duì)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(huì)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(chǎng)條件比較惡劣。因此，引發(fā)系統(tǒng)故障的原因很多，有時(shí)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(huì)因故障不同而最終結(jié)果不同。因此這些基于知識(shí)和信號(hào)的診斷方法是有可能對(duì)故障漏報(bào)或誤判，而且也缺乏對(duì)已發(fā)生故障的程度進(jìn)行估計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

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(méi)有達(dá)到令人滿意的程度。目前還無(wú)法做到及時(shí)地和早期地診斷出控制系統(tǒng)中的故障。故障檢測(cè)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以采取有效的預(yù)防性措施來(lái)減小和防止保護(hù)動(dòng)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(duì)水輪機(jī)調(diào)速器出現(xiàn)的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，和對(duì)故障準(zhǔn)確診斷，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]顧景芳，周志清等.我國(guó)水電站自動(dòng)化輝煌業(yè)績(jī)回顧及新世紀(jì)展望[J].水電白動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2002，26(l):5-6.

[2]余雄偉，李朝暉，艾友忠.水輪機(jī)調(diào)速器智能交互式診斷方法[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2005，29(4):8-9.

[3]申新衛(wèi)，殷國(guó)富，愈仕庭.面向?qū)ο蟮乃姀S于智能故障診斷系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化，1998，（2）:11-12.

[4]余曉暉，杜林，陳明英，蔡虹，廖瑞金.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)故障診斷[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，11(24):56-57.