火電廠控制系統(tǒng)故障檢測探討

王文宗　蔣建寶

摘 要：就當(dāng)下而言，火電廠機(jī)組的容量越來越大，工況日益復(fù)雜，對控制系統(tǒng)及其設(shè)備的自動化程度和可靠性要求隨之增高，一旦出現(xiàn)事故勢必會造成嚴(yán)重的電網(wǎng)損失和人身傷害。對比，筆者就火電廠控制系統(tǒng)的故障檢測方法作了重點(diǎn)探討，希望對減少故障、降低損失、確保火電機(jī)組安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有所幫助。

關(guān)鍵詞：火電廠 控制系統(tǒng) 故障檢測

不可否認(rèn)，自動控制系統(tǒng)及其設(shè)備作為目前火電廠機(jī)組的主要構(gòu)成，在保障大型機(jī)組得以經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行中發(fā)揮了重要作用，但在不斷發(fā)展過程中難免會有一定的故障出現(xiàn)，這無疑會降低火電機(jī)組的運(yùn)行質(zhì)量。因此我們有必要強(qiáng)化火電廠控制系統(tǒng)故障檢測技術(shù)研究和應(yīng)用，以期為火電廠經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的提高提供保障。

一、火電廠控制系統(tǒng)故障檢測的意義所在

眾所周知，為適應(yīng)持續(xù)增長的電力需求，緩解電力供應(yīng)緊張形勢，火電機(jī)組的容量隨之增加，逐步向大機(jī)組、大電網(wǎng)、智能化以及高度自動化方向發(fā)展，其中控制系統(tǒng)及其配套設(shè)施的發(fā)展和應(yīng)用更是在保障機(jī)組可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中發(fā)揮了不容忽視的作用。然而日益復(fù)雜化和大型化的控制系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)也隨之增大，即使在保證設(shè)備性能和質(zhì)量的情況下也不可避免的會因為其他因素導(dǎo)致故障時有發(fā)生，若處理不及時或者方法不當(dāng)，除了影響機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量和水平外，還可能帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故?？梢姡煤侠淼募夹g(shù)和方法在火電廠控制系統(tǒng)故障前期或者發(fā)生期間快速的加以檢測、分離和評估，并采取有效措施防止其進(jìn)一步擴(kuò)大，既是提高控制系統(tǒng)可靠性的重要保障，也有助于節(jié)約維修時間和成本，故重視發(fā)展和應(yīng)用火電廠控制系統(tǒng)故障檢測技術(shù)勢在必行。

二、火電廠控制系統(tǒng)故障檢測的方法分析

火電廠控制系統(tǒng)故障形式多樣，成因復(fù)雜，而且不同的分類標(biāo)準(zhǔn)下有著不同的類型，如根據(jù)原因進(jìn)行劃分，可包括開路、短路、沖擊、偏差、漂移等故障；根據(jù)故障位置則可以分為元部件、設(shè)備、執(zhí)行器以及傳感器故障等等。下面筆者從工作原理出發(fā)，就其故障檢測與診斷技術(shù)和方法加以分析。

1.通過知識分析進(jìn)行故障檢測與診斷。建立在知識基礎(chǔ)之上的故障診斷方法是指基于人工智能方法，通過對部分系統(tǒng)功能的構(gòu)造完成對人類在系統(tǒng)監(jiān)控中某些思維和行為的模仿，以便實(shí)現(xiàn)對整個監(jiān)控過程的自動檢測與診斷，簡單的說就是根據(jù)故障癥狀，結(jié)合專家知識、因果模型以及系統(tǒng)描述的定量和定性分析用于控制系統(tǒng)的故障檢測。相對而言，該種檢測手段以自動化為基礎(chǔ)但又高于其自動化程度，甚至?xí)饺说闹悄?，足以見得其有助于火電廠控制系統(tǒng)故障檢測效率和質(zhì)量的進(jìn)一步提升，實(shí)用價值較高，值得深入研究。

2.通過模型解析進(jìn)行故障檢測與診斷。以模型解析為基礎(chǔ)的故障診斷方法應(yīng)該首先針對故障對象構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)模型，然后比較故障對象的可測信息與模型的先驗信息得出相應(yīng)的殘差，并將其作為特征形成殘差序列，經(jīng)統(tǒng)計分析后可監(jiān)測并識別故障的發(fā)生，故該種方法有助于火電廠控制系統(tǒng)故障的及早發(fā)現(xiàn)。其中按照產(chǎn)生殘差的形式，又可將模型診斷分為參數(shù)估計法、鄧加空間法以及狀態(tài)估計法三種類型。

3.通過驅(qū)動數(shù)據(jù)進(jìn)行故障檢測與診斷。直接根據(jù)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷是目前比較有效且研究較多的控制系統(tǒng)故障檢測手段，其無需借助精確的數(shù)學(xué)模型，而是以多元投影為基本思想，使所有的表征系統(tǒng)特征數(shù)據(jù)在低維特征空間中投影出來，最后通過深層挖掘和統(tǒng)計分析隱含信息用于提高監(jiān)控水平，進(jìn)行故障診斷。如此一來，既將主要的原系統(tǒng)特征保留了下來，還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)降維以及摒棄干擾信息與冗余信息。

4.利用容錯技術(shù)進(jìn)行故障檢測與診斷。容錯技術(shù)是一種有助于改善控制系統(tǒng)可靠性、可靠度以及有效性的方法，通過合理設(shè)計控制器，即使在控制系統(tǒng)局部發(fā)生故障時仍然可以保持穩(wěn)定狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中，一般可以通過強(qiáng)化元件的可靠性，適當(dāng)簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化系統(tǒng)可靠性設(shè)計和結(jié)構(gòu)備份與儲備裝置，以及科學(xué)設(shè)計控制系統(tǒng)容錯參數(shù)等方法來實(shí)現(xiàn)。其中故障檢測作用是指基于對控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的在線檢測，在出現(xiàn)故障時迅速報警并分離故障部位防止其蔓延，以此為檢修人員及時定位和排除故障提高幫助，而且故障診斷子系統(tǒng)可根據(jù)合理的容錯控制系統(tǒng)，結(jié)合故障診斷信息得到被控對象的參數(shù)變化和結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而加以重構(gòu)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。此外，還可以信號模型為基礎(chǔ)，利用頻譜、函數(shù)關(guān)系、自回歸滑動平均等方法對可測信號進(jìn)行直接分析，然后根據(jù)提取的頻率、幅值、均值、方差、相位等特征檢測控制系統(tǒng)故障。雖然經(jīng)過不斷發(fā)展該類方法較為完善，但在非線性系統(tǒng)故障檢測與診斷中尚未得到推廣。

三、火電廠控制系統(tǒng)故障檢測方案探討

首先是部件診斷層，該層結(jié)構(gòu)主要涉及熱工傳感器、執(zhí)行器、DCS模塊等構(gòu)件和元件的故障檢測，如傳感器貫穿了火電機(jī)組設(shè)備電壓、電流、壓力、溫度、流量等狀態(tài)變化主元參數(shù)，執(zhí)行器主要存在死區(qū)、自震蕩、卡死恒偏差等故障，DCS中的I/0通道則易因故障影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和執(zhí)行控制信號的有效性。因此為防止災(zāi)難性后果的發(fā)生應(yīng)進(jìn)行早期的故障檢測。針對控制系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器可以利用功率譜分析法、概率密度法、譜分析法等基于信號處理的診斷方法加以檢測，或者結(jié)合部件知識和信號趨勢分析可測信號的輸入輸出數(shù)據(jù)及其變化情況進(jìn)行故障診斷。然后是回路診斷層，針對火電廠控制系統(tǒng)回路層的故障檢測，一般可選用殘差方法，具體可根據(jù)實(shí)際情況利用不同的途徑獲取殘差，可以借助觀測器，或者構(gòu)建靜態(tài)模型，或者基于參數(shù)在線估計生成殘差。不過在回路層故障檢測與診斷過程中必須以精確的數(shù)學(xué)模型為前提，雖然火電廠控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，在模型精確度方面難以有效保障，但若場合適宜建立過程模型，還是建議盡量在進(jìn)行故障檢測時選用模型方法。最后是系統(tǒng)診斷層，由于符合能量和物質(zhì)守恒定律的控制系統(tǒng)中的參數(shù)和變量往往存在一定的相關(guān)性，使得大量控制回路一樣具有相關(guān)性，即所謂的系統(tǒng)冗余，所以在火電廠控制系統(tǒng)故障檢測中可加以充分利用。常見的方法有統(tǒng)計分析大量數(shù)據(jù)，具體可利用靜態(tài)和動態(tài)模型將變量關(guān)系表達(dá)出來，然后基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收集變量關(guān)系，然后將其保存在網(wǎng)絡(luò)權(quán)值中用于預(yù)測其他變量，以此根據(jù)輸出的預(yù)測值和實(shí)際值構(gòu)造故障殘差；最后利用控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)維數(shù)高、量大的特點(diǎn)選用主元回歸PCR、主元分析PCA、部分最小二乘PLS等多變量統(tǒng)計分析法獲得并提取故障信息，達(dá)到檢測與診斷故障的目的。

四、結(jié)語

總之，火電廠在滿足日益增長的市場電力需求的同時，也面臨著一定的風(fēng)險，即控制系統(tǒng)可能會因不同的故障而影響機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故借助先進(jìn)有效的技術(shù)方法及時檢測故障并分離故障防止其繼續(xù)蔓延便顯得十分必要。所以我們應(yīng)在積極尋求有效的故障檢測方法的同時注重具體實(shí)踐，能夠促進(jìn)火電廠控制系統(tǒng)運(yùn)行更為安全而經(jīng)濟(jì)。

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