发电设备故障远程诊断系统的应用探讨

蔡宁宁

（浙能技术中心，杭州 310052）

随着发电厂自动化水平的不断提高，发电设备故障告警系统已由原模拟式声光系统跃变为计算机智能化的电子大屏幕故障告警系统，但是所达到的效果仍然是在设备发生故障或损坏后的事后告警，不能起到预知、预防作用。另一方面，在电力设备检修管理上，大多是以计划性定期检修或当运行中出现问题后的临时性抢修为主，存在着对设备的过修及欠修现象。针对上述问题，某电力集团引进、开发并应用一个发电设备远程故障诊断系统（简称预警系统），该系统能有效地在设备故障发展的早期及时发现并给出告警信息，为运行和检修提供有价值的决策支持。

1 预警系统简介

1.1 预警系统功能

预警系统具有实现对发电设备进行远程监测及故障诊断的功能，与传统的状态监测工具不同，系统能为设备提供早期和可控的告警。通过不间断地检测设备相关测点信息和基本数据信息，自动分析所有过程数据、状态监测数据、历史数据，能较为准确地诊断出发电机组中那些有可能影响安全经济运行的不良趋势及可能发生的不同类型、不同程度的故障和异常情况，并提前发出告警信息。预警系统洞察到的问题涵盖发电设备运行工况的指标偏差、设备性能的劣化、设备质量隐患及设备故障等方面，如管道及容器的泄漏、轴承过热、机械磨损及卡涩、电机振动及线圈发热、管路结垢、堵塞、燃烧偏差、油气品质问题、电气设备过载过热、测量设备超差及损坏等故障。

1.2 预警系统关健技术

预警系统的核心软件是设备故障预警软件EPI*Center，该软件采用独特的相似原理建模技术（SBM），即为多变量无参数模式重构技术，采用多变量相关分析，并考虑到环境变化和运行模式因素，根据每台设备独有的数据建立相应个性化模型，以动态带作为报警阈值，通过预警引擎的判断确定报警。相似原理建模的目标是从多变量数据中排除正常变量，从而暴露异常运行状态。

基于相似原理的建模技术使用非参数方法，模型通过模式重构完成，不会试图把一个变量明确地同另一个变量联系起来，是纯粹基于选定的样本数据产生估计值。将模型中的估计值和实际值进行比较，偏差在一定值内表明运行是正常的。当异常情况发生时，偏差超出设定范围，预警信息产生，预警系统预警信息产生过程见图1。

图1 预警系统预警信息的产生

1.3 预警系统结构组成

预警系统硬件设备主要由故障预警计算服务器、应用服务器、系统维护服务器、各发电企业生产实时数据相关的信息系统（PI）或厂级监控信息系统（SIS）服务器、网络交换机、光纤接口机、光纤传输通道等设备及相关连接回路组成。预警系统基础软件主要包含：计算服务器端软件、建模工具WorkBench、设备监视界面Sentinel、权限管理Gatekeepe、客户端安装升级工具Clickonce以及使用SQL Server 2005和PI数据库作为主要的数据平台，预警系统结构见图2。

集团侧PI系统服务器采集下属发电企业各机组集散控制系统（DCS）内相关信息数据，故障预警服务器从集团的PI或IH（iHistorian）数据库读取需要的实时数据送到计算服务器进行分析，分析结果通过预警信息服务器发布至各浏览器。

2 预警系统应用情况及成功案例

图2 预警系统结构

某电力集团于2009年开始引进并开发预警系统应用项目，至2011年8月，集团下属已有5家发电企业的19台大型发电机组（17台600 MW，2台300 MW）安装了故障预警设备，并均已投入运行。

预警系统选择汽轮发电机系统、给水系统、制粉系统、风烟系统、循环冷却水系统、锅炉汽水系统、脱硫系统等七大生产主线系统作为监测对象，每台机组分别采集约800～1 500点不等的反映设备运行状态的各类测点信息作为预警系统的基础数据。

预警系统自2010年4月开始陆续上线运行，在短短的一年多时间里，累计被监测设备的预警事件有近千余条，这些预警事件中有较大一部分是现场运行人员不易发现或未注意到的隐患问题，这类潜在异常问题的及时预知，为设备运行计划管理赢得了时间，为机组安全经济运行赢得了保障。实践证明，预警系统作为机组设备监控系统的补充，正发挥着特有的作用。

案例1：发电机定子线棒层间温度高预警，预警信息见图3。图3显示，某发电机定子33号槽上下层间线圈温度实测值（曲线1）逐渐偏离模型预估值（曲线2），最终发出高预警信息（曲线3）。查看发电机相关参数如负荷、定冷水进水温度等均正常，比较该发电机其他定子线圈温度测点曲线均较33号槽相应温度低，而查看33号槽相应下层出水温度也有明显升高现象，发电机线圈及出水温差均有所升高，判断33号槽线棒下层存在冷却水回路散热不畅现象（可能管内堵塞或气阻），后经查实系管路结垢引起。

该案例表明预警系统能准确及时地反映发电机线棒层间温度测点出现的异常现象。在常规运行监控中，由于发电机线圈温度并未出现特别大的波动，其绝对值远未达到常规形式的故障报警设定值，不容易引起监控人员的注意，而实际上却已潜伏着故障危机。通过预警信息，运行人员及时作出应对措施，从而有效预防可能引起的绝缘损坏事故，将安全隐患消灭在萌芽中。

案例2：1号高加正常疏水阀位置反馈高预警，预警信息见图4。预警信息显示，高加疏水阀位置（曲线2）偏离模型预估值（曲线1），1号高加正常疏水阀位置反馈出现高预警信息（曲线3）。查看相关参数曲线，除了高加水位变化对端差有点影响，其他运行参数均未发现异常，判断为阀门结垢或疏水回路出现堵塞造成反馈偏差。后经查实，系1号高加正常疏水阀被氧化物堵塞引起。案例表明：当阀门堵塞问题引起其开度逐渐偏离运行应有范围时，因其变化趋势非常缓慢，且该阀位信息又非运行人员日常关注参数，故较难被发现。预警系统及时捕捉到这种异常现象，避免了因此而可能引起的高加水位调节不稳导致的机组安全事故。

案例3：2号炉D磨煤机电机轴承温度低预警，预警信息见图5。预警信息显示，D磨煤机电机轴承温度（曲线1）低于预估值（曲线2）约10℃而发出预警信息（曲线3）。查阅电机相关参数测点曲线及其他磨煤机电机相应温度曲线，分析判断为该温度测量装置不正常。后经现场检查确认为测温元件绝缘性能下降引起，更换测温元件后恢复正常。该案例表明：当测量装置故障时，会出现偏差不大的反故障趋势信号（如上述温度测点信号偏低），而常规报警设定是温度高报警，被监测设备失去正常的监护，预警系统能消除这类安全隐患。

3 预警系统建设经验

3.1 预警模型的正确建立

模型的正确建立是影响故障预警判断的关健因素，预警系统的准确判断除了其特有的分析计算程序外，还需要有大量健全准确的数据信息支撑。要求精选发电设备正常运行下的所有参数，模型数据越齐全、正确率越高，模型预估准确度也就越高，从而预警系统判断的准确性和可靠性也越高。

图3 发电机定子线圈温度

图4 疏水阀开度位置

图5 磨煤机电机轴承温度

一年多的运行证明，在所有的预警事件中，相当一部分是因历史数据仍存在较多的虚假或缺失等因素引起的误发拒发现象，但通过对预警模型的不断优化，目前已大为减少。因此，预警数据模型的正确训练至关重要。在安装数据库建立预警模型时，必须去除因检测设备故障、数据质量问题、人为干扰因素等造成的异常数据信息，同时尽量使数据库中具备至少一年以上的合格历史数据。另外，由于预警模型的自学习功能并不能区分数据的好坏，因而在运行过程中，需要人工定期对系统模型进行训练。

3.2 预警模型阈值的设定

预警系统对模型预估值与实际测量值的偏差进行比较，当超出预先设定的值时，预警信息产生。预警值类似传统保护中的定值，其值的大小影响着预警的灵敏性和可靠性。根据机组特性及运行理念习惯的不同，在各发电企业有着不同的预警条件需求，目前在设置上还存在过于灵敏或过于迟钝现象而影响其性能的正常发挥。为此，需针对被监测对象在生产中的性能特点，设定一个合理的值，这也是提高预警系统可信度的关键。

3.3 预警中算法和逻辑操作选择

预警算法逻辑操作规则包括实际值高预警、实际值低预警、偏差值高预警、偏差值低预警4类，根据设备在系统运行中的工艺特点，选择适合设备测量信号性质的具有预警意义的一种或多种类型组合进行逻辑判断。系统应用中大多为偏差预警设置，有部分偏差预警的测点信号因其设备长期运行在边缘工况，存在超限额运行而系统却无法告警的可能性，为此需增设实际值辅助预警。另外有部分测点，其实际运行点位数值较小且与限值相距很远，在运行中出现波动产生偏差时无需预警，此时如增设绝对值条件判据进行预警较为科学。

3.4 预警信息的分析及处理

预警系统目前还未能实现完全的智能化自动判断功能。预警系统产生的预警信息只是给出被监测设备某项参数值出现了异常，而异常的根本原因还需专业人员进一步分析判断，再作决策方案并落实处理。系统、高效、科学、正确的二次分析及处理工作也是预警系统功效发挥的基础保障。预警事件分析工作要求：

（1）具备有较高专业理论基础、熟悉现场设备并有丰富的运行实践经验、能够熟练掌握预警系统机理及应用操作技术的专业分析人员。

（2）拥有正确的实时数据采集信息，完整的各发电机组设备图纸资料及现场情况信息渠道。

（3）建立一套科学合理的分析管理工作流程。

3.5 预警系统功能的完善

（1）预警系统自动分析判断功能应进一步开发完善，实现当预警事件出现后，系统能进一步区分出导致该预警产生的原因，或模型数据、设备、测量系统、数据传输等问题。

（2）预警系统内部应建立完善的预警事件分析、确认、处理、完毕等的闭环管理流程，实现在线分析、审核及管理。

（3）在系统中应链接相应设备系统图，可直观反映系统模拟图上测点部位及相关联工艺流程，实时了解被监测设备运行工况。

4 结语

预警系统的作用已是毋庸置疑，预警系统的推广与应用已使发电设备的故障管理正在向性能劣化超前预警与故障实时告警相结合的方向迈进，发电设备的检修维护由计划定期走向状态检修成为可能，设备突发故障将大为降低。相信通过科学合理地开发与应用预警系统，必将给发电企业带来巨大的安全及经济效益。

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