基于水轮发电机组调速系统在线监测优化新决策方案

中国大唐集团科学技术研究院有限公司水电科学研究院 黄永强

水轮发电机组的调节系统由控制器和调速装置组成，其主要任务是通过调整导叶和桨叶开度，随电网负荷调度需求变化控制进水量大小，它的功能不仅是维持机组速度（频率）的稳定，还可以对机组在启动、停网、增减负荷、事故停机等不同工况下进行调节和监视。如果调节器在水轮发电机组正常运行期间发生故障，可能导致非计划停机或机组飞车，甚至危及人员和设备的安全，目前对调节系统状态监测技术的优化研究较少，有必要开发一套水轮发电机组转速在线监测和动态响应优化决策系统，满足调速系统的在线监测、历史回顾、数据处理、工况分析、记录等功能。

该智能诊断系统一是应具有良好的开放性、交互性和可扩展性，提供故障诊断和优化水轮发电机调节器运行所需的信息，并为调速系统的优化和维护提供支持；二是监控水轮发电机组调节系统的状况，准确获取调速系统的状态信息，及时给出故障报警，并根据调速系统信息的状态分析，对设备可能存在的缺陷或故障进行预警；三是专业人员可根据状态数据的历史记录分析设备和系统工况实时状态的评估，方便技术人员快速便捷拟定诊断系统调速性能下降和系统健康状况恶化的原因维护检修方案，为调速系统的维护和维修提供决策支持；四是对水电厂逐步开展状态检修，提高维护检修效率具有重要意义。

就目前国内现已研发的智能诊断系统经过实践应用发现效果并不理想，其中该智能诊断系统能够可靠进行数据存储管理和诊断结果分析功能的有限，而且还存在在线自动诊断的功能不完善的缺陷，不能向运行人员和检修维护人员提供有效的诊断结果，所以远远不能满足水电厂正常运行和检修状态的实际要求，其主要原因如下：

缺乏高深的理论知识和技术来支持失效自故障机理；缺乏一个科学客观的系统来高效地整合现场实时采集的数据和实验故障诊断结果。目前由于实验故障诊断是一项实用性很强的技术，要求科研人员结合参与现场实际诊断的技术人员和具有丰富领域知识的专家，尽可能建立一套贴近实际的规则，并同时要求推理机制与实际诊断思维方法和诊断信息相结合。为了建立一个接近人工诊断的推理系统，就目前大多数科研人员对实际的诊断过程及其特点还不够了解全面；在知识的获取和应用以及人工智能和专家系统方面还存在一些问题，人工智能和专家系统在工程应用中未能达到预期水平，问题的核心仍然是获取知识和应用知识的问题，即如何结合好掌握的知识、如何推理、如何提高自学能力。因此，应加强对专家系统实施方法和规则的研究。

1 调速系统系统结构现状

硬件结构：该系统设置一面在线监测控制柜，柜内配置一台数据服务器、网络设备以及运行于数据服务器平台上的在线监测系统软件。系统采用以太网通讯方式与调速器电柜主控平台(PLC)、油压控制柜主控平台(PLC)进行数据通讯，获取所需状态信息，并将相关报警数据、诊断分析结果发送至Ⅱ区数据中心。

软件结构：水轮发电机组调速系统状态在线监测及动态响应优化决策软件，包括状态在线监测子系统和优化决策子系统。状态在线监测子系统包含四个功能模块：人机界面模块提供软件系统和用户的交互功能，用户通过界面监视调速器的实时数据，设置系统参数，查询报警事件和历史录波曲线等；数据通讯模块用于从调速器主控平台(PLC)采集数据，并将处理过后的数据发送给Ⅱ区数据中心；通讯模块以通讯驱动方式实现，能够支持基于不同通讯规约、通讯介质的通讯系统，如Modbus Rtu、Modbus TCP/IP 等[1]；数据处理模块对缓冲区中的数据进行分析处理，并将相关数据发送给优化决策子系统用于专家决策。故障录波用于记录报警事件和实时波形曲线，用户可以查看历史报警事件和历史波形曲线，并保存为数据文件（图1）。

2 调速系统在线监测动态优化决策分析

水力发电机组的动态实时在线监测过程主要包括：启动机组、空载频率波动或者扰动、接力器固定时间、负载机组甩负荷、一次频率和独网运行。一般情况下，接力器的打开时间和接力器的关闭时间限制了接力器运动期间的速度；而完全打开的接力器和完全关闭的接力器的位置，其两个位置在接力器移动期间限制限位位置，是接力器运动过程中的主要非线性要素[2]。基于接力器运动进入上述所述位置和水轮发电机组动态实时及调节系统运行动态工况这一事实，可以将水轮机控制系统的动态过程可分为大振荡（大扰动）和小振荡（小扰动）等两个动态工况过程。

水轮机调节系统机组调节系统满负载甩负荷动态过程和水轮发电机调节系统空载频率波动或者扰动动态过程这两个过程的特性有着密切的关系。这两个过程的系统特性是具有迟缓型、优良型空载频率波动或者扰动动态特性，同时也是具有与之对应相同的迟缓型 、优良型的机组满负载甩负荷的动态特性。

举个实例比如：如果一个具有迟缓型水轮发电机组调节系统空载频率波动或者扰动动态过程特性的系统，那么这个水轮发电机组满负载甩负荷动态过程特性很有可能也是一个具有迟缓型动态特性。基于这两个过程的密切特性有效的为水电站水轮发电机组选取调速器的PID 控制器参数提供全面数据和路径，目前根据水电厂的水轮发电机组实时情况，不能满足进行数次满负载甩负荷动态过程[3]。所以通常在水轮发电机调节系统空载频率波动或者扰动动态过程试验中，通过选择调速器的PID 控制器参数，使其具有优良型的空载频率波动或者扰动动特性，从而也就可以选取水轮机调节系统机组调节系统满负载甩负荷时的调速器的PID 控制器参数。

基于水轮发电机动态工况优化系统大数据统计和分析技术，采集多方面有关水轮发电机组的调速系统现场实时试验数据和仿真验证结果，用于分析水轮机调节系统启动机组、空载频率波动或者扰动、接力器固定时间、负载机组甩负荷、一次频率等动态过程来确定动态过程类型。其次可以在分析系统动态过程曲线与数表的基础上，对相应的动态特性进行处理和分析，还有在专家知识库的帮助下提供相应的辅助决策支持，指出水轮机微机调速器PID调节参数优化的方向和数值[4]。为客观描述和反映水轮发电机组动态过程类型，如图2～4列举一些关于某水轮发电机组调节系统不同负荷工况和事故情况下的动态模拟实例。

图2 水轮机调节系统机组满负载甩负荷动态过程模拟分析图

3 调速系统在线监测优化决策方案及效果评价

通常，调速系统运行工作状态的监测对象主要是调速器系统本体及油压系统运行设备，包括两部分：调速系统性能监测和设备状态监测，调速系统性能监测参数包括控制参数、动静态特性参数和机组控制参数[5]；工况监测参数包括油压及调速器的运行参数和电厂的运行参数，目前，调速系统状态实时在线监测和故障诊断的研究重点是速度调节系统的性能工况的监测和诊断。

图3 水轮机调节系统空载频率波动或扰动动态过程模拟分析图

图4 水轮机调节系统调节负荷工况动态过程模拟分析图

主要有以下功能：实时在线监测调速系统和智能系统的运行状态分析。实时在线监测调速系统包括实时监控运行状态、实时运行曲线、实时状态数据列表，记录故障事件等，可动态显示油源系统和调速系统的实时运行状态，如果系统发生故障，将用相应的捕捉标志具体位置指示，提醒对其进行诊断分析；事件记录和事故收集：设备状态信息90天期间，系统运行过程和设备状态进行全面和完整保存信息，以执行故障录波和试验记录功能；优化决策：根据对速度调节系统状态信息的分析，评估设备的性能和健康状态，然后基于对调速系统性能和健康状况的评估，快速诊断设备性能不佳和健康状况恶化的原因，并做出维护调速系统的最佳决策。

效果评价：即使该系统停运后，实现了实时在线监测、历史回顾、数据处理、工况分析记录等功能，为机组故障诊断提供必要的信息和决策建议，并对调速系统进行优化维护，每年节约大量的调速系统维护设备成本，同时提高设备使用小时数，提高发电效率；安装该系统后，能够有效和完整的积累大量调整系统的实际运行工况状态和过程调整参数，为后期水轮发电机组调速系统的设备故障建模和分析提供历史数据借鉴和支持；该系统可推广应用于国内同类型的其他水电站，以充分了解运行状态，改变本厂的调速系统的变化趋势，对其他水电站逐步因地制宜进行系统设备的维护和检修具有重要意义。

经济效益：该决策方案在应用于某电厂6号机组后，能够实现水轮发电机组调速系统实时在线监测、历史回顾、数据处理、故障预警等功能,具有很好的开放性、交互性和扩展性,能够为机组故障诊断提供必要的信息与决策建议,对调速系统实施优化维护提供重要支撑依据。有效避免因调节系统故障导致机组非计划停运时间。洪江电厂平均每台机组每年因调节系统故障导致机组停运时间1天平均值来算，1天发电量：4.5万千瓦×1天×24小时/天=108万千瓦时，电厂上网电价为0.35元/千瓦时，提高机组可用小时数可增发电量创收：108万千瓦时×0.35元/千瓦=37.8万元，6台机组可创收37.8万元×6=226.8万元。

综上，该厂对水轮发电机组调速系统在线监测优化新决策方案实施以后，能够实时评估调速系统的工况参数和性能状态，鉴别系统和设备运行状态，识别故障点的最初症状，判断故障的位置点、损害程度和故障的发展趋势等，并且做出结果诊断或数据共借鉴，这样可以保证系统或者设备性能指标未达到规定或即将发生故障之前，对设备进行超前维护或者检修，提高设备的可利用率，快速拟定检修计划，为设备的安全性、可靠性、长期运行性等提供有力技术支持和保证，此外可以为公司节约开支，节省创造经济效益。综上所述，该厂对水轮发电机组调速系统在线监测优化新决策方案，可在国内其他同类型水电站进行推广应用，对水轮发电机组的调速系统远程故障分析诊断有非常重要的意义。