朱紅平，萬元，魏志鵬，陳小松，龔傳利

(1.五凌電力有限公司，湖南長沙 410004;2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

水電廠油、水、氣系統(tǒng)設(shè)備由于其“輔助”性質(zhì)而不被重視，然而，由于設(shè)計重視程度和國產(chǎn)設(shè)備的工藝質(zhì)量，以及運行環(huán)境等種種因素影響，使機組輔助設(shè)備對發(fā)供電可靠性的影響更顯突出〔1〕。輔助設(shè)備的運行可靠性及自動控制操作成敗，不僅直接關(guān)系到主設(shè)備運行可靠性和自動開停機成功與否，而且也直接關(guān)系到運行機制的變化，還有可能直接導致機組的非計劃停運，造成較大的經(jīng)濟損失〔1〕，因此，有必要對水電廠輔助系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測與分析〔2〕。

鑒于此，在介紹水電廠高壓氣系統(tǒng)工作原理基礎(chǔ)上，總結(jié)了水電廠高壓氣機異常啟、停與相應(yīng)故障對應(yīng)關(guān)系，提出了高壓氣系統(tǒng)關(guān)聯(lián)監(jiān)測模型:以高壓氣機的啟動運行時間、停止間隔時間為基礎(chǔ)，集成相應(yīng)的關(guān)聯(lián)監(jiān)測量，根據(jù)建立的專家知識庫系統(tǒng)，應(yīng)用合理的智能推理與診斷機制，實現(xiàn)高壓氣系統(tǒng)的在線分析，同時利用五凌電力有限公司(以下簡稱:五凌公司)梯級水電廠群遠程集控系統(tǒng)提供的海量數(shù)據(jù)源，建立了水電廠高壓氣系統(tǒng)的遠程分析平臺，目前，該平臺已投入工業(yè)試運行，成功診斷出五凌公司某水電廠高壓氣系統(tǒng)漏氣故障，從而證明了該平臺的有效性。

1 高壓氣系統(tǒng)工作原理

水電廠高壓氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示〔3〕。

如圖所示，水電廠高壓氣系統(tǒng)包括高壓氣機、控制回路、高壓氣罐、輸氣管道，補氣閥門等〔3〕。高壓氣機主要用于維持高壓氣罐的氣壓在一定范圍內(nèi)，高壓氣罐通過高壓輸氣管道、補氣閥向電廠各機組壓油槽補氣，以維持壓油槽中的正常工作壓力。在向各機組壓油槽補氣、輸氣管道自然泄氣等情況下，高壓氣罐氣壓逐漸降低，當氣壓下降到某壓力限值時，啟動高壓氣機運行，高壓氣機向高壓氣罐打氣，逐步增加高壓氣罐中的氣壓，當氣壓升高到上限壓力時，控制系統(tǒng)自動停止高壓氣機運行，如此周而復(fù)始，便構(gòu)成了水電廠高壓氣系統(tǒng)的工作原理〔3〕。

圖1 高壓氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

通過對高壓氣系統(tǒng)工作原理圖的分析，顯然可得出以下幾點結(jié)論〔3〕:

(1)高壓氣機的啟、停存在明顯的規(guī)律性與周期性，對其規(guī)律性與周期性的總結(jié)，有利于了解泵設(shè)備習性，因此，目前國內(nèi)大多數(shù)水電廠將記錄高壓氣機的運行時間、停運間隔作為運行值班人員的重要工作任務(wù)之一。

(2)由于高壓氣機啟/停對應(yīng)的高壓氣罐氣壓限值均基本保持不變，高壓氣機啟動時高壓氣罐氣壓上升速度與氣機工作效率、高壓氣系統(tǒng)漏氣故障、向壓油槽補氣事件等原因關(guān)系密切，高壓氣機停運時高壓氣罐氣壓下降速度與漏氣故障、補氣事件等存在特定關(guān)聯(lián)關(guān)系，因而分析在高壓氣機運行或停止過程中，融合高壓氣罐氣壓變化速度等關(guān)聯(lián)監(jiān)測量，有利于高壓氣系統(tǒng)的故障診斷。

(3)當高壓氣機的啟動運行時間、停止間隔時間偏離其正常規(guī)律時，有效融合其他關(guān)聯(lián)監(jiān)測量，能實現(xiàn)高壓氣系統(tǒng)中高壓氣機工作效率下降、控制回路故障、高壓氣罐及輸氣管道漏氣故障等的有效監(jiān)測。

因此，通過監(jiān)測高壓氣機的啟、停時間，融合相應(yīng)的關(guān)聯(lián)監(jiān)測量，可實現(xiàn)高壓氣系統(tǒng)的有效診斷。

2 高壓氣系統(tǒng)關(guān)聯(lián)監(jiān)測模型

水電廠高壓氣系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)監(jiān)測模型的功能框圖見圖2。

圖2 高壓氣系統(tǒng)關(guān)聯(lián)監(jiān)測模型

由圖2知，水電廠泵設(shè)備的分析概括由幾個部分組成:

(1)以人工離線分析為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場專家經(jīng)驗、試驗結(jié)果、典型案例，對歷史數(shù)據(jù)進行離線分析與總結(jié)，以此為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的專家知識庫系統(tǒng)，包括特征提取策略、診斷閾值系統(tǒng)、異常事件與故障對應(yīng)庫、關(guān)聯(lián)信息集成分析策略、多維向量的協(xié)同式智能推理與診斷機制等。

(2)依據(jù)已建立專家診斷知識庫系統(tǒng)，對實時數(shù)據(jù)進行在線分析與診斷，提取用于判別高壓氣系統(tǒng)故障的特征參數(shù)，并根據(jù)閾值判定特征值是否越限，在特征值越限的基礎(chǔ)上，根據(jù)異常事件與故障的對應(yīng)表，初步定位故障的原因，然后融合關(guān)聯(lián)監(jiān)測量，根據(jù)定義的智能推理機制，最終得出故障診斷的結(jié)論。

(3)在實時分析過程中總結(jié)與發(fā)現(xiàn)問題，不斷完善專家診斷知識庫內(nèi)容，因為專家診斷知識庫的完備性，是決定泵設(shè)備故障診斷能否實現(xiàn)的基礎(chǔ)。因此，在高壓氣系統(tǒng)分析模型中，當自動分析過程中未能得出診斷結(jié)論時，則自動請求人工離線干預(yù)分析，借助專家的經(jīng)驗及理論知識，獲得人工分析結(jié)論，以補充專家診斷知識庫，使其日趨完備。

以下介紹高壓氣系統(tǒng)關(guān)聯(lián)監(jiān)測模型中的幾點關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 監(jiān)測量及特征提取

監(jiān)測量的選擇與特征參數(shù)提取是實現(xiàn)水電廠高壓氣系統(tǒng)故障分析的基礎(chǔ)，由第1節(jié)知，通過監(jiān)測高壓氣機的啟、停時間，并融合相應(yīng)的關(guān)聯(lián)監(jiān)測量，可實現(xiàn)高壓氣系統(tǒng)的有效診斷。因此，本文以高壓氣機的啟、停時間作為高壓氣系統(tǒng)故障檢測的基礎(chǔ)，提取的特征參數(shù)包括高壓氣機啟動運行時間Ton、停運時間間隔TD、高壓氣機啟動時氣罐壓力變化速度Vb，高壓氣機停運時氣罐壓力變化速度Vh等。以2臺高壓氣機輪換啟動打氣為例，特征參數(shù)提取方法見圖3所示。

圖3 2臺高壓氣機輪換啟動時特征參數(shù)提取方法

由圖3可知，Ton，TD，Vb，Vh可分別由式(1)～(4)計算:

Vh雙機同時啟動可用式 (5)表示:

式 (1)～(5)中，Vb能基本體現(xiàn)高壓氣機的工作效率，當Vb值變小時，能在很大程度上表明高壓氣機打氣的效率降低，Vh的大小與高壓氣系統(tǒng)漏氣、壓油槽補氣閥門是否開啟密切相關(guān)。Ton，TD與高壓氣系統(tǒng)控制回路的狀態(tài)、高壓氣機的效率、壓油槽補氣閥開啟、氣系統(tǒng)漏氣等均存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過分析Ton，TD能初步判斷高壓氣系統(tǒng)是否處于正常運行狀態(tài)。As=1表示雙機同時啟動狀態(tài)，Az=1表示主用氣機處于啟動狀態(tài)，Ab=1表示備用氣機處于啟動狀態(tài)，符號＆＆表示“與”邏輯，即2個條件同時為邏輯“1”時，結(jié)果才成立。

2.2 高壓氣機啟停異常與故障對應(yīng)關(guān)系

高壓氣機啟停異常與故障對應(yīng)關(guān)系的總結(jié)是實現(xiàn)故障診斷與定位的基礎(chǔ)，其建立在與具有豐富經(jīng)驗的現(xiàn)場專家廣泛交流的基礎(chǔ)上，并且要求深入研究高壓氣系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)設(shè)備的運行性能〔4〕。本文通過與現(xiàn)場專家的反復(fù)交流，建立了高壓氣機異常啟停與故障對應(yīng)關(guān)系表 (見表1)。

表1 高壓氣機異常啟停與故障對應(yīng)表

2.3 相關(guān)信息的集成分析策略

由表1可知，顯然僅對高壓氣機的啟停時間分析不足以準確地定位高壓氣系統(tǒng)的具體故障形式，因此，為了實現(xiàn)高效的故障診斷，有必要集成相關(guān)的狀態(tài)量，對高壓氣系統(tǒng)進行綜合分析。

從表1得出，高壓氣機異常啟/?？煞譃橐韵聨追N故障形式:停運時間長、停運時間短、運行時間長、運行時間短、多機同時啟動。以高壓氣機停運時間過短為例，由表1知，可能是由3種原因引起:①壓油槽補氣閥開啟;②高壓氣系統(tǒng)漏氣;③啟機壓力定值漂移等原因引起，顯然，若沒有集成分析相應(yīng)關(guān)聯(lián)監(jiān)測量，當出現(xiàn)高壓氣機停運時間過短事件時，無法給出引起該事件的具體原因。

基于此，為了實現(xiàn)對于水電廠高壓氣系統(tǒng)的監(jiān)測，對相應(yīng)的關(guān)聯(lián)監(jiān)測信息量進行綜合分析，具體包括高壓氣罐氣壓實時值P，高壓氣罐氣壓變化總幅值Pca，補氣閥狀態(tài)變化總次數(shù)Cca等。其中Pca，Cca的計算方法如下所示。

設(shè)在某次高壓氣機停運過程中，高壓氣罐氣壓幅值總共變化M次，每次對應(yīng)幅值為Pm，同時該電廠機組共有N臺機組，第n(1≤n≤N)臺機組壓油槽補氣閥變化次數(shù)為An，則Pca，Cca可由式(6)和式(7)計算:

其中，設(shè)第n臺機組在高壓氣機停運過程中，壓油槽補氣閥共經(jīng)歷了T個狀態(tài)，每個狀態(tài)值分別為 Sn，t(Sn，t=1 表示補氣閥開啟，Sn，t=0 表示補氣閥關(guān)閉)，則An可由式 (8)計算。

顯然，當出現(xiàn)高壓氣機停運時間過短事件時，若An值較大，則該事件極有可能是由壓槽補氣閥開啟引起的，而不是由高壓氣系統(tǒng)的某個故障狀態(tài)造成的。

2.4 推理與診斷機制

高壓氣系統(tǒng)的推理機制主要建立在高壓氣機啟停異常與故障對應(yīng)關(guān)系表的基礎(chǔ)上，需要首先定義推理規(guī)則庫與診斷閾值系統(tǒng)，然后根據(jù)實時信息的特征，結(jié)合關(guān)聯(lián)監(jiān)測量的特征，自動給出推理結(jié)論。

以高壓氣機運行時間過短事件為例，其推理與診斷步驟如下所示:

①判斷高壓氣機停運時間TD是否小于某閾值Tsth，若滿足，轉(zhuǎn)入步驟②，否則結(jié)束。

②自動判斷高壓氣機啟動時高壓氣罐氣壓值P是否處于區(qū)間 ［Psth，Plth］內(nèi)，若不滿足，給出啟機壓力定值漂移故障，否則轉(zhuǎn)入步驟③。

③按照式 (7)計算壓油槽補氣閥變化次數(shù)為An，設(shè)定閾值 Ath，Ath—L(Ath＜Ath—L)。若 An＜Ath，給出故障診斷結(jié)論:高壓氣系統(tǒng)漏氣，若 An＞Ath—L，給出事件原因:壓油槽補氣閥開啟補氣;否則轉(zhuǎn)入步驟④。

④定義為未知原因，自動請求人工干預(yù)分析，通過專家的現(xiàn)場經(jīng)驗，獲得有效的診斷結(jié)論。

3 水電廠高壓氣系統(tǒng)的遠程分析平臺

3.1 硬件平臺

為了有效利用五凌公司梯級水電廠群遠程集控系統(tǒng)提供的海量數(shù)據(jù)源，建立了水電廠高壓氣系統(tǒng)遠程分析硬件平臺，如圖4所示。

圖4 高壓氣系統(tǒng)遠程分析硬件平臺

圖4中，數(shù)據(jù)分析服務(wù)器是高壓氣系統(tǒng)遠程分析物質(zhì)基礎(chǔ)，其安裝在五凌公司梯級水電廠群遠程集控系統(tǒng)安全Ⅲ區(qū)，按照圖4方式構(gòu)建系統(tǒng)的硬件平臺的主要依據(jù)有以下幾點:

①五凌公司梯級水電廠群遠程集控系統(tǒng)通過遠程通信服務(wù)器收集了遠程電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的幾乎所有信息，并在集控中心生產(chǎn)控制網(wǎng)上廣播;站內(nèi)通信服務(wù)器接收廣播數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)發(fā)到安全Ⅲ區(qū)，作為高壓氣系統(tǒng)分析的原始數(shù)據(jù)來源。

②遠程集控系統(tǒng)的安全Ⅲ區(qū)建立了web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)分析服務(wù)器可以從web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中獲得高壓氣系統(tǒng)分析過程中所必須的歷史數(shù)據(jù)。

③高壓氣系統(tǒng)遠程分析硬件平臺的建立符合《電力系統(tǒng)二次安防若干規(guī)定》。

3.2 軟件平臺

軟件采用vc#2005設(shè)計，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)融合了B/S與C/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，成功地解決了單獨采用B/S或C/S結(jié)構(gòu)不能完全滿足要求的問題〔5〕。

軟件平臺設(shè)計采用全開放式軟件設(shè)計方法，故障類型、檢測條件與方法、邏輯推理機制、故障定位準則等全部可在后臺配置，前臺軟件僅顯示診斷結(jié)果，從而增加了軟件的靈活性。

4 診斷實例

水電廠高壓氣系統(tǒng)遠程分析平臺成功地診斷出五凌公司某水電廠高壓氣系統(tǒng)漏氣故障。

圖5為五凌公司某水電廠在高壓氣系統(tǒng)故障狀態(tài)下各信息量，包括高壓氣罐氣壓與高壓氣機(共3臺輪換)的變化波形圖。

圖5 高壓氣機啟機時間長時各信息量波形圖

2011年6月23日02∶41∶00，1號高壓氣機啟動后，持續(xù)運行30 min后不停運，在1號泵運行過程中，高壓氣罐氣壓在泵開始啟動過程中持續(xù)上升，上升到快接近停泵壓力后，即使1號高壓氣機啟動，壓力值卻持續(xù)降低，高壓氣機的運行無法使高壓氣罐到達停泵壓力，并且，在該段時間內(nèi)，該水電廠 (共裝有4臺機組)1～4號機組的補氣閥沒有開啟，即高壓氣罐沒有向1～4號機組的調(diào)速壓油槽裝置補氣，顯然，該現(xiàn)象的產(chǎn)生極有可能由2種故障造成:高壓氣系統(tǒng)管道漏氣;高壓氣機效率低。然而高壓氣機在啟動初期，高壓氣罐氣壓上升，并且上升速度比較快，顯然，這次故障是由高壓氣系統(tǒng)管道漏氣引起的。采用泵分析子系統(tǒng)對該故障進行檢測，診斷的組合條件為:

(1)高壓氣機啟動時間過長;

(2)壓油槽補氣閥變化次數(shù)為An=0;

(3)高壓氣機啟動過程中，氣壓變化總幅值大于高壓氣機停機壓力減去啟機壓力;

(4)高壓氣機啟動過程中，高壓氣罐氣壓變化速度較小。

啟動氣系統(tǒng)遠程分析平臺對相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)進行檢測，檢測結(jié)果如圖7所示，顯然系統(tǒng)能正確該次診斷結(jié)果，并實現(xiàn)了故障的定位。

圖6為同一水電廠2011年6月23日15∶14∶46時刻高壓氣機的異常啟停時各信息量的變化圖，在1 h之內(nèi)，3，1號高壓氣機連續(xù)啟動，泵啟動的間隔時間短，高壓氣罐氣壓力下降速度很快，并且，在該段時間內(nèi)，該電廠1～4號機組的補氣閥沒有開啟，即高壓氣罐沒有向1～4號機組的調(diào)速壓油槽裝置補氣，顯然初步可診斷出故障類型為高壓氣系統(tǒng)漏氣。

采用高壓氣系統(tǒng)分析平臺對該故障進行檢測，診斷的組合條件為:

①高壓氣機停止時間過短;

②壓油槽補氣閥變化次數(shù)為An=0;

③高壓氣機停運過程中，高壓氣罐氣壓變化速度較大。

啟動氣系統(tǒng)遠程分析平臺對相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)進行檢測，檢測結(jié)果如圖7所示，顯然系統(tǒng)自動分析獲得的結(jié)論與理論分析結(jié)論完全一致。

圖6 高壓氣機停機時間短時各信息量的波形圖

圖7 故障診斷結(jié)果

通過實際2次漏氣故障的有效檢測，證明了高壓氣系統(tǒng)遠程分析平臺的有效性。

5 結(jié)束語

針對輔助系統(tǒng)在水電機組狀態(tài)監(jiān)測研究領(lǐng)域不被重視的現(xiàn)狀，提出了水電廠高壓氣系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)監(jiān)測方法，利用五凌公司梯級水電廠群遠程集控系統(tǒng)提供的海量數(shù)據(jù)源，建立了高壓氣系統(tǒng)遠程分析的硬件平臺與軟件平臺，給出了該平臺的故障診斷實例，目前，該平臺已在五凌公司投入了工程試運行，獲得了較好的應(yīng)用效果，得到了現(xiàn)場運行人員及專家的充分肯定。

當前，水電機組輔助設(shè)備在線監(jiān)測與分析研究成果不是很多，技術(shù)上還不成熟，高壓氣系統(tǒng)關(guān)聯(lián)監(jiān)測與分析研究和實踐可為水電機組其它輔助設(shè)備在線監(jiān)測與分析提供參考。

〔1〕趙晶．水輪機調(diào)速油系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與分析〔D〕.湖北:華中科技大學圖書館，2007．

〔2〕Y.Han，Y.H.Song.Condition Monitoring Techniques for Electrical Equipment—A Literature Survey 〔J〕.IEEE Transactionson Power Delivery，2003，18(1)．

〔3〕鄔承玉，王義林.水輪發(fā)電機組輔助設(shè)備與測試技術(shù)〔M〕.北京:中國水利水電出版社，1999.

〔4〕 U.Fayyad， G.Piatetsky-Shapiro， and P.Smyth． Knowledge discovery and datamining:Towards aunifying framework．In:Second International Conference on Knowledge Discovery and DataMining〔C〕，1996．

〔5〕羅云，李朝暉.面向維護的水力發(fā)電設(shè)備遠程實時監(jiān)視方法〔J〕.水電自動化與大壩監(jiān)測，2007，31(1):57-60．