CN108035838A - 全厂水轮机调速系统健康状态评估及优化方法 - Google Patents

全厂水轮机调速系统健康状态评估及优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种全厂水轮机调速系统健康状态评估及优化方法。全厂水轮机调速系统智能分析平台通过工业以太网获取全厂水轮机调速系统各部件的特征参数，对全厂不同水轮机调速系统的相同部件的特征参数进行比较、计算，修正每台水轮机调速系统各部件的健康状态指数，以便更准确及时地评价每台水轮机调速系统的健康状态。全厂水轮机调速系统智能分析平台通过工业以太网获取全厂水轮发电机组的水头、有功、导叶开度及振动摆度信息，通过长时间的运行数据积累、分析，建立各水轮发电机组水头、有功、导叶开度和电气开限的综合特性曲线，并识别振动摆度超限区，借以优化水轮机调速系统的功率调节和一次调频，避免机组过负荷，同时规避振动摆度超限区。

Description

全厂水轮机调速系统健康状态评估及优化方法
技术领域
本发明涉及一种全厂水轮机调速系统健康状态评估及优化方法，用于智能化水电站各型水轮机调速系统的健康状态评价及优化控制，满足智能电网的安全运行要求。
技术背景
水电站水轮机是否健康正常运行，将直接影响是否存在安全隐患，事故发生的原因和暴露的问题是多方面的，其中最主要的原因是机组因调频调峰而运行在振动区，水轮机轴承振动幅值严重超标。为此，我们必须加强对机组的状态监测，提高机组运行的稳定性，水轮机调速系统作为水轮机的核心控制设备，承担着更重要的责任，有必要通过对全厂水轮机调节系统的健康状态评价，优化控制规律和方法，进一步提高机组控制的性能、效率和安全。
随着智能化水电站的试点建设，为大中型水电站各设备之间信息共享提供了可能，大量数据得以记录存储，这些海量数据反映了设备间的复杂关系。现在水电站只有一些简单的越限报警，没有综合分析这些数据。如何利用这些相互关联的数据对水电站进行故障诊断、定位和状态评估，是未来智能化电站必须解决的问题。
目前针对水电站的水轮机调速系统的健康状态评估尚未完全展开，特别是通过全厂不同的水轮机调速系统的对比来修正其健康状态的评价体系更未展开，基于此的优化控制也未能实现。
因此寻找一种切实可行且有效的水轮机调速系统健康状态评估体系，对大中型水电站水轮机调速系统健康状态进行综合评价，以便设备管理人员及时了解设备性能状况，提高设备运行的安全性，优化控制规律，对水电站的日常设备管理以及检修工作进行科学的指导具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了适应智能化水电站的建设，建立水电站全厂水轮机调速系统的健康状态评价体系，借以指导水电站的设备管理和维修工作，并优化水轮机调速系统的控制规律，避免机组过负荷，规避振动摆度超限区。
本发明的技术方案：全厂水轮机调速系统智能分析平台通过工业以太网获取全厂所有水轮机调速系统相关数据、状态和各部件的特征参数，以及所有机组振动摆度信息，对全厂不同水轮机调速系统的相同部件的特征参数进行比较、计算，修正每台水轮机调速系统各部件的健康状态指数，以便更准确、可靠、及时地评价每台水轮机调速系统的健康状态，通过长时间的运行数据记录、分析，建立适合电站实际的各水轮发电机组水头、有功、导叶开度和电气开限的综合特性曲线，并识别振动摆度超限区，借以优化水轮机调速系统的功率调节和一次调频，避免机组过负荷，同时规避振动摆度超限区。
在上述技术方案中，所述水轮机调速系统包括水轮机调速器、油压装置和漏油装置，其中，
水轮机调速器提取的各部件特征参数包括：电气调节器获取的静特性死区、开机特性、空载频率摆动、甩负荷特性、接力器不动时间和一次调频特性，电液转换器的伺服电机电流、电转位移与指令偏差和电转零位，主配的漏油量、零位、开方向最大位移和关方向最大位移，事故配压阀的漏油量和接力器事故关闭时间，分段关闭装置的漏油量、导叶分段拐点和分段关闭时间，接力器关腔与开腔压力差、串油量和漏油量；
油压装置提取的各部件特征参数包括：油泵控制系统的压力油罐油压误差、油气比例和油泵启动间隔，电机的最大起动电流、空载电流、加载电流和故障信息，油泵的加载流量、停泵流量、流量斜率、单次运行时间和累计运行时间，压力油罐的油位变化特性和油压变化特性，回油箱的油位变化特性和油温变化特性，液压油的总油量、含水量和颗粒度；
漏油装置提取的各部件特征参数包括：油泵启动间隔时间、油泵单次运行时间、油泵累计运行时间、油位变化特性和油泵流量特性。
进一步地，将提取的水轮机调速器、油压装置和漏油装置的各部件特征参数及其所占权重计算出该部件的健康状态指数，各部件健康状态指数再乘以其在水轮机调速系统中的可变权重即得该水轮机调速系统的健康状态指数。
为了更准确、可靠、及时地发现各特征参数的变异，全厂水轮机调速系统智能分析平台会获取各水轮机调速系统的相关数据、状态和各部件的特征参数，将不同水轮机调速系统中的相同部件的特征参数进行比较分析，以性能最优的部件特征参数为参考，修正其他性能弱化的部件健康状态指数，进而修正相应水轮机调速系统的健康状态指数。
全厂水轮机调速系统智能分析平台通过长时间的运行数据记录、分析，建立适合电站实际运行的各水轮发电机组水头、有功、导叶开度和电气开限的综合特性曲线，通过机组不同水头、不同有功对应的导叶开度，修正功率调节前馈参数KF，使机组有功快速调节到给定功率，在当前导叶开度调用对应的功率调节PI参数，将机组有功精确地调节至给定功率，实现一种优化的变前馈参数和变PI调节参数相结合的复合功率控制模式，提高功率调节和一次调频的性能，通过机组不同水头与最大有功对应的导叶开度曲线，识别机组在不同水头下的导叶电气开限，借以限制导叶最大开度，避免机组过负荷运行。
全厂水轮机调速系统智能分析平台通过以太网获取不同水轮发电机组的振动和摆度信息，结合各水轮发电机组的水头、导叶开度曲线，识别振动摆度超限区，借以优化水轮机调速系统在不同水头下的导叶运行区域，规避振动摆度超限区，从根本上避免俄罗斯“萨扬事故”。
本发明的优点：
(1)提取了水轮机调速系统各部件的特征参数，通过不同特征参数的可变权重，计算各部件的健康状态指数；
(2)通过水轮机全厂水轮机调速系统智能分析平台通过长时间的运行数据记录、分析，建立适合电站实际运行的各水轮发电机组水头、有功、导叶开度和电气开限的综合特性曲线，通过机组不同水头、不同有功对应的导叶开度，修正功率调节前馈参数KF，使机组有功快速调节到给定功率，在当前导叶开度调用对应的功率调节PI参数，将机组有功精确地调节至给定功率，实现一种优化的变前馈参数和变PI调节参数相结合的复合功率控制模式，提高功率调节和一次调频的性能，通过机组不同水头与最大有功对应的导叶开度曲线，识别机组在不同水头下的导叶电气开限，借以限制导叶最大开度，避免机组过负荷运行。通过系统各部件健康状态指数和其在系统的可变权重计算水轮机调速系统的健康状态指数；
(3)通过比较分析不同水轮机调速系统中的相同部件的特征参数，修正性能弱化部件的健康状态指数，进而修正相应水轮机调速系统的健康状态指数，使健康状态评估更加可靠。
(4)建立了建立适合电站实际运行的各水轮发电机组水头、有功、导叶开度和电气开限的综合特性曲线，并识别振动摆度超限的水头、导叶开度特性曲线区间，借以优化水轮机调速系统的功率调节和一次调频，避免机组过负荷，同时规避振动摆度超限区。
附图说明
图1是全厂水轮机调速系统智能分析系统图。
图2是水轮机调速器各部件特征参数提取图。
图3是油压装置各部件特征参数提取图。
图4是漏油装置各部件特征参数提取图。
图5是水轮机调速系统功率控制模式方框图。
具体实施方式
本发明的技术方案：如图1所示，全厂水轮机调速系统智能分析平台通过工业以太网与1#至N#水轮机调速系统通信，获取相关数据、状态和各部件的特征参数，水轮机调速系统包括水轮机调速器、油压装置和漏油装置。全厂水轮机调速系统智能分析平台还通过工业以太网和1# 至N#机组振动摆度装置通信，获取1#至N#机组振动摆度信息，振动摆度装置用于监测机组的振动和摆度。
本发明所用全厂水轮机调速系统智能分析平台包括一台服务器、显示器、工业以太网交换机、打印机和一套分析软件，分析软件实现全厂水轮机调速系统健康状态评估、控制方式的优化、状态及数据的记录、存储、显示和打印等功能。
如图2所示，水轮机调速器包括电气调节器、电液转换器、主配、事故配压阀、分段关闭装置和接力器；如图3所示，油压装置主要包括油泵控制系统、电机、油泵、组合阀、压力油罐、回油箱和液压油；漏油装置主要包括控制系统、1#电机(部分含2#电机)、1#油泵(部分含 2#油泵)、1#溢流阀(部分含2#溢流阀)和漏油箱。
每台水轮机调速系统需提取水轮机调速器、油压装置和漏油装置中各部件的特征参数。
如图2所示，水轮机调速器提取的各部件特征参数包括：电气调节器获取的静特性死区、开机特性、空载频率摆动、甩负荷特性、接力器不动时间和一次调频特性，电液转换器的伺服电机电流、电转位移与指令偏差和电转零位，主配的漏油量、零位、开方向最大位移和关方向最大位移，事故配压阀的漏油量和接力器事故关闭时间，分段关闭装置的漏油量、导叶分段拐点和分段关闭时间，接力器关腔与开腔压力差、串油量和漏油量。
如图3所示，油压装置提取的各部件特征参数包括：油泵控制系统的压力油罐油压误差、油气比例和油泵启动间隔，1#至3#电机的最大起动电流、空载电流、加载电流和故障信息(包括缺相、过载、匝间短路等)，1#至3#油泵的加载流量、停泵流量、流量斜率、单次运行时间和累计运行时间，组合阀的卸载时间和安全阀动作压力。压力油罐的油位变化特性和油压变化特性。回油箱的油位变化特性和油温变化特性，液压油的总油量、含水量和颗粒度。
如图4所示，漏油装置提取的各部件特征参数包括：油泵启动间隔时间、油泵单次运行时间、油泵累计运行时间、油位变化特性和油泵流量特性。
各特征参数随着其表征的性能恶化程度不同，其所占权重会相应变化，由各部件的特征参数及所占权重计算出该部件的健康状态指数，各部件健康状态指数再乘以其在水轮机调速系统中的可变权重即得该水轮机调速系统的健康状态指数。可变权重随着调速系统部件健康指数恶化而增加。
为了更准确、可靠、及时地发现各特征参数的变异，全厂水轮机调速系统智能分析平台会获取各水轮机调速系统的相关数据、状态和各部件的特征参数，将不同水轮机调速系统中的相同部件的特征参数进行比较分析，以性能最优的部件特征参数为参考，修正其他性能弱化的部件健康状态指数，进而修正相应水轮机调速系统的健康状态指数。
作为受控对象的水轮机发电机组通常存在着较强的非线性，这意味着在不同的水头、转速和开度下，描述其动态特性的传递函数参数将有着很大的变化，这种现象对整个水轮机调速系统的闭环调节品质将产生很大的影响，尤其是对功率的闭环控制更是如此。本发明的水轮机调速系统功率控制模式方框图如图5所示。
全厂水轮机调速系统智能分析平台通过长时间的运行数据记录、分析，建立适合电站实际运行的各水轮发电机组水头、有功、导叶开度和电气开限的综合特性曲线，往往有别于水轮机厂家通过缩小模型所获得的数据。通过机组不同水头、不同有功对应的导叶开度，可以修正图5 中功率调节前馈参数KF，使机组有功快速调节到给定功率，在当前导叶开度调用对应的功率调节PI参数，将机组有功精确地调节至给定功率，实现一种优化的变前馈参数和变PI调节参数相结合的复合功率控制模式，提高功率调节和一次调频的性能。通过机组不同水头与最大有功对应的导叶开度曲线，识别机组在不同水头下的导叶电气开限，借以限制导叶最大开度，避免机组过负荷运行。
全厂水轮机调速系统智能分析平台通过以太网获取不同水轮发电机组的振动和摆度信息，结合各水轮发电机组的水头、导叶开度曲线，识别振动摆度超限区，借以优化水轮机调速系统在不同水头下的导叶运行区域，规避振动摆度超限区，从根本上避免俄罗斯“萨扬事故”。

Claims (5)

1.一种全厂水轮机调速系统健康状态评估及优化方法，其特征在于：全厂水轮机调速系统智能分析平台通过工业以太网获取全厂所有水轮机调速系统相关数据、状态和各部件的特征参数，以及所有机组振动摆度信息，对全厂不同水轮机调速系统的相同部件的特征参数进行比较、计算，修正每台水轮机调速系统各部件的健康状态指数，以便更准确、可靠、及时地评价每台水轮机调速系统的健康状态，通过长时间的运行数据记录、分析，建立适合电站实际的各水轮发电机组水头、有功、导叶开度和电气开限的综合特性曲线，并识别振动摆度超限区，借以优化水轮机调速系统的功率调节和一次调频，避免机组过负荷，同时规避振动摆度超限区。
2.根据权利要求1所述的全厂水轮机调速系统健康状态评估及优化方法，其特征在于：所述水轮机调速系统包括水轮机调速器、油压装置和漏油装置，其中，
水轮机调速器提取的各部件特征参数包括：电气调节器获取的静特性死区、开机特性、空载频率摆动、甩负荷特性、接力器不动时间和一次调频特性，电液转换器的伺服电机电流、电转位移与指令偏差和电转零位，主配的漏油量、零位、开方向最大位移和关方向最大位移，事故配压阀的漏油量和接力器事故关闭时间，分段关闭装置的漏油量、导叶分段拐点和分段关闭时间，接力器关腔与开腔压力差、串油量和漏油量；
油压装置提取的各部件特征参数包括：油泵控制系统的压力油罐油压误差、油气比例和油泵启动间隔，电机的最大起动电流、空载电流、加载电流和故障信息，油泵的加载流量、停泵流量、流量斜率、单次运行时间和累计运行时间，压力油罐的油位变化特性和油压变化特性，回油箱的油位变化特性和油温变化特性，液压油的总油量、含水量和颗粒度；
漏油装置提取的各部件特征参数包括：油泵启动间隔时间、油泵单次运行时间、油泵累计运行时间、油位变化特性和油泵流量特性。
3.根据权利要求1所述的全厂水轮机调速系统健康状态评估及优化方法，其特征在于：将提取的水轮机调速器、油压装置和漏油装置的各部件特征参数及其所占权重计算出该部件的健康状态指数，各部件健康状态指数再乘以其在水轮机调速系统中的可变权重即得该水轮机调速系统的健康状态指数。
4.根据权利要求3所述的全厂水轮机调速系统健康状态评估及优化方法，其特征在于：全厂水轮机调速系统智能分析平台获取各水轮机调速系统的数据、状态和各部件的特征参数，将不同水轮机调速系统中的相同部件的特征参数进行比较分析，以性能最优的部件特征参数为参考，修正其他性能弱化的部件健康状态指数，进而修正相应水轮机调速系统的健康状态指数。
5.根据权利要求4所述的全厂水轮机调速系统健康状态评估及优化方法，其特征在于：全厂水轮机调速系统智能分析平台通过长时间的运行数据记录、分析，建立适合电站实际运行的各水轮发电机组水头、有功、导叶开度和电气开限的综合特性曲线，通过机组不同水头、不同有功对应的导叶开度，修正功率调节前馈参数KF，使机组有功快速调节到给定功率，在当前导叶开度调用对应的功率调节PI参数，将机组有功精确地调节至给定功率，实现一种优化的变前馈参数和变PI调节参数相结合的复合功率控制模式，提高功率调节和一次调频的性能，通过机组不同水头与最大有功对应的导叶开度曲线，识别机组在不同水头下的导叶电气开限，借以限制导叶最大开度，避免机组过负荷运行。
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