CN112507487A - 一种水轮机调速器接力器的可靠性评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水轮机调速器接力器的可靠性评估方法及系统，包括：基于神经网络和水轮机的历史数据学习水轮机调速器接力器的状态指标与接力器动作速率之间的映射关系；基于任意时刻下的水轮机调速器接力器的状态指标和所述映射关系，确定任意时刻下的接力器动作速率；基于所述任意时刻下的接力器动作速率和预设的接力器最低速率限定值确定接力器的功能函数值；基于所述接力器的功能函数值在标准正态坐标系中的分布情况确定所述接力器的可靠度；所述可靠度反映接力器的运行状态是否符合要求。本发明有效填补了水轮机调速器接力器可靠性评估领域空白，能得到更精确的动作速率数值，使得计算得到的可靠度更接近实际系统可靠度。

Description

一种水轮机调速器接力器的可靠性评估方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统设备可靠性评估技术领域，更具体地，涉及一种水轮机调速器接力器的可靠性评估方法及系统。

背景技术

水轮机调速器的接力器是水轮发电机组的重要组成部分，其主要任务是根据负荷的变化，调节机组的频率和出力，而调节系统中最重要的执行机构就是接力器。接力器为拥有两个互相隔绝液压腔的可执行线性运动指令的操作机构，通过在内部活塞上下平面施加不同压力，使得内部活塞和外部缸体间产生相对运动，从而达到控制外部设备的目的。

水轮机调速器接力器固定部分与运动部分之间的油液密封部件随着运行时间的增加可能有漏油量增加的问题，导致驱动力丢失；同时由于轴线不对中、异常冲击以及油液杂质等因素可能导致活塞与液压缸内壁产生异常刮擦，损坏的内壁将增大运行时的阻力。接力器的性能劣化没有直接的监测手段，只能通过动作速率间接反映。可靠性评估是工业生产设备、各型电子产品等评估其运行时功能完整性的重要方法，其原理是通过对设备失效率等的概率统计结果，建立设备可靠性功能函数，并通过对其均值、方差等的估计来计算可靠性指标。由于实际运行中，水轮机调速器接力器的运行状态处于多种因素影响下的动态变化中，根据现场采集的数据进行调速器接力器可靠性评估是一项非常重要的工作。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种水轮机调速器接力器的可靠性评估方法及系统，旨在解决现有技术缺乏对水轮机调速器接力器的可靠性评估方案的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种水轮机调速器接力器的可靠性评估方法，包括如下步骤：

基于神经网络和水轮机的历史数据学习水轮机调速器接力器的状态指标与接力器动作速率之间的映射关系；所述历史数据包括：过去时间段内水轮机调速器接力器的状态指标和对应的接力器动作速率；所述状态指标包括：接力器驱动力指标和接力器活塞杆阻力指标；所述对应的接力器动作速率通过接力器的历史位移确定；

基于任意时刻下的水轮机调速器接力器的状态指标和所述映射关系，确定任意时刻下的接力器动作速率；

基于所述任意时刻下的接力器动作速率和预设的接力器最低速率限定值确定接力器的功能函数值；

基于所述接力器的功能函数值在标准正态坐标系中的分布情况确定所述接力器的可靠度；所述可靠度反映接力器的运行状态是否符合要求。

在一个可选的实施例中，所述历史数据中接力器的动作速率通过如下方式确定：

对所述接力器进行位移监测，确定接力器的位移；或根据接力器位移与接力器导叶开度之间的映射关系反推接力器位移；

将所述接力器位移对时间求导，确定对应的接力器的动作速率。

在一个可选的实施例中，所述接力器驱动力指标包括：接力器上腔压力、接力器下腔压力以及接力器配压阀开度；

所述接力器活塞杆阻力指标包括：水轮机流道关键部位的压力、水轮机流道关键部位的压力脉动、水轮机流道关键部位的压力脉动的均值、水轮机流道关键部位的压力脉动的方差、水轮机管道流量以及水轮机的工况参数。

在一个可选的实施例中，基于所述当前时刻下的接力器动作速率和预设的接力器最低速率限定值确定接力器的功能函数值G(X)；具体为：

其中，

为接力器运行时的最低速率限定值，z(X)＝V，z(X)是接力器的状态指标X与动作速率V的映射关系。

在一个可选的实施例中，基于所述接力器的功能函数值在标准正态坐标系中的分布情况确定所述接力器的可靠度；具体为：

利用JC法计算功能函数值G(X)在标准正态坐标系中原点到极限状态面的最短距离，即可靠性指标β，从而得到调速器接力器的可靠度p：

p＝Φ(β)

其中，Φ(·)是标准正态分布函数。

第二方面，本发明提供了一种水轮机调速器接力器的可靠性评估系统，包括：

映射关系学习单元，用于基于神经网络和水轮机的历史数据学习水轮机调速器接力器的状态指标与接力器动作速率之间的映射关系；所述历史数据包括：过去时间段内水轮机调速器接力器的状态指标和对应的接力器动作速率；所述状态指标包括：接力器驱动力指标和接力器活塞杆阻力指标；所述对应的接力器动作速率通过接力器的历史位移确定；

动作速率确定单元，用于基于当前时刻下的水轮机调速器接力器的状态指标和所述映射关系，确定当前时刻下的接力器动作速率；

功能函数确定单元，用于基于所述当前时刻下的接力器动作速率和预设的接力器最低速率限定值确定接力器的功能函数值；

可靠度确定单元，用于基于所述接力器的功能函数值在标准正态坐标系中的分布情况确定所述接力器的可靠度；所述可靠度反映接力器的运行状态是否符合要求。

在一个可选的实施例中，该可靠性评估系统还包括：

历史数据获取单元，用于对所述接力器进行位移监测，确定接力器的位移；或根据接力器位移与接力器导叶开度之间的映射关系反推接力器位移；将所述接力器位移对时间求导，确定对应的接力器的动作速率。

在一个可选的实施例中，所述接力器驱动力指标包括：接力器上腔压力、接力器下腔压力以及接力器配压阀开度；

所述接力器活塞杆阻力指标包括：水轮机流道关键部位的压力、水轮机流道关键部位的压力脉动、水轮机流道关键部位的压力脉动的均值、水轮机流道关键部位的压力脉动的方差、水轮机管道流量以及水轮机的工况参数。

在一个可选的实施例中，所述功能函数确定单元基于所述当前时刻下的接力器动作速率和预设的接力器最低速率限定值确定接力器的功能函数值G(X)；具体为：

其中，

为接力器运行时的最低速率限定值，z(X)＝V，z(X)是接力器的状态指标X与动作速率V的映射关系。

在一个可选的实施例中，所述可靠度确定单元利用JC法计算功能函数值G(X)在标准正态坐标系中原点到极限状态面的最短距离，即可靠性指标β，从而得到调速器接力器的可靠度p：p＝Φ(β)；其中，Φ(·)是标准正态分布函数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种水轮机调速器接力器的可靠性评估方法及系统，有效填补了水轮机调速器接力器可靠性评估领域空白，而且利用本发明所述方法评估水轮机调速器接力器可靠性时，可以获得更全面的状态量指标和动作速率间映射关系，能得到更精确的动作速率数值，更精确的动作速率数据值使得计算得到的可靠度更接近实际系统可靠度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的水轮机调速器接力器可靠性评估方法流程图；

图2为本发明实施例提供的水轮机调速器接力器的运动受力分析图；

图3为本发明实施例提供的水轮机调速器接力器及相连机械结构示意图；

图4为本发明实施例提供的水轮机调速器接力器可靠性评估方法示意图；

图5为本发明实施例提供的水轮机调速器接力器可靠性评估系统架构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种水轮机调速器接力器可靠性评估方法，用于在水轮机调速器接力器运行过程中对其可靠性进行有效评估。根据水轮机调速器接力器运动过程中受力情况选择相关监测测点，建立相关监测测点数据与调速器接力器运动速率间的映射关系，然后依据该映射关系建立由调速器接力器动作速率失效值与实际值构成的功能函数，求解得到可靠性指标，以进一步确定水轮机的可靠度。

本发明设计的水轮机调速器接力器可靠性评估方法，采用人工神经网络模型拟合相关测点和调速器动作速率之间的复杂映射关系，可以得到更精确的拟合关系，能得到更精确的功能函数输出。更精确的功能函数输出使得对应的可靠性估计与实际系统状态吻合度更好。

为填补相关研究领域的空白，提升水电机组调速器接力器运行可靠性，本发明提出了一种基于相关监测数据和接力器动作速率非线性拟合算法的水轮机调速器接力器可靠性评估方法，可以有效评估调速器接力器可靠性指标，具有很好的实用价值。

图1为本发明实施例提供的水轮机调速器接力器可靠性评估方法流程图，如图1所示，包括如下步骤：

S101，基于神经网络和水轮机的历史数据学习水轮机调速器接力器的状态指标与接力器动作速率之间的映射关系；所述历史数据包括：过去时间段内水轮机调速器接力器的状态指标和对应的接力器动作速率；所述状态指标包括：接力器驱动力指标和接力器活塞杆阻力指标；所述对应的接力器动作速率通过接力器的历史位移确定；

S102，基于任意时刻下的水轮机调速器接力器的状态指标和所述映射关系，确定任意时刻下的接力器动作速率；

S103，基于所述任意时刻下的接力器动作速率和预设的接力器最低速率限定值确定接力器的功能函数值；

S104，基于所述接力器的功能函数值在标准正态坐标系中的分布情况确定所述接力器的可靠度；所述可靠度反映接力器的运行状态是否符合要求。

具体地，为了实现上述目的，本发明提供了一种水轮机调速器接力器可靠性评估方法，包括如下步骤：

步骤(1)：建立水轮机调速器接力器运动分析模型，水轮机调速器接力器如图2所示。水轮机调速器接力器一般由缸体、活塞、活塞杆组成。具体的，水轮机调速器接力器是一个典型的液压控制直线往复运动元件，假设接力器活塞当前处于静止状态，当活塞上下表面油压差发生改变或活塞杆受力发生改变时，接力器活塞相对接力器缸体的相对位置将会发生改变，从而改变与活塞杆直接相连的控制环角度，从而导叶拐臂发生转动，导叶开度发生变化，水轮机进口流量随之改变，水轮机输入功率发生改变，水轮机组逐渐达到新的平衡转速。

通过接收调速器的调节信号，压力油配置系统控制接力器上下腔的压力油配给，达到改变接力器位移的直接效果，最终实现水轮机组转速的控制调节。从而影响接力器活塞轴向运动的受力可以分解为高低压侧油液压差产生的驱动力F、活塞杆传来的阻力F_杆和活塞与缸壁间摩擦阻力f三个部分。经过长时间运行，由于磨损等作用将造成摩擦阻力f增大，直接反映就是接力器的动作速率降低。一旦速率低于设置的限值th，就意味着相应的摩擦阻力已经超出了允许的范围，接力器运行状态已不符合要求，需要进行检查修理。

由于在实际生产中，不同水电站所采用的水轮机调速器接力器各组成部分结构不尽相同，本发明以图3所示系统结构图为例来说明水轮机调速器接力器模型结构。所述的水轮机调速器接力器主要任务是执行调速器命令改变控制环角度从而对水电机组维持频率和出力进行调节。图3中a为接力器缸体，b为活塞，c为活塞杆，d1为上油腔，d2为下油腔，e1为上油腔进/出油孔，e2为下油腔进/出油孔，f为控制环，g为导叶拐臂，h为导叶；

步骤(2)：分析影响接力器动作速率的相关监测数据并对数据进行整理统计。

1)首先对接力器驱动力F相关测点进行分析：接力器驱动力由活塞上下表面油液压差产生，因此相关测点为接力器上下腔压力P_上和P_下；为求出接力器的动作功率，还需要油液流量数据，配压阀开度Y_配可反映油液流量。接力器上下腔压力变化过程相对较慢，数据波动不明显，因此可直接作为相关指标量使用。

2)其次对接力器活塞杆阻力F_杆相关测点进行分析：接力器运动过程中阻力主要来源是活塞杆传递的阻力，而与活塞杆直接相连的部分是控制环和导叶联动系统。导叶受到的水击作用力直接通过机械连杆结构传递到控制环并转化为扭矩M_环的形式，接力器活塞杆提供反向力矩M_环’限制控制环转动。因此，与导叶受力相关的测点数据均需要进行考虑，包括：

a.水轮机流道关键部位的压力、压力脉动：按照水流方向，关键部位有蜗壳进口压力P_进与压力脉动D_进、蜗壳压力P_蜗与压力脉动D_蜗、导叶与转轮间压力P_导与压力脉动D_导、顶盖与转轮间压力P_顶与压力脉动D_顶、转轮与底环间压力P_底与压力脉动D_底、尾水管进口压力P_尾与压力脉动D_尾、尾水肘管压力P_肘与压力脉动D_肘、尾水管出口压力P_出与压力脉动D_出等。考虑到各电站测点布置的区别，此部分可灵活配置，且对于如压力脉动等部分频繁波动的监测量，采用其均值和方差统计量作为相关指标量以剔除扰动成分并减小拟合难度；

b.水轮机管道流量：在一定开度下，水头越高，流量越大；同理，一定水头下，开度越大，流量越大。通过水头H和导叶开度Y可有效反映机组过流流量。

c.水轮机基本工况参数：机组的转速N、有功功率P、无功功率Q等基本运行参数反映机组运行状态，也应纳入考虑。

3)最后对接力器动作速率v进行记录分析：对于直接设置有位移监测测点的接力器设备，直接采用采集的位移监测数据；而对于没有设置位移测点的接力器，采用接力器位移与导叶开度映射关系反算接力器位移。在机组开停机过程以及调频过程中，调速器接力器均会动作。采集相应时段内接力器位移数据L并求导，得到接力器运动速率。为了去除部分微调过程，在导叶开度导数Y'与Y'＝0轴的两个交点间时间差小于某一定值ε时的速率不计入分析数据中。设满足时段条件的第i次开停机或调频过程中有K段符合时间差的片段，则第i次过程第k个片段的接力器动作速率记录为：

其中，ΔL_ik为第i次过程第k个片段的接力器位移，Δt_ik为第i次过程第k个片段的时长；

步骤(3)：建立水轮机调速器接力器相关状态量指标与动作速率映射关系。图4为本发明实施例提供的水轮机调速器接力器可靠性评估方法示意图，如图4所示，采用人工神经网络，以相关状态量指标构成的列向量X＝[P_上、P_下、Y_配、P_进、D_进avg、D_进σ、P_蜗、D_蜗avg、D_蜗σ、P_导、D_导avg、D_导σ、P_顶、D_顶avg、D_顶σ、P_底、D_底avg、D_底σ、P_尾、D_尾avg、D_尾σ、P_肘、D_肘avg、D_肘σ、P_出、D_出avg、D_出σ、H、Y、N、P、Q]^T作为输入，对应状态下接力器速率V＝[v_ik]^T作为输出，拟合得到相关状态量和动作速率间映射关系z：

V＝z(X)

其中，X是相关指标向量，V是接力器动作速率；下标avg表示均值，下标_σ表示方差。

步骤(4)：建立基于动作速率的水轮机调速器接力器功能函数并求取可靠性指标。建立基于动作速率的水轮机调速器接力器功能函数如下：

其中，

为接力器运行时的最低速率限定值。

利用JC法计算该功能函数在标准正态坐标系中原点到极限状态面的最短距离，即可靠性指标β，从而得到调速器接力器可靠度p：

p＝Φ(β)

其中，Φ(·)是标准正态分布函数。

图5为本发明实施例提供的水轮机调速器接力器可靠性评估系统架构图，如图5所示，包括：

历史数据获取单元510，用于对所述接力器进行位移监测，确定接力器的位移；或根据接力器位移与接力器导叶开度之间的映射关系反推接力器位移；将所述接力器位移对时间求导，确定对应的接力器的动作速率；以及获取过去时间段内水轮机调速器接力器的状态指标。

映射关系学习单元520，用于基于神经网络和水轮机的历史数据学习水轮机调速器接力器的状态指标与接力器动作速率之间的映射关系；所述历史数据包括：过去时间段内水轮机调速器接力器的状态指标和对应的接力器动作速率；所述状态指标包括：接力器驱动力指标和接力器活塞杆阻力指标；所述对应的接力器动作速率通过接力器的历史位移确定；

动作速率确定单元530，用于基于任意时刻下的水轮机调速器接力器的状态指标和所述映射关系，确定任意时刻下的接力器动作速率；

功能函数确定单元540，用于基于所述任意时刻下的接力器动作速率和预设的接力器最低速率限定值确定接力器的功能函数值；

可靠度确定单元550，用于基于所述接力器的功能函数值在标准正态坐标系中的分布情况确定所述接力器的可靠度；所述可靠度反映接力器的运行状态是否符合要求。

具体地，各个单元的详细功能可参见前述方法实施例中的介绍，在此不做赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水轮机调速器接力器的可靠性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

基于神经网络和水轮机的历史数据学习水轮机调速器接力器的状态指标与接力器动作速率之间的映射关系；所述历史数据包括：过去时间段内水轮机调速器接力器的状态指标和对应的接力器动作速率；所述状态指标包括：接力器驱动力指标和接力器活塞杆阻力指标；所述对应的接力器动作速率通过接力器的历史位移确定；

基于任意时刻下的水轮机调速器接力器的状态指标和所述映射关系，确定任意时刻下的接力器动作速率；

基于所述任意时刻下的接力器动作速率和预设的接力器最低速率限定值确定接力器的功能函数值；

基于所述接力器的功能函数值在标准正态坐标系中的分布情况确定所述接力器的可靠度；所述可靠度反映接力器的运行状态是否符合要求。

2.根据权利要求1所述的可靠性评估方法，其特征在于，所述历史数据中接力器的动作速率通过如下方式确定：

对所述接力器进行位移监测，确定接力器的位移；或根据接力器位移与接力器导叶开度之间的映射关系反推接力器位移；

将所述接力器位移对时间求导，确定对应的接力器的动作速率。

3.根据权利要求1所述的可靠性评估方法，其特征在于，所述接力器驱动力指标包括：接力器上腔压力、接力器下腔压力以及接力器配压阀开度；

所述接力器活塞杆阻力指标包括：水轮机流道关键部位的压力、水轮机流道关键部位的压力脉动、水轮机流道关键部位的压力脉动的均值、水轮机流道关键部位的压力脉动的方差、水轮机管道流量以及水轮机的工况参数。

4.根据权利要求1至3任一项所述的可靠性评估方法，其特征在于，基于所述当前时刻下的接力器动作速率和预设的接力器最低速率限定值确定接力器的功能函数值G(X)；具体为：

其中，

为接力器运行时的最低速率限定值，z(X)＝V，z(X)是接力器的状态指标X与动作速率V的映射关系。

5.根据权利要求1至3任一项所述的可靠性评估方法，其特征在于，基于所述接力器的功能函数值在标准正态坐标系中的分布情况确定所述接力器的可靠度；具体为：

利用JC法计算功能函数值G(X)在标准正态坐标系中原点到极限状态面的最短距离，即可靠性指标β，从而得到调速器接力器的可靠度p：

p＝Φ(β)

其中，Φ(·)是标准正态分布函数。

6.一种水轮机调速器接力器的可靠性评估系统，其特征在于，包括：

映射关系学习单元，用于基于神经网络和水轮机的历史数据学习水轮机调速器接力器的状态指标与接力器动作速率之间的映射关系；所述历史数据包括：过去时间段内水轮机调速器接力器的状态指标和对应的接力器动作速率；所述状态指标包括：接力器驱动力指标和接力器活塞杆阻力指标；所述对应的接力器动作速率通过接力器的历史位移确定；

动作速率确定单元，用于基于任意时刻下的水轮机调速器接力器的状态指标和所述映射关系，确定任意时刻下的接力器动作速率；

功能函数确定单元，用于基于所述任意时刻下的接力器动作速率和预设的接力器最低速率限定值确定接力器的功能函数值；

可靠度确定单元，用于基于所述接力器的功能函数值在标准正态坐标系中的分布情况确定所述接力器的可靠度；所述可靠度反映接力器的运行状态是否符合要求。

7.根据权利要求6所述的可靠性评估系统，其特征在于，还包括：

历史数据获取单元，用于对所述接力器进行位移监测，确定接力器的位移；或根据接力器位移与接力器导叶开度之间的映射关系反推接力器位移；将所述接力器位移对时间求导，确定对应的接力器的动作速率。

8.根据权利要求6所述的可靠性评估系统，其特征在于，所述接力器驱动力指标包括：接力器上腔压力、接力器下腔压力以及接力器配压阀开度；

所述接力器活塞杆阻力指标包括：水轮机流道关键部位的压力、水轮机流道关键部位的压力脉动、水轮机流道关键部位的压力脉动的均值、水轮机流道关键部位的压力脉动的方差、水轮机管道流量以及水轮机的工况参数。

9.根据权利要求6至8任一项所述的可靠性评估系统，其特征在于，所述功能函数确定单元基于所述当前时刻下的接力器动作速率和预设的接力器最低速率限定值确定接力器的功能函数值G(X)；具体为：

其中，

为接力器运行时的最低速率限定值，z(X)＝V，z(X)是接力器的状态指标X与动作速率V的映射关系。

10.根据权利要求6至8任一项所述的可靠性评估系统，其特征在于，所述可靠度确定单元利用JC法计算功能函数值G(X)在标准正态坐标系中原点到极限状态面的最短距离，即可靠性指标β，从而得到调速器接力器的可靠度p：p＝Φ(β)；其中，Φ(·)是标准正态分布函数。

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