CN112561283B - 一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法和控制系统 - Google Patents

一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法和控制系统，该系统包括人机交互装置触摸屏、调速器电控系统PLC控制器、报警指示灯、比例阀、监控系统。旨在机组运行过程中，调速器电控系统通过对比例阀给定信号和反馈信号实时监测，运用比例阀健康状态诊断方法，以比例阀振荡电流的周期为周期，实时计算比例阀健康标志信号及其变化率，对液压随动系统比例阀进行健康状态实时诊断，当比例阀出现性能下降，或有出现故障趋势时，及时报警并将报警信号上送监控系统，提醒运行维护人员进行预防性检修和更换。

Description

一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法和控制系统
技术领域
本发明涉及比例阀故障诊断技术领域，具体涉及一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法和控制系统。
背景技术
比例阀在工业自动化控制中应用广泛，而且往往是控制环节中一个至关重要的关键环节。例如水轮发电机组调速系统通常采用比例阀作为电液转换单元进行导叶开度控制，以实现机组的频率和有功的精确调节。比例阀作为水轮机调节的重要元件和环节，其重要性不言而喻。比例阀的健康状况决定着机组和电网能否安全稳定运行，理应得到重点关注。而目前没有一种成熟的比例阀健康状态诊断方法，只公开有一种水轮机调速器比例伺服阀在线故障诊断方法以及一种仪表式带故障报警功能的比例阀控制器产品。
现有技术中，文献一：中国专利“一种水轮机调速器比例伺服阀在线故障诊断方法”(ZL：201711213513.0)记载了一种水轮机调速器比例伺服阀在线故障诊断方法。文献二：中国专利“一种仪表式带故障报警功能的比例阀控制器”(ZL：201821194040.4)记载了一种仪表式带故障报警功能的比例阀控制器，其具有以下不足之处：
文献一记载的技术方案具有以下不足之处：
①、其只能诊断出比例阀发生故障这个结果，不能智能诊断比例阀出现性能下降或者有发生故障前兆或趋势，无法帮助运行维护人员实现比例阀预防性维护和检修。
②、其只能诊断比例阀发生断线、运动不畅、阀芯卡住等常规故障，不能诊断比例阀由于控制性能下降，阀芯小幅不规则窜动但又不满足常规故障诊断判据的控制功能异常故障。
③、其仅只能定性故障报警，不能定量指示比例阀的健康状态水平。
文献二记载的技术方案具有以下不足之处：
1)、其采用一种比例阀故障状态诊断方法，简单的将比例阀输入的电流理论放大值与放大后的实际电流值进行偏差对比，按设定的偏差率进行故障分析与判断，只能诊断出比例阀发生故障这个结果，不能智能诊断比例阀出现性能下降或者发生故障前兆或趋势，无法帮助运行维护人员实现比例阀预防性维护和检修。
2)、其故障诊断算法过于简单，仅采集比例阀输入的电流理论放大值与放大后的实际电流值进行偏差对比。而放大后的实际电流值与比例阀输入的电流之间经过一个放大器，有一个物理上的迟滞效应，二者的差值必然存在，尤其是当比例阀输入的电流有阶跃变化时，放大后的实际电流值的迟滞效果表现更突出，二者的差值必然更大，这种工况必然影响和干扰采用比例阀输入的电流理论放大值与放大后的实际电流值进行偏差对比这种方法进行故障诊断的准确性。考虑这种工况影响的情况下，人工设定判据的偏差率往往设置较大，若偏差率设置较大会导致判据过于苛刻而失效，故障诊断准确率下降，故障易漏报。若调小偏差率又会导致误报率增高。由此可见，这种简单的判据与故障相关率不高，故障特征识别不准确，不能准确诊断故障。
3)、该产品只能自身报警，并不能上送给监控系统，提示运行人员，只能当运行维护人员现场巡检时才能发现。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法和控制系统，适用于使用比例阀(或比例阀+步进电机等冗余配置)作为电液转换单元的水电机组，旨在机组运行过程中，调速器电控系统通过对比例阀给定信号和反馈信号实时监测，运用比例阀健康状态诊断方法，以比例阀振荡电流的周期为诊断采样计算周期，实时计算比例阀健康标志信号及其变化率，对液压随动系统比例阀进行健康状态实时诊断。当比例阀出现性能下降，或有出现故障趋势时，及时报警并将报警信号上送监控系统，提醒运行维护人员进行预防性检修和更换。
本发明采取的技术方案为：
一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法，包括以下步骤：
步骤1：初始化，n＝1，n为控制器采样计算周期序号，比例阀健康状态判据系数k赋初始值，进入步骤2。
步骤2：实时采集当前周期比例阀给定信号，记作B给定n；以及当前周期比例阀反馈信号，记作Bn，进入步骤3。
步骤3：若当前周期比例阀给定信号B给定n变化幅值小于2倍振荡电流变化幅值，进入
步骤4；否则，n＝1，返回步骤2。
步骤4：计算当前周期比例阀给定信号B给定n和当前周期比例阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入步骤5。
步骤5：根据比例阀振荡电流的周期T和比例阀给定和反馈信号采样周期T采，确定采样样本数N＝T/T采，进入步骤6。
步骤6：若n>N-1，计算最近N个采样周期的ΔBn平均值
Figure BDA0002826942210000031
进入步骤7；否则，进入步骤12。
步骤7：计算比例阀健康标志信号
Figure BDA0002826942210000032
进入步骤8。
步骤8：若n＝N，且比例阀健康标志信号基准值K*未赋初值，则
Figure BDA0002826942210000033
Figure BDA0002826942210000034
进入步骤9；否则直接进入步骤9。
步骤9：计算比例阀健康标志信号变化率K＝|Kn-K*|/K*，进入步骤10。
步骤10：若K>k，保持5个采样周期，比例阀健康状态报警输出，进入步骤11；否则，进入步骤12。
步骤11：若用户发现故障，确认故障已处理，人为操作复归报警信息，则进入步骤12；
否则，返回本步骤。
步骤12：n++，返回步骤2，进入下一轮循环。
比例阀健康标志信号指定是：当比例阀外部给定信号稳定不变时，比例阀在振荡电流输入的情况下阶跃响应时，一个振荡周期内，比例阀给定信号和比例阀反馈信号差值的平均值，减去比例阀给定信号和比例阀反馈信号差值的结果的均方根。
一种比例阀健康状态诊断控制系统，包括人机交互装置触摸屏、调速器电控系统PLC控制器、报警指示灯、比例阀、监控系统；
人机交互装置触摸屏，实时与调速器电控系统PLC控制器进行数据交互，能够实时人工设置和显示比例阀健康状态判据系数k，实时显示比例阀健康标志信号及其变化率K以及比例阀健康状态报警信息和复归信号。k由用户根据比例阀健康状态正常时比例阀健康标志信号变化率K样本分析结果和经验值确定，参数k决定了健康状态诊断装置的灵敏度。
调速器电控系统PLC控制器，实时输出比例阀给定信号给比例阀，并实时采集比例阀的比例阀反馈信号，同时输出开关量报警信号给报警指示灯和监控系统。
调速器电控系统PLC控制器采用循环控制逻辑，执行水电站调速器比例阀健康状态诊断方法的步骤1～步骤12。
本发明一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法和控制系统，技术效果如下：
1)本发明选取的比例阀健康标志信号及其变化率K与比例阀健康状态相关度更高。
2)本发明的比例阀健康状态诊断方法和判据科学准确可靠，能准确诊断比例阀健康状态，不易受比例阀运行工况影响。
3)本发明的系统能够实时计算显示比例阀健康状态信号及其变化率K，并及时将诊断的比例阀健康状态报警信号上送给监控系统，提示运行人员。
附图说明
图1是本发明一种比例阀健康状态诊断方法流程图。
图2是本发明的一种比例阀健康状态诊断控制系统结构示意图。
图3是本发明实施例的一种比例阀健康状态诊断波形图。
具体实施方式
本发明属于水电站调速器自动控制领域，涉及一种状态诊断方法和控制装置，尤其是一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法和控制装置，适用于使用比例阀(或比例阀+步进电机等冗余配置)作为电液转换单元的水电机组，旨在机组运行过程中，调速器电控系统通过对比例阀给定信号和反馈信号实时监测，运用比例阀健康状态诊断方法，以比例阀振荡电流的周期为周期，实时计算比例阀健康标志信号及其变化率，对液压随动系统比例阀进行健康状态实时诊断，当比例阀出现性能下降，或有出现故障趋势时，及时报警并将报警信号上送监控系统，提醒运行维护人员进行预防性检修和更换。
本发明一种比例阀健康状态诊断方法选取的比例阀健康标志信号为：当比例阀外部给定信号稳定不变时，比例阀在振荡电流输入的情况下阶跃响应时，一个振荡周期内，比例阀给定信号和比例阀反馈信号差值的平均值，减去比例阀给定信号和比例阀反馈信号差值的结果的均方根。该比例阀健康标志信号摒除了比例阀给定输入的电流阶跃变化时，能量放大后位置反馈输出的实际电流值的迟滞效果影响，考虑了时间域内比例阀给定信号和比例阀反馈信号差值的时间累计效应，更能定量反映比例阀健康状态。故本发明选取的比例阀健康标志信号以及其变化率与比例阀健康状态相关度更高，更能科学全面指示诊断比例阀健康状态。
一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法，包括以下步骤：
步骤1：初始化，n＝1，n为控制器采样计算周期序号，比例阀健康状态判据系数k赋初始值，进入步骤2。
比例阀健康状态判据系数k的大小根据试验参数或经验值确定。
步骤2：实时采集当前周期比例阀给定信号，记作B给定n；以及当前周期比例阀反馈信号，记作Bn，进入步骤3。
步骤3：若当前周期比例阀给定信号B给定n变化幅值小于2倍振荡电流变化幅值，进入步骤4；否则，n＝1，返回步骤2。
步骤4：计算当前周期比例阀给定信号B给定n和当前周期比例阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入步骤5。
步骤5：根据比例阀振荡电流的周期T和比例阀给定和反馈信号采样周期T采，确定采样样本数N＝T/T采，进入步骤6。
步骤6：若n>N-1，计算最近N个采样周期的ΔBn平均值
Figure BDA0002826942210000051
进入步骤7；否则，进入步骤12。
步骤7：计算比例阀健康标志信号
Figure BDA0002826942210000052
进入步骤8。
步骤8：若n＝N，且比例阀健康标志信号基准值K*未赋初值，则
Figure BDA0002826942210000053
Figure BDA0002826942210000054
进入步骤9；否则直接进入步骤9。
步骤9：计算比例阀健康标志信号变化率K＝|Kn-K*|/K*，进入步骤10。
步骤10：若K>k，保持5个采样周期，比例阀健康状态报警输出，进入步骤11；否则，进入步骤12。
步骤11：若用户发现故障，确认故障已处理，人为操作复归报警信息，则进入步骤12；
否则，返回本步骤。
步骤12：n++，返回步骤2，进入下一轮循环。
将本发明一种比例阀健康状态诊断方法应用于某大型水电站调速器调速系统比例阀健康状态诊断，以下结合此实施例对本发明作详述。
本发明一种比例阀健康状态诊断方法流程图如图1所示。
某大型水电站调速器调速器电控系统采用本发明的一种比例阀健康状态诊断方法，实现比例阀健康状态诊断功能后，比例阀健康状态诊断控制系统结构示意图如图2所示。
本发明的一种比例阀健康状态诊断控制系统，主要由人机交互装置触摸屏1、调速器电控系统PLC控制器2、报警指示灯3、比例阀4、监控系统5组成。
人机交互装置触摸屏1通过通讯方式，实时与调速器电控系统PLC控制器2进行数据交互，可实时人工设置和显示比例阀健康状态判据系数k，实时显示比例阀健康标志信号及其变化率K以及比例阀健康状态报警信息和复归信号。k由用户根据比例阀健康状态正常时比例阀健康标志信号变化率K样本分析结果和经验值确定，参数k决定了健康状态诊断装置的灵敏度。
调速器电控系统PLC控制器2实时输出比例阀给定信号给比例阀4，并实时采集比例阀4的比例阀反馈信号，同时输出开关量报警信号给报警指示灯3和监控系统5。
调速器电控系统PLC控制器2采用循环控制逻辑，执行水电站调速器比例阀健康状态诊断方法的步骤1～步骤12。
人机交互装置触摸屏1采用B&R品牌型号为4PP420.1505-B5的触摸屏。
调速器电控系统PLC控制器2采用B&R品牌型号为PCC005的控制器，CPU模块型号为3CP380.60-1。
报警指示灯3采用schneider品牌型号为XB2-BVB4LC的红色指示灯。
比例阀4采用Rexroth品牌型号为4WRPEH 10 C3B100L-2X/G24K0/F1M。
监控系统5采用中水科技厂家生产的型号为H9000的监控系统。
某大型水电站调速器调速器电控系统采用本发明的一种比例阀健康状态诊断方法后，进行比例阀健康状态诊断试验。选取一台调速系统比例阀出现性能下降的机组，分别对其状态良好和性能下降工况下进行比例阀健康状态诊断试验，试验时k设为200％，试验记录见表1，试验录波曲线见图3。试验中N为23。
由表1和图3可以明显看出，状态良好和性能下降工况下进行比例阀健康状态诊断试验，常规判据偏差率与比例阀性能相关度不高，比例阀健康标志信号变化率K与比例阀性能相关度高。通过比较可以得出以下结论，运用比例阀健康标志信号及其变化率K相关逻辑诊断比例阀健康状态的方法更加科学准确可靠。
若将k设置为50％，在性能下降工况下进行比例阀健康状态诊断试验，即可在试验第27个采样计算周期触发性能下降工况下比例阀的健康状态报警信息，点亮报警指示灯，将报警信号上送监控系统，提示运行人员和维护人员检查处理。而此时比例阀并没有发生跟随故障等严重故障，水轮发电机组调速器液压随动系统仍能正常运行，但调节性能出现了不良状态，主配压阀在调节平衡时有轻微抖动。更换新比例阀后，主配压阀在调节平衡时轻微抖动现象消失。由此可见，采用本发明的一种比例阀健康状态诊断方法更加准确可靠。
表1比例阀健康状态诊断试验记录表
Figure BDA0002826942210000061
Figure BDA0002826942210000071
Figure BDA0002826942210000081
Figure BDA0002826942210000091
Figure BDA0002826942210000101

Claims (3)

1.一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：初始化，n＝1，n为控制器采样计算周期序号，比例阀健康状态判据系数k赋初始值，进入步骤2；
步骤2：实时采集当前周期比例阀给定信号，记作B给定n；以及当前周期比例阀反馈信号，记作Bn，进入步骤3；
步骤3：若当前周期比例阀给定信号B给定n变化幅值小于2倍振荡电流变化幅值，进入步骤4；否则，n＝1，返回步骤2；
步骤4：计算当前周期比例阀给定信号B给定n和当前周期比例阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入步骤5；
步骤5：根据比例阀振荡电流的周期T和比例阀给定和反馈信号采样周期T采，确定采样样本数N＝T/T采，进入步骤6；
步骤6：若n>N-1，计算最近N个采样周期的ΔBn平均值
Figure FDA0003499059220000011
进入步骤7；否则，进入步骤12；
步骤7：计算比例阀健康标志信号
Figure FDA0003499059220000012
进入步骤8；
步骤8：若n＝N，且比例阀健康标志信号基准值K*未赋初值，则
Figure FDA0003499059220000013
Figure FDA0003499059220000014
进入步骤9；否则直接进入步骤9；
步骤9：计算比例阀健康标志信号变化率K＝|Kn-K*|/K*，进入步骤10；
步骤10：若K>k，保持5个采样周期，比例阀健康状态报警输出，进入步骤11；否则，进入步骤12；
步骤11：若用户发现故障，确认故障已处理，人为操作复归报警信息，则进入步骤12；否则，返回本步骤；
步骤12：n++，返回步骤2，进入下一轮循环。
2.根据权利要求1所述一种水电站调速器比例阀健康状态诊断方法，其特征在于，比例阀健康标志信号指定是：当比例阀外部给定信号稳定不变时，比例阀在振荡电流输入的情况下阶跃响应时，一个振荡周期内，比例阀给定信号和比例阀反馈信号差值的平均值，减去比例阀给定信号和比例阀反馈信号差值的结果的均方根。
3.一种比例阀健康状态诊断控制系统，其特征在于：包括人机交互装置触摸屏(1)、调速器电控系统PLC控制器(2)、报警指示灯(3)、比例阀(4)、监控系统(5)；
人机交互装置触摸屏(1)，实时与调速器电控系统PLC控制器(2)进行数据交互，能够实时人工设置和显示比例阀健康状态判据系数k，实时显示比例阀健康标志信号及其变化率K以及比例阀健康状态报警信息和复归信号；
调速器电控系统PLC控制器(2)，实时输出比例阀给定信号给比例阀(4)，并实时采集比例阀(4)的比例阀反馈信号，同时输出开关量报警信号给报警指示灯(3)和监控系统(5)；
调速器电控系统PLC控制器(2)采用循环控制逻辑，执行水电站调速器比例阀健康状态诊断方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：初始化，n＝1，n为控制器采样计算周期序号，比例阀健康状态判据系数k赋初始值，进入步骤2；
比例阀健康状态判据系数k的大小根据试验参数或经验值确定；
步骤2：实时采集当前周期比例阀给定信号，记作B给定n；以及当前周期比例阀反馈信号，记作Bn，进入步骤3；
步骤3：若当前周期比例阀给定信号B给定n变化幅值小于2倍振荡电流变化幅值，进入步骤4；否则，n＝1，返回步骤2；
步骤4：计算当前周期比例阀给定信号B给定n和当前周期比例阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入步骤5；
步骤5：根据比例阀振荡电流的周期T和比例阀给定和反馈信号采样周期T采，确定采样样本数N＝T/T采，进入步骤6；
步骤6：若n>N-1，计算最近N个采样周期的ΔBn平均值
Figure FDA0003499059220000021
进入步骤7；否则，进入步骤12；
步骤7：计算比例阀健康标志信号
Figure FDA0003499059220000022
进入步骤8；
步骤8：若n＝N，且比例阀健康标志信号基准值K*未赋初值，则
Figure FDA0003499059220000023
Figure FDA0003499059220000024
进入步骤9；否则直接进入步骤9；
步骤9：计算比例阀健康标志信号变化率K＝|Kn-K*|/K*，进入步骤10；
步骤10：若K>k，保持5个采样周期，比例阀健康状态报警输出，进入步骤11；否则，进入步骤12；
步骤11：若用户发现故障，确认故障已处理，人为操作复归报警信息，则进入步骤12；否则，返回本步骤；
步骤12：n++，返回步骤2，进入下一轮循环。
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