CN113847306A - 水电站调速器液压随动系统健康状态诊断控制系统 - Google Patents

水电站调速器液压随动系统健康状态诊断控制系统 Download PDF

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Abstract

水电站调速器液压随动系统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、主配压阀、监控系统。本发明旨在机组运行过程中，调速器电控系统通过对主配压阀给定信号和反馈信号实时监测，运用水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法，实时计算调速器液压随动系统静态和动态健康标志信号及其变化率或变比率，对液压随动系统主配压阀进行静态和动态健康状态实时诊断，当主配压阀及其所在的液压随动系统出现性能下降，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维护。

Description

水电站调速器液压随动系统健康状态诊断控制系统
技术领域
本发明涉及一种水电站自动控制领域，具体涉及一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断控制系统。
背景技术
现有技术中，调速器液压随动系统由中间放大环节主配压阀等核心结构组成。主配压阀的健康状态决定了调速器液压随动系统的健康状态。主配压阀在工业自动化控制中应用广泛，而且往往是控制系统中一个至关重要的关键环节。主配压阀的健康状况决定着系统能否安全稳定运行，理应得到重点关注。而目前没有一种成熟的带主配压阀健康状态指示的智能主配压阀产品，只公开有几种水轮机调速器主配压阀故障诊断方法，它们分别是一种水轮机调速器主配压阀故障诊断方法(ZL：201711213514.5)，调速器主配及比例阀液压跟随系统故障智能诊断处理方法(ZL：201910024104.9)，调速器主接、主配及比例阀液压跟随系统故障智能诊断处理方法(CN201910024087.9)，其具有以下不足之处：
①、其只能诊断出主配压阀发生故障这个结果，不能智能诊断主配压阀及其所在的液压随动系统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主配压阀预防性维护和检修。
②、其只能诊断主配压阀发生拒动、运动不畅、阀芯卡住、跟随故障，不能诊断主配压阀阀芯小幅振荡即主配控制环振荡等控制功能异常故障。
③、其仅只能定性故障报警，不能定量指示主配压阀及其所在的液压随动系统的健康状态水平。
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液压随动系统健康状态诊断方法和控制系统，适用于使用主配压阀、或者主配压阀+步进电机等冗余配置作为液压放大单元的水电机组，旨在机组运行过程中，调速器电控系统通过对主配压阀给定信号和反馈信号实时监测，运用一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法，实时计算调速器液压随动系统静态和动态健康标志信号及其变化率或变比率，对液压随动系统主配压阀进行静态和动态健康状态实时诊断。当主配压阀及其所在的液压随动系统出现性能下降，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维护。
本发明采取的技术方案为：
一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法，包括以下步骤：
第1步：初始化，k1，k2，K2*，N赋初始值，n＝1，进入第2步。N为计算周期样本数，n为采样计算周期序号，k1和k2为主配压阀静态和动态健康状态判据参数，K2*为主配压阀动态健康标志信号基准值初始值。
第2步：调速器电控系统PLC控制器实时采集当前周期主配压阀给定信号，记作B给定n；以及当前周期主配压阀反馈信号，记作Bn，进入第3步。
第3步：若主配压阀给定信号B给定n幅值持续小于M补，进入第5步；否则，进入第4步。
第4步：若主配压阀给定信号B给定n幅值持续大于M补，进入第10步；否则，n＝1，返回第2步。
第5步：计算主配压阀给定信号B给定n和主配压阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入第6步。
第6步：若n>N-1，计算最近N个采样周期的ΔBn平均值
Figure BDA0003278376680000021
进入第7步；否则，进入第9步。
第7步：计算主配压阀静态健康标志信号
Figure BDA0003278376680000022
进入第8步。
第8步：若n＝N，且主配压阀静态健康标志信号基准值K1*未赋初值，则：
Figure BDA0003278376680000023
进入第9步。
第9步：计算主配压阀静态健康标志信号变化率K1＝|K1n-K1*|/K1*，K2＝1，进入第15步。
第10步：计算主配压阀给定信号B给定n和主配压阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入第11步。
第11步：计算主配压阀动态健康标志信号K2n＝|(Bn-Bn-1)/ΔBn|，进入第12步。
第12步：计算主配压阀动态健康标志信号变比率K2＝K2n/K2*，K1＝0，进入第13步。
第13步：若K2<k2，进入第15步，否则进入第14步。
第14步：计算主配压阀动态健康标志信号基准值K2*＝(K2n+K2*)/2，进入第17步。
第15步：若K1>k1或K2<k2，保持5个采样周期，主配压阀健康状态报警输出，进入第16步；否则，进入第17步。
第16步：若用户发现故障，确认故障已处理，人为操作复归报警信息，则进入第17步；否则，返回本步骤。
第17步：n++，返回第2步，进入下一轮循环。
主配压阀静态健康标志信号为：当主配压阀外部给定信号恒定不变或者发生变化时，连续N个扫描周期内，主配压阀给定信号和主配压阀反馈信号差值的平均值，减去主配压阀给定信号和主配压阀反馈信号差值的结果的均方根。
主配压阀动态健康标志信号为：本扫描周期主配压阀反馈信号与上一扫描周期变化值除以本扫描周期主配压阀反馈信号与给定信号差值的商。
一种水电站调速器液压随动系统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、主配压阀、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，实时人工设置和显示主配压阀静态和动态健康状态判据参数k1和k2，实时显示主配压阀静态健康标志信号变化率K1和动态健康标志信号变比率K2以及主配压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，实时输出主配压阀给定信号给主配压阀，并实时采集主配压阀的主配压阀反馈信号，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，执行水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法的第1步～第17步。
本发明一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法和控制系统，技术效果如下：
1)本发明选取的主配压阀静态和动态健康标志信号以及其变化率或变比率与主配压阀及其所在的液压随动系统的健康状态相关度高，能准确综合全面的指示主配压阀及其所在的液压随动系统的健康状态。
2)本发明的一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法和判据科学准确可靠，能准确综合全面的指示和诊断配压阀及其所在的液压随动系统的健康状态。
3)本发明的一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法和判据科学准确可靠，不仅能准确诊断主配压阀发生拒动、运动不畅、阀芯卡住、跟随故障，还能诊断主配压阀阀芯小幅振荡即主配控制环振荡等控制功能异常故障。
4)本发明的一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法，不仅能定性故障报警，还能定量指示主配压阀及其所在的液压随动系统的静态和动态健康状态水平K1和K2，当主配压阀及其所在的液压随动系统出现性能下降，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维护。
附图说明
图1是本发明的一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法流程图。
图2是本发明的一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断控制系统结构示意图。
图3是主配压阀及其所在的液压随动系统静态健康状态对比诊断模拟试验录波曲线图。
图4是主配压阀及其所在的液压随动系统健康状态诊断模拟试验录波曲线图。
具体实施方式
一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法和控制系统，该方法选取的主配压阀静态健康标志信号为：当主配压阀外部给定信号恒定不变或者发生变化时，连续N个扫描周期内，主配压阀给定信号和主配压阀反馈信号差值的平均值，减去主配压阀给定信号和主配压阀反馈信号差值的结果的均方根。
选取的主配压阀动态健康标志信号为：本扫描周期主配压阀反馈信号与上一扫描周期变化值除以本扫描周期主配压阀反馈信号与给定信号差值的商。该主配压阀健康标志信号根据工况分为静态健康标志信号和动态健康标志信号，考虑了时间域内主配压阀给定信号和主配压阀反馈信号差值的时间累计效应，更能反映主配压阀及其所在的液压随动系统的静态和动态健康状态。
故本发明选取的主配压阀静态和动态健康标志信号以及其变化率或变比率与主配压阀及其所在的液压随动系统的健康状态相关度更高，能更准确综合全面的指示诊断主配压阀及其所在的液压随动系统的健康状态。
一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法，具体步骤如下：
第1步：初始化，k1，k2，K2*，N赋初始值，n＝1，进入第2步。N为计算周期样本数，n为采样计算周期序号，k1和k2为主配压阀静态和动态健康状态判据参数，K2*为主配压阀动态健康标志信号基准值初始值。
第2步：调速器电控系统PLC控制器2实时采集当前周期主配压阀给定信号，记作B给定n；以及当前周期主配压阀反馈信号，记作Bn，进入第3步。
第3步：若主配压阀给定信号B给定n幅值持续小于M补，进入第5步；否则，进入第4步。
第4步：若主配压阀给定信号B给定n幅值持续大于M补，进入第10步；否则，n＝1，返回第2步。
第5步：计算主配压阀给定信号B给定n和主配压阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入第6步。
第6步：若n>N-1，计算最近N个采样周期的ΔBn平均值
Figure BDA0003278376680000051
进入第7步；否则，进入第9步。
第7步：计算主配压阀静态健康标志信号
Figure BDA0003278376680000052
进入第8步。
第8步：若n＝N，且主配压阀静态健康标志信号基准值K1*未赋初值，则：
Figure BDA0003278376680000053
进入第9步。
第9步：计算主配压阀静态健康标志信号变化率K1＝|K1n-K1*|/K1*，K2＝1，进入第15步。
第10步：计算主配压阀给定信号B给定n和主配压阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入第11步。
第11步：计算主配压阀动态健康标志信号K2n＝|(Bn-Bn-1)/ΔBn|，进入第12步。
第12步：计算主配压阀动态健康标志信号变比率K2＝K2n/K2*，K1＝0，进入第13步。
第13步：若K2<k2，进入第15步，否则进入第14步。
第14步：计算主配压阀动态健康标志信号基准值K2*＝(K2n+K2*)/2，进入第17步。
第15步：若K1>k1或K2<k2，保持5个采样周期，主配压阀健康状态报警输出，进入第16步；否则，进入第17步。
第16步：若用户发现故障，确认故障已处理，人为操作复归报警信息，则进入第17步；否则，返回本步骤。
第17步：n++，返回第2步，进入下一轮循环。
将本发明一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法应用于某大型水电站调速器液压随动系统的健康状态诊断，以下结合此实施例对本发明作详述。
本发明一种水电站调速器液压随动系统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电控系统采用本发明的一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法，实现主配压阀健康状态诊断功能后，主配压阀健康状态诊断控制装置结构示意图如图2所示。
本发明的一种水电站调速器液压随动系统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、主配压阀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主配压阀静态和动态健康状态判据参数k1和k2，实时显示主配压阀静态健康标志信号变化率K1和动态健康标志信号变比率K2以及主配压阀健康状态报警信息和复归信号。参数k1和k2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实时输出主配压阀给定信号给主配压阀4，并实时采集主配压阀4的主配压阀反馈信号，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，循环执行水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法的第1步～第17步：
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。
主配压阀4采用能事达厂家生产的型号为WBLDT-250/63-01的主配压阀。
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电控系统采用本发明的一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法后，进行主配控制环振荡工况和工况正常情况下，主配压阀及其所在的液压随动系统静态健康状态对比诊断模拟试验。模拟试验时，k1设为10，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，主配控制环振荡工况和工况正常情况下进行主配压阀健康状态诊断试验，主配压阀静态健康标志信号变化率K1与主配压阀性能相关度高。通过比较可以得出以下结论，运用主配压阀静态健康标志信号及其变化率K1相关逻辑诊断主配压阀健康状态的方法科学准确可靠。
若将k设置为2，在主配压阀及其所在的液压随动系统主配控制环振荡工况下进行主配压阀健康状态诊断模拟试验，即在第90个扫描周期开始模拟主配控制环振荡工况，可在试验第99个扫描周期触发主配压阀的静态健康状态报警信息，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。由此可见，本发明的一种水电站调速器液压随动系统健康状态诊断方法诊断准确可靠。主配压阀及其所在的液压随动系统健康状态诊断模拟试验，试验记录见表2，录波曲线见图4。
表1主配压阀及其所在的液压随动系统静态健康状态对比诊断模拟试验记录表
Figure BDA0003278376680000071
Figure BDA0003278376680000081
Figure BDA0003278376680000091
Figure BDA0003278376680000101
表2主配压阀及其所在的液压随动系统健康状态诊断模拟试验记录表
Figure BDA0003278376680000102
Figure BDA0003278376680000111
Figure BDA0003278376680000121
Figure BDA0003278376680000131

Claims (1)

1.水电站调速器液压随动系统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)、主配压阀(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，实时人工设置和显示主配压阀静态和动态健康状态判据参数k1和k2，实时显示主配压阀静态健康标志信号变化率K1和动态健康标志信号变比率K2以及主配压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)，实时输出主配压阀给定信号给主配压阀(4)，并实时采集主配压阀(4)的主配压阀反馈信号，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，执行如下第1步～第17步：
第1步：初始化，k1，k2，K2*，N赋初始值，n＝1，进入第2步；N为计算周期样本数，n为采样计算周期序号，k1和k2为主配压阀静态和动态健康状态判据参数，K2*为主配压阀动态健康标志信号基准值初始值；
第2步：调速器电控系统PLC控制器实时采集当前周期主配压阀给定信号，记作B给定n；以及当前周期主配压阀反馈信号，记作Bn，进入第3步；
第3步：若主配压阀给定信号B给定n幅值持续小于M补，进入第5步；否则，进入第4步；
第4步：若主配压阀给定信号B给定n幅值持续大于M补，进入第10步；否则，n＝1，返回第2步；
第5步：计算主配压阀给定信号B给定n和主配压阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入第6步；
第6步：若n＞N-1，计算最近N个采样周期的ΔBn平均值
Figure FDA0003278376670000011
进入第7步；否则，进入第9步；
第7步：计算主配压阀静态健康标志信号
Figure FDA0003278376670000012
进入第8步；
第8步：若n＝N，且主配压阀静态健康标志信号基准值K1*未赋初值，则：
Figure FDA0003278376670000021
进入第9步；
第9步：计算主配压阀静态健康标志信号变化率K1＝|K1n-K1*|/K1*，K2＝1，进入第15步；
第10步：计算主配压阀给定信号B给定n和主配压阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入第11步；
第11步：计算主配压阀动态健康标志信号K2n＝|(Bn-Bn-1)/ΔBn|，进入第12步；
第12步：计算主配压阀动态健康标志信号变比率K2＝K2n/K2*，K1＝0，进入第13步；
第13步：若K2＜k2，进入第15步，否则进入第14步；
第14步：计算主配压阀动态健康标志信号基准值K2*＝(K2n+K2*)/2，进入第17步；
第15步：若K1＞k1或K2＜k2，保持5个采样周期，主配压阀健康状态报警输出，进入第16步；否则，进入第17步；
第16步：若用户发现故障，确认故障已处理，人为操作复归报警信息，则进入第17步；否则，返回本步骤；
第17步：n++，返回第2步，进入下一轮循环。
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