設(shè)備機理與大數(shù)據(jù)處理下的水電設(shè)備遠程智能分析

樓旭東

摘要：隨著經(jīng)濟和各行各業(yè)的快速發(fā)展，實現(xiàn)設(shè)備運行數(shù)據(jù)從安全生產(chǎn)控制大區(qū)向生產(chǎn)管理信息區(qū)的安全傳遞、匯聚、管理及應(yīng)用，建立水輪發(fā)電機組及其主要輔助設(shè)備故障機理模型與新一代信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析模型相結(jié)合的智能分析、可視化展示、專家集中分析模式，降低信息系統(tǒng)運算資源使用率，提高故障分析預(yù)測可靠性和效率，大幅提升設(shè)備精細化、精益化管理水平，助力水電廠設(shè)備狀態(tài)評估、機組狀態(tài)檢修質(zhì)量提升和精品機組打造，為生產(chǎn)管理模式轉(zhuǎn)型升級提供有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：水電設(shè)備運行機理;計算模型;特征值

引言

隨著國家超級大型水電機組的相繼投產(chǎn)，其調(diào)速器的可靠性未來將會直接決定著電網(wǎng)安全，因此對調(diào)速器的可靠性要求未來將達到一個新的高度。機組的穩(wěn)定運行要求將振動限制在允許的范圍之內(nèi)，由于水輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引起機組振動及異常的原因很多，主要結(jié)構(gòu)部件強度不夠、導(dǎo)軸承故障、軸承甩油和溢油、空化空蝕、卡門渦引起的葉片裂紋等問題。

1常規(guī)設(shè)備狀態(tài)分析方式存在的問題

1）常規(guī)設(shè)備狀態(tài)分析和評價主要基于離線數(shù)據(jù)進行，而離線數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)多樣，采用人工方式分析，數(shù)據(jù)處理效率低、實時性差。2）各在線監(jiān)測數(shù)據(jù)未形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、存儲、管理及應(yīng)用平臺，數(shù)據(jù)孤島效應(yīng)嚴(yán)重，數(shù)據(jù)綜合利用率較低，難以建立多維度、全方位及較科學(xué)的設(shè)備分析模型。3）公司運營管理電站點多面廣，技能人才分散，不能充分發(fā)揮公司專業(yè)技術(shù)人員群智優(yōu)勢，難以對影響設(shè)備安全、檢修策劃及開停機等重大問題的分析和處理進行有效組織。4）常規(guī)設(shè)備狀態(tài)分析方式，不利于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測由“時間域”向“模型域”、由“實時數(shù)據(jù)報警”向“狀態(tài)數(shù)據(jù)分析預(yù)測”轉(zhuǎn)變和設(shè)備精細化運維管理提升。5）常規(guī)設(shè)備狀態(tài)分析方式，缺乏充分、嚴(yán)密的數(shù)理依據(jù)，導(dǎo)致機組檢修策劃和物資準(zhǔn)備等缺乏針對性，存在一定欠檢修或過檢修現(xiàn)象，不利于設(shè)備可用率提高和檢修成本控制。

2設(shè)備機理與大數(shù)據(jù)處理下的水電設(shè)備遠程智能分析對策

2.1網(wǎng)絡(luò)隔離裝置

由于機組在線監(jiān)測系統(tǒng)與電站生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)及因特網(wǎng)屬于兩個不同的安全區(qū)，根據(jù)電力二次系統(tǒng)安全防護總體規(guī)定，在機組在線監(jiān)測系統(tǒng)與電站生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)及因特網(wǎng)之間必須安裝網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備一般安裝于機組在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與WEB服務(wù)器之間，用于實現(xiàn)機組在線監(jiān)測系統(tǒng)與電站生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)及因特網(wǎng)之間的物理隔離，其中機組在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為內(nèi)網(wǎng)，電站生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)為外網(wǎng)，機組在線監(jiān)測數(shù)據(jù)只能由內(nèi)網(wǎng)向外網(wǎng)單向傳送。裝置除采用基本的防火墻、代理服務(wù)器等安全防護技術(shù)之外，還需采用“雙機非網(wǎng)”的物理隔離技術(shù)，即裝置可以阻斷網(wǎng)絡(luò)直接連接。

2.2補償機組功率給定值

在監(jiān)控系統(tǒng)中，功率給定與機組發(fā)電功率差值計算后經(jīng)功率調(diào)節(jié)器作用轉(zhuǎn)換為寬度不等的脈沖增減指令下發(fā)至機組調(diào)速器，脈沖寬度取決于功率偏差的大小，偏差較大時脈寬越大，偏差較小時脈寬越小，偏差為正時發(fā)出增脈沖，偏差為負(fù)時發(fā)出減脈沖。調(diào)速器根據(jù)脈沖發(fā)出導(dǎo)葉開度給定值增/減階躍，階躍持續(xù)時間與脈沖寬度一致。導(dǎo)葉開度給定值增/減階躍經(jīng)過開度給定積分器計算得到導(dǎo)葉開度計算值，對于一個階躍信號輸入積分環(huán)節(jié)輸出為一個斜坡響應(yīng)，斜坡響應(yīng)的變化速率由開度給定積分器時間常數(shù)所決定。計算得到的導(dǎo)葉開度計算值作為監(jiān)控系統(tǒng)功率閉環(huán)的開度給定值輸入至調(diào)速器開度模式，監(jiān)控功率閉環(huán)相當(dāng)于一個積分調(diào)節(jié)過程。根據(jù)機組調(diào)速器的調(diào)頻特性可知，機組功率變化是先快后慢的過渡過程。若在監(jiān)控系統(tǒng)中調(diào)頻功率修正值以階躍形式輸入到功率閉環(huán)調(diào)節(jié)器，在功率閉環(huán)調(diào)節(jié)的積分作用下易造成明顯超調(diào)。尤其在規(guī)模較小的西南交流同步電網(wǎng)中，主力水電機組調(diào)速器均采用了小網(wǎng)模式參數(shù)，放緩出力調(diào)節(jié)速度來增強系統(tǒng)超低頻振蕩阻尼，其調(diào)頻過程過渡時間是正常大網(wǎng)模式參數(shù)下的數(shù)倍甚至10倍，若水電站監(jiān)控系統(tǒng)功率閉環(huán)調(diào)節(jié)速度較快，易導(dǎo)致機組出力調(diào)節(jié)出現(xiàn)振蕩。在不改變功率閉環(huán)調(diào)節(jié)參數(shù)的原則下對調(diào)頻功率修正值適當(dāng)限速或遲滯，確保與機組調(diào)速器的調(diào)頻特性相協(xié)調(diào)，可使調(diào)頻過程更加穩(wěn)定。

2.3工作人員的專業(yè)性

我國小水電站的工作人員上崗前一般是沒有經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)，導(dǎo)致很多工作人員在工作時就會面臨專業(yè)能力不足、專業(yè)性不強的問題。這對水電站的生產(chǎn)運行都產(chǎn)生了很大的影響，而且這種現(xiàn)象較為普遍，小水電站本就十分依賴經(jīng)濟效益，工作人員專業(yè)能力的欠缺會給水電站的效益及生存環(huán)境都造成很大的限制。在發(fā)展水電站自我規(guī)模時，一般也會使人員規(guī)模擴大。但是由于很多工作人員專業(yè)性不強的原因，即使人員規(guī)模擴大了，水電站所掌握的有效資源條件和有效專業(yè)人員規(guī)模依然不會有太大的改善。因此要先致力于將現(xiàn)有的工作人員的專業(yè)水平素質(zhì)提升，才能合理安排工作人員，做到工作人員隊伍整體的工作能力和業(yè)務(wù)水平的提升。如可以減員增效，減少值班人員，分工明確使每個值班人員都有任務(wù)可做，不浪費時間。同時對現(xiàn)有人員結(jié)構(gòu)進行及時更新，引進專業(yè)人才為水電站注入活力的同時提升專業(yè)性和工作效率，以此來提升水電站的經(jīng)濟效益。

2.4數(shù)據(jù)可視化分析模型建立

1）根據(jù)相似工況及相似運行環(huán)境下特征數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好的特點，建立以特征數(shù)據(jù)和緩變量為要素的數(shù)據(jù)趨勢監(jiān)測模型，避免暫態(tài)工況對運行數(shù)據(jù)變化趨勢或特征分布的影響，提升故障趨勢判斷的可靠性，例如定子不圓度預(yù)測中，為避免開停機過程和空載過程中機組變轉(zhuǎn)速、變勵磁對圓度的影響，在算法模型中利用有功功率、勵磁電流限制分析工況。2）根據(jù)同一電站水輪發(fā)電機組及主輔設(shè)備型號相同，機械、水力及電氣特性相似的特性，開發(fā)設(shè)備運行特征數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ饶Ｐ?，提高設(shè)備運行異常狀態(tài)和機組綜合性能的快速識別及判斷能力。3）針對水輪發(fā)電機組及主輔設(shè)備等振動、擺度、溫度、流量及壓力等同類監(jiān)測點數(shù)量較多，且現(xiàn)有計算機監(jiān)控系統(tǒng)無法在設(shè)備運行參數(shù)到達故障之前報警的問題，研發(fā)同類數(shù)據(jù)聚合算法及數(shù)據(jù)展示模型，提高大量同類數(shù)據(jù)異常變化趨勢的監(jiān)測和感知能力，例如在發(fā)電機定子繞組溫度監(jiān)測中，利用均方根等相關(guān)算法，將數(shù)十個測溫數(shù)據(jù)聚合為一個，減少監(jiān)測點，降低下一階段三維算法的數(shù)據(jù)處理量。

結(jié)語

水電站發(fā)展過程中進行經(jīng)濟運行所需的基本要求并進行了分析，同時對水電站由于自身性質(zhì)的原因運行管理的特殊性、特點明確性，根據(jù)實際情況提出了一些建議與解決方法，希望能對水電站經(jīng)濟運行的工作人員起到一些幫助作用，推動經(jīng)濟運行工作的順利開展。對水電站的經(jīng)濟運行管理優(yōu)化工作早已被相關(guān)研究人員注意到，并已提出了一些行之有效的方法，取得了一定的成就。正如前人所作，未來在經(jīng)濟運行管理的實踐中還需要研究開發(fā)更多的優(yōu)化措施來解決實踐中出現(xiàn)的各式各樣的困難，隨著新理論新技術(shù)的出現(xiàn)，期待未來經(jīng)濟運行研究人員、工作人員能在實踐中最快速度地找到更為優(yōu)秀、符合實際的方案，推動我國水電站工作的發(fā)展。

參考文獻：

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