抽水蓄能電廠運行設備保壓性能狀態分析技術

張 豪

(中國南方電網調峰調頻發電公司廣州蓄能水電廠，廣東廣州510950)

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抽水蓄能電廠運行設備保壓性能狀態分析技術

張 豪

(中國南方電網調峰調頻發電公司廣州蓄能水電廠，廣東廣州510950)

通過對歷史海量開關量記錄進行分析可監測運行設備的保壓性能，結合開關量記錄的出錯模式和暴露率，提出適用于海量開關量記錄的糾錯技術和異常工況快速甄別技術，并開發了運行設備保壓性能狀態分析專業軟件，實現了對運行設備的保壓性能的監測分析。使得通過監測運行設備保壓性能預知人體感觀無法辨識的故障模式，為設備狀態檢修提供線索成為了可能。

運行設備；保壓性能；狀態分析；開關量；抽水蓄能電廠

0 引 言

保壓性能是大型抽水蓄能電廠運行設備的重要性能。保壓性能是指運行設備在自動控制設備的控制下，自動維持內部壓力和油位(或水位)等控制指標在指定區間的性能[1]。

當設備對外做功或壓力自然損失導致指標越限時，設備可啟動打壓且通過送出開關量，記錄此時時刻和“on”狀態；當指標達到返回值時，設備也可停止打壓且通過送出開關量，記錄此時時刻和“off”狀態，即為設備的一個保壓做功周期。盡管設備每次對外做功，所損失的壓力或能量具有隨機性，而設備每次保壓做功卻具有一定的確定性。

當運行設備未失效，而其保壓性能呈現劣化趨勢時，往往由密封損壞、管路破損等隱性機械缺陷，或自動控制設備定值偏移、誤發信、信號偶然中斷等隱性自動化缺陷，或泵效率下降等電氣隱性缺陷導致[2]。因此，可以通過上位機中的開關量記錄對設備的保壓性能進行歷史、實時分析，無需進行大量而又復雜的數據挖掘計算，即可掌握設備保壓性能的變化趨勢，進而預知人體感觀無法辨識的故障模式，為設備狀態檢修提供線索[3- 4]。

然而目前有關運行設備保壓性能狀態監測的工程工作存在以下瓶頸：

(1)缺乏標準的糾錯技術，對于因設備檢修，數據傳輸丟包，異常動作，誤發信號等隨機造成多發或少發的錯誤開關量記錄，往往只能手動剔除。

(2)缺乏有效的分析手段，受限于海量數據[5]，過去僅能采用隨機選點和等采樣周期選點的方法，遴選其中的數據“代表”進行分析。

(3)缺乏專業的分析軟件，使得分析極難采用計算機對海量開關量數據進行批量分析，不僅耗費大量人力資源，所得結果還存在不夠全面的不足。

可見，全面考慮開關量記錄的異常模式，對開關量記錄糾錯方法進行標準化，提出開關量糾錯技術。并在此基礎上，提出異常工況快速甄別技術，進而標準化開關量記錄的分析方法，應用計算機實現對運行設備的保壓性能進行監測，無疑可及時發現影響運行設備長期穩定運行的安全隱患，在缺陷暴露前進行消缺。

1 開關量糾錯技術

反映保壓做功的開關量記錄的出錯模式主要有3種：①機組退備期間，因定值校驗、設備傳動、泄壓等檢修工作產生的開關量記錄；②自動控制設備節點抖動等原因誤發或多發開關量記錄；③信號回路上因電阻增大，或電源不穩定，或開關量記錄設備失效等因素，造成開關量信號丟失。

第1種出錯模式產生的錯誤記錄最多，且每次設備檢修均會產生。雖然對分析干擾最大，但考慮到檢修狀態下，設備的保壓性能不具有判斷運行性能的工程價值。因此，只需在分析中將設備檢修期間的開關量記錄剔除即可。第2、3種出錯模式的暴露率均小于0.01‰，且缺少相同或不同開關量記錄條數越多的可能性越小，缺少3條以上相同或不同開關量記錄的可能性已幾乎為零。因此這兩種出錯模式僅有6種可能的表現形式，即：有“on”狀態開關量記錄，缺少noff條對應的“off”狀態的開關量記錄，noff∈{1，2，3}；2)；有“off”狀態開關量記錄，缺少non條對應的“on”狀態的開關量記錄，non∈{1，2，3}。

若將連續兩個相同狀態開關量記錄的時間差定義為保壓間隔時間差k，將一個保壓做功周期內兩個不同狀態開關量記錄的時間差定義為保壓做功時間差t。不難發現，k的數值與t的數值不為同一數量級，即通常t為1 min內的秒級數值，而k則為1小時內的分級數值，k>>t。因此，當第2種或第3種出錯模式出現時，引起海量開關量記錄錯序，將出現t≈k或t>k的數值關系。因此可根據這一特性設置標準糾錯判據。并根據出錯模式的六種可能表現形式，剔除相應的開關量記錄進行糾錯，進而形成六種標準糾錯方法。

然而對于海量開關量記錄，若所有數據均需經過六種標準糾錯方法的判據環節和糾錯環節，無疑為了小于0.01‰的數據，浪費了大量的計算資源，如此將難以適應海量開關量數據秒級糾錯的目標。因此，可先剔除設備檢修期間的開關量記錄，接著在計算t時進行一次判據，當出錯模式暴露時，再結合暴露率，先進行缺少1條開關量記錄的標準判據和糾錯環節，若判據仍未滿足時，再依次進行缺少記錄數遞增的標準糾錯，直至判據顯示錯誤開關量記錄已完全剔除，判據滿足后才進入下一段開關量記錄t計算中。

2 異常工況快速甄別技術

定義指定t區間的樣本數與總樣本數的比值為t的概率密度ft。正常情況下，運行狀態良好的設備內部通常密封良好，無油等傳動介質的泄露，每次保壓做功能達到控制指標差值的要求。且保壓做功的同時，也存在對外做功和內部壓力自然損失的情況。經大量實踐驗證，保壓做功的確定性具體呈現為頻次數據ft滿足以平均值或最大頻值為中心，依次向正負坐標方向快速銳減，近似于正態分布的概率分布τ。

即當分布τ近似正態分布時，判斷設備保壓性能良好，甄別得出運行設備整體運行性能穩定正常。而對于分布τ不近似呈正態分布時，則輔以保壓做功周期的歷史統計參數觀察保壓性能的變化趨勢，以找出性能劣化的拐點。

值得注意的是，受安裝工藝，做功對象不同等客觀因素影響，同一原理，同一型號的不同設備的分布τ也有較大差別，具體表現為平均值、最大頻值和均方差存在差異。考慮到正態分布中，偏離中心±1.96倍均方差的數據點為小概率事件，若將這一思想應用于工況甄別中，無疑可為不同設備保壓性能分析提供自適應快速定位反映異常運行狀態的開關量記錄的有效工程手段。

由于k受對外做功的隨機因素影響大，由指定k區間的樣本數與總樣本數的比值形成的分布的概率特征不明顯。但當出現傳動介質泄露的故障時，不僅分布τ出現逐漸畸變，k數值也會逐漸減少，因此，k可作為保壓性能出現異常后，進一步分析故障類別的輔助判據。

值得注意的是，由t、k經其他參數組合得到的指標亦具有異常工況甄別能力，以抽水蓄能機組壓水調相工況(synchro condenser pump，簡稱CP工況)的保壓性能分析為例[6]。定義指定月、周等周期內自動補氣電磁閥t的時間數值和與CP工況運行時間數值和的比值為壓水保持因子ρ。不難發現ρ的物理意義為，同一類型機組CP工況運行時間相同的情況下，補氣時間越短，則機組壓水部件整體的漏氣漏水的隱形缺陷越少。即該指標出現大波動或突增時，可甄別出機組CP工況運行異常。

3 專業分析軟件的開發

為縮短程序及算法的研究開發周期，運行設備保壓性能狀態分析專業軟件(The Professional Software for Running Equipment Pressure Retaining State Analysis，簡稱REPRSA)選用MatLab和C#語言進行混合編程，充分利用MatLab在文件讀寫，數值計算和數據可視化方面的優勢，用MatLab語言編寫算法模塊，繪圖模塊，輸出模塊，用C#語言制作軟件界面[7- 8]。目前，REPRSA適用于抽水蓄能機組CP工況、尾閘液壓系統、球閥液壓系統、調速器液壓系統、消防水系統、高壓氣系統、滲漏排水系統的保壓效率及保壓性能分析。

圖1 界面及分析結果

為幫助運行人員快速掌握程序的使用流程，REPRSA自帶記憶功能，默認設置功能，幫助功能，狀態提示功能等。REPRSA的功能設置主要通過字符傳遞實現，使得新增功能，或新增分析對象，無需再對界面進行改動，只需新增輸入字符和相應的程序即可，為不同工況研究及算法推廣至不同設備的分析研究提供便利。REPRSA還可根據用戶設置的組合字符進行不同分析功能和輸出功能的私人定制。REPRSA的界面及分析結果如圖1所示，通過選項卡可實現自動實現圖形輸出和根據分析結果自動生成分析報告的文本輸出。REPRSA分析計算的基本流程為：根據用戶輸入的字符組合定制相關分析功能—開關量糾錯—異常工況甄別—圖形輸出和文本輸出。

4 實例分析

以廣東某抽水蓄能電廠2015年1月1日至5月18日5、6號機組球閥液壓系統保壓性能的狀態分析為實例，使用REPRSA進行分析。如圖2所示，5、6號機組液壓系統為同一原理，同一型號的不同設備。液壓系統采用容積式液壓傳動結構，兩臺油泵互為主備用，保壓原理為氣囊內氮氣體積一定，通過壓力開關控制球閥油泵啟停打壓以控制油壓在5.5～6 MPa區間內。

圖2 球閥液壓系統原理示意

圖3～4為REPRSA輸出的5、6號球閥保壓做功時間差t5和t6的概率分布。t5近似于正態分布，可見5號球閥液壓系統保壓性能良好，運行穩定。t6正常也應如t5相近處于[30，45]s的區間內，卻呈現中間低兩邊高的浴盆形狀，且在區間[2，5]s的工況數較多。圖5示出的6號球閥k6的歷史統計，縱向曲線通過k6每周的均方差反映波動量，橫向曲線為k6的平均值，不難可以發現k6的數值為平穩變化，并從第13周開始逐漸降低，說明油泵啟動越來越頻繁，保壓性能呈現逐漸劣化的跡象。現地檢查壓力表讀數正常，校驗壓力開關定值沒有偏移，管路也無漏油點。后來現地投退6號機球閥下游密封[9]時發現油壓有短時較大波動(從5.5 MPa降至

圖3 5號球閥t5的分布示意

圖4 6號球閥t6的分布示意

圖5 6號球閥k6的歷史統計

5 MPa)，經確認為6號機球閥油壓系統儲能罐氣囊壓力不足導致油壓回路儲壓能力下降，補氣后發現，氣囊端蓋密封破損導致漏氣，更換密封后恢復正常。

5 結 論

本文圍繞保壓性能的狀態分析提出的開關量糾錯技術和異常工況快速甄別技術，并開發了專業分析軟件REPRSA，填補了抽水蓄能電廠運行技術研

究的空白，使得通過分析開關量記錄獲知運行設備保壓性能，進而預知人體感觀無法辨識的故障模式成為可能。

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(責任編輯 高 瑜)

State Analysis Technology for Pressure Retaining Performance of Operating Equipment in Pumped-storage Power Station

ZHANG Hao

(CSG Power Generation Company Guangzhou Pumped Storage Power Station, Guangzhou 510950, Guangdong, China)

Based on historical switching data analyses of pressure retaining performance of operating equipment, and considering the error patterns and the error rates of switching data, the switching data error-correcting technology and abnormal condition screening technology are proposed for pressure retaining performance state analysis of operating equipment in pumped-storage power station, and the professional software for pressure retaining state analysis is also developed. The software can find the failure modes which cannot be identified by professionals and so it will provide possible basis for the state maintenance of equipment．

operating equipment; pressure retaining; state analysis; switching data; pumped-storage power station

2016- 04- 16

張豪(1987—)，男，廣西藤縣人，碩士，主要從事大型抽水蓄能電廠運行維護工作．

TM622

A

0559- 9342(2016)09- 0075- 04