一種基于知識庫的蓄能機組啟停流程故障分析平臺

黃中杰

（南方電網調峰調頻發電公司廣州蓄能水電廠，廣東省廣州市 510950）

0 引言

目前，我國抽水蓄能電站建設進入了一個高速發展的時期。抽水蓄能機組在電力系統中承擔著調峰、調頻、調相、事故備用及吸收多余電能等多種任務，是目前電網最重要的儲能和調峰調頻環節。抽水蓄能機組在啟停過程中最容易出現故障，且表現出的故障形式多種多樣，故障機理過程也十分復雜。

目前國內外的蓄能機組故障診斷技術主要為基于設備故障樹的匹配診斷方法，形式單一、功能簡單，不能適應目前抽水蓄能機組多種工況轉換，流程復雜且故障多發的應用現狀。通過研究發現，國內外對蓄能機組在線監測和分析診斷方面的研究主要缺點在于：①集中在狀態監測系統的開發集成和故障的診斷方法上，目前的研究成果還不能滿足現場需求；②電廠現有系統大多仍以圖表曲線顯示、訊號或指示報警等為主，由于對報警值的設定缺乏科學性，使得系統無法做到準確異常或故障判斷，對于故障診斷還是需要技術人員或專家分析來得出最終結果；③有些系統雖具有故障診斷功能，但達不到實用的水平；④在設備狀態檢修方面，直接依靠在線監測系統的功能來決定機組檢修，目前的水平還滿足不了要求，仍以提供技術支持為主。

1 功能設計

本平臺通過開發啟停流程知識庫，完成流程相關特征信息的規則編寫。開停機知識庫包括：機組各工況流程步跨步條件（對應實際設備狀態點）；機組各工況流程步正常執行時間和超時時間；機組正常開停機時間；重要設備開合時間間隔；熱工保護測定狀態等。

根據知識庫制定相關規則，完成對應故障分析算法，最終實現基于知識庫的蓄能機組啟停流程故障分析平臺。該平臺主要功能一是流程狀態識別，判定機組啟停狀態是否正常，提供機組健康狀態評估和故障預警，避免和預防故障的發生；二是故障預測，預測機組啟停狀態的相關設備發展趨勢，提供設備性能評估與預測，快速定位異常設備，為制定合理的檢維修決策提供技術保障，使維修工作目的明確、方法科學、時間縮短，對保障機組的安全可靠運行及獲取更大的經濟效益和社會效益，具有重大意義。

2 基于知識庫的蓄能機組啟停流程故障分析平臺

2.1 系統架構

圖1為基于知識庫的蓄能機組啟停流程故障分析平臺的示意圖，表明該系統平臺的結構原理和各個部分之間的架構和流程傳遞關系。

圖1 系統架構圖Fig．1 System Architecture

2.2 靜態結構特征

本系統主要包括知識庫管理模塊、算法模塊、后臺處理模塊、用戶界面和抽水蓄能機組監控系統上位機（含主計算機、數據庫計算機、工程師站、操作員站和遠動裝置及其搭設網絡）。

故障分析的前提條件是要有一定數量的能反映故障信息的故障特征形成的知識庫。蓄能機組在啟停過程中出現異常，會引起一些物理參數的變化，比如出現某些異常會引起異常噪聲、振動加劇等現象，此時監測到的振動、噪聲等物理參數就會發生變化。將表征機組運行狀態的設備參數稱為特征參數，特征參數的信息條目稱為特征信息。特征信息一般來源于對運行設備的狀態監測（在線監測和離線監測），按其監測對象可分為電流、電壓、功率等的電氣參數，振動、行程、位移、導葉開度、間隙等的機械參數，水位、流量、壓力等的水力參數，應力應變等的力學參數，瓦溫、油溫、繞組溫度等的熱量參數等。同時，特征信息也包括不同流程中不同流程步的信息。

知識庫規則范式如下：

（1）流程步。

各字段含義為：

U：機組。標明該條規則對應的機組。

O：工況信息。標明該條規則對應的工況。

S：流程步。標明該條規則對應工況的流程第幾步。

Time：流程步時間。標明該條規則對應流程步執行完所需的常規時間。

Regulation：修正值。由系統自動生成并更新修正值，不需要管理人員填寫。

Manual：人工調整值。為絕對值百分比，空值默認為0。

（2）特征標準前綴。

各字段含義為：

U：機組。標明該條規則對應的機組。

O：工況信息。標明該條規則對應的工況。

S：流程步。標明該條規則對應工況的流程第幾步。

T：跳閘標識。標明該條規則是否表明機組跳閘。

A/D：模/數標識。標明該條規則對應的是模擬量或開關量特征信息，針對不同情況會連接模擬量后綴或開關量后綴。

Message：特征信息。與監控系統中的數據庫條目匹配。

以上字段均通過管理人員填寫，不能為空。

（3）模擬量后綴。

Interval：區間值。標明監視時間區間，非空。

Edge：跳變值。標明跳變幅度，非空。

Regulation：修正值。由系統自動生成并更新修正值，不需要管理人員填寫。

Manual：人工調整值。為絕對值百分比，空值默認為0。

（4）開關量后綴。

P Edge：從0到1變位區間值。標明監視時間區間，空值說明不分析。

N Edge：從1到0變位區間值。標明監視時間區間，空值說明不分析。

P Count：從0到1變位次數。標明設備從分位到合位動作次數，空值說明不分析。

N Count：從1到0變位次數。標明設備從分位到合位動作次數，空值說明不分析。

（注：以上4個字段至少有1個字段不為空值）

Regulation：修正值。由系統自動生成并更新修正值，不需要管理人員填寫。

Manual：人工調整值。為絕對值百分比，空值默認為0。

知識庫管理模塊通過提供管理接口，完成規則編寫制定。同時，允許管理人員對知識庫進行參數設定，備份及恢復等管理操作。

算法模塊提取對應的規則，對蓄能機組啟停流程實施分析，對故障進行報警，并對異常情況進行報警。同時，將該次流程成功執行結束后的相關信息進行計算，更新對應規則的修正值。

后臺處理模塊對監控系統上位機的一覽表信息進行調用，對數據查詢進行優化，并將特征信息與算法模塊進行交互。

用戶界面即用戶訪問和操作該平臺系統的人機接口，提供用戶輸入查詢、參數設定和數據輸出相關界面。

抽水蓄能機組監控系統上位機，包括主計算機、數據庫計算機、工程師站、操作員站和遠動裝置及其搭設網絡。監控系統上位機具備實時控制和調節抽水蓄能機組功能，負責抽水蓄能機組實時數據采集與處理，能夠提供全面的事件記錄和曲線記錄，為事故原因查找和關鍵設備變化趨勢分析提供很好的工具。同時，對其所監視設備的狀態實時監控，若有異常則及時進行報警，以告知值班人員或維護人員。監控系統上位機發送實時數據至后臺處理模塊，確保本系統的實用性、實時性和可靠性。

2.3 動態結構特征

本系統具備流程分析、模擬量特征分析、開關量特征分析、智能調節等功能。流程分析功能對不同工況流程的每一步進行分析，對跳閘信號進行報警并鎖定跳閘時刻流程狀態和設備狀態，同時對異常的流程執行時間進行提示。該功能相關信息如下：

（1）機組進入某一個啟停工況流程的第一步。

（2）監測是否有跳閘信號。若有，則發出報警并鎖定當前時刻的流程狀態和設備狀態；若無，則等待流程步執行完畢。

（3）監測流程是否超時。若超時，則發出報警并鎖定當前時刻的流程狀態和設備狀態；若未超時，則記錄并顯示本次流程步所用時間。

（4）根據本次流程步所用時間，比對流程步預設時間。若超過預設時間則發出提示。同時，根據所用時間自動計算流程步時間的修正值，更新預設時間。

（5）進入流程第二步，重復（2）～（4）步內容，直到所有流程步結束，工況轉換完成。

若出現跳閘信號或流程超時鎖定狀態，需要手動復歸流程畫面。

相關步驟如圖2所示。

圖2 流程分析功能流程圖Fig．2 Steps of Process Analysis Function

模擬量特征分析功能對不同工況流程的每一步中的模擬量特征進行分析，對信號在特定時間區間內的異常跳變情況進行提示。該功能相關信息如下：

（1）機組進入某一個啟停工況流程的第一步。

（2）監測對應模擬量特征的數值，直到該步結束。

（3）是否匹配知識庫內規則（Interval和Edge字段匹配）。若匹配，則繼續監測直到該步結束；若不匹配，則發出提示。

（4）若有多條規則，則依次進行匹配處理。

（5）該流程步結束后，若未發生規則不匹配的情況，則根據本次流程步情況更新規則的修正值。

（6）進入流程第二步，重復（2）～（5）步內容，直到所有流程步結束，工況轉換完成。

相關步驟如圖3所示。

開關量特征分析功能對不同工況流程的每一步中的開關量特征進行分析，對信號在特定時間區間內的變位情況以及流程步過程中的變位次數異常情況進行提示。該功能相關信息如下：

圖3 模擬量特征分析功能流程圖Fig．3 Steps of Analog Signal Features Analysis Function

（1）機組進入某一個啟停工況流程的第一步。

（2）監測對應開關量特征的變位時間和變位信息，直到該步結束。

（3）是否匹配知識庫內規則（P Edge、N Edge、P Count和N Count字段匹配）。若匹配，則繼續監測直到該步結束；若不匹配，則發出提示。

（4）若有多條規則，則依次進行匹配處理。

（5）該流程步結束后，若未發生規則不匹配的情況，則根據本次流程步情況更新規則的修正值。

（6）進入流程第二步，重復（2）～（5）步內容，直到所有流程步結束，工況轉換完成。

相關步驟如圖4所示。

智能調節功能完成規則修正值實時自動計算，對不同機組、不同流程、不同規則進行差異化管理，使規則更匹配機組啟停流程的實際情況。該功能相關信息如下：

（1）機組進入某一個啟停工況流程的第一步。

（2）該流程步正常執行結束后，根據流程步實際執行時間，實時計算并更新知識庫規則的修正值。

（3）該流程步正常執行結束后，根據模擬量特征的實際監測情況，實時計算并更新知識庫規則的修正值。

圖4 開關量特征分析功能流程圖Fig．4 Steps of Digital Signal Features Analysis Function

（4）該流程步正常執行結束后，根據開關量特征的實際監測情況，實時計算并更新知識庫規則的修正值。

（5）進入流程第二步，重復（2）～（5）步內容，直到所有流程步結束，工況轉換完成。

相關算法為：

（1）流程時間修正。

1）流程步預設時間TS=[（Time+Regulation）×（1-Manual），（Time+Regulation）×（1+Manual）]

2）其中，修正值計算方法為：

Regulation=（流程步實際用時TA-Time）/采樣值n

3）采樣值n為管理人員設定參數，一般取100。

4）Manual為人工調整值（百分比），默認為0，設值為絕對值。

（2）模擬量特征修正。

1）規則匹配方法：

時 間 區 間 [（Interval+Regulation1）×（1-Manual），（Interval+Regulation1）×（1+Manual）]

&&

跳變區間 [（Edge+Regulation2）×（1-Manual），（Edge+Regulation2）×（1+Manual）]

內進行匹配

2）修正值計算方法為：

Regulation1=[（模擬量特征變化實際用時IA/模擬量特征跳變實際幅度EA-Interval/Edge）×Edge]/采樣值n

Regulation2=[（模擬量特征跳變實際幅度EA模擬量特征變化實際用時IA-Edge/Interval）×Interval]/采樣值n

3）采樣值n為管理人員設定參數，一般取100。

4）Manual為人工調整值（百分比），默認為0，設值為絕對值。

（3）開關量特征修正。

1）規則匹配方法：

從0到1變位時間區間[（P Edge+Regulation1）×（1-Manual），（P Edge +Regulation1）×（1+Manual）]

從1到0變位時間區間[（N Edge+Regulation2）×（1-Manual），（N Edge +Regulation2）×（1+Manual）]

從0到1變位次數區間[（P Count+Regulation3）×（1-Manual），（P Count +Regulation3）×（1+Manual）]

從1到0變位次數區間[（N Count+ Regulation4）×（1-Manual），（N Count +Regulation4）×（1+Manual）]

2）修正值計算方法為：

Regulation1=（開關量特征變位實際用時PT-P Edge）/采樣值n

Regulation2=（開關量特征變位實際用時NT-N Edge）/采樣值n

Regulation3=（開關量特征實際變位次數PC-P Count）/采樣值n

Regulation4=（開關量特征實際變位次數NC-N Count）/采樣值n

3）采樣值n為管理人員設定參數，一般取100。

4）Manual為人工調整值（百分比），默認為0，設值為絕對值。

3 結束語

本平臺系統根據知識庫制定相關規則，完成對應故障分析算法，最終實現基于知識庫的蓄能機組啟停流程故障分析平臺。其優點為∶

（1）直接監測各工況啟停流程每一步運行情況，以及相關設備動作情況及跨步條件滿足情況。通過知識庫將各工況中每一個流程步信息及設備情況編寫規則，對流程跨步實際時間進行監視并修正規則。同時，將每一步跨步條件所需設備情況進行匯總，當發生流程超時事件時即可快速定位故障，并記錄故障時刻各設備狀態。

（2）根據知識庫的規則條目，匹配設備特征，自動診斷流程過程中該設備情況是否異常。既能進行設備實施故障監視，又能對異常動作的設備進行診斷報警。

（3）通過人為設定調整值，增加分析診斷裕度，能根據現場情況進行各機組快速調節。系統根據實際運行情況生成并更新修正值，對知識庫規則進行二次修正，使得更接近機組實際運行情況。采用雙重調整修正的方法，使得知識庫規則更接近機組實際啟停情況，又能增加智能管理手段。

（4）技術成果可在一定程度上配合預防性檢修和狀態檢修的開展，并可在其他抽水蓄能電站和常規電站推廣。

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