水利機(jī)電設(shè)備過(guò)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)辨識(shí)方法

陳秋華

(惠州市惠城區(qū)伯公坳水庫(kù)工程管理處，廣東 惠州 516001)

0 引 言

水利產(chǎn)業(yè)中的機(jī)電設(shè)備自引入自動(dòng)化技術(shù)以來(lái)，便因其高效生產(chǎn)、節(jié)約成本等特點(diǎn)，而受到廣泛使用，現(xiàn)階段水利產(chǎn)業(yè)壓力較大，承擔(dān)國(guó)家能源輸出重任，因此生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)設(shè)備過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象，從而影響生產(chǎn)效率，不利于企業(yè)營(yíng)收。機(jī)電設(shè)備進(jìn)行不良運(yùn)行狀態(tài)下的自動(dòng)辨識(shí)操作，可有效改善機(jī)電設(shè)備的不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)與電子技術(shù)融合，自動(dòng)辨識(shí)的相關(guān)實(shí)踐辦法已然具備了較為成熟的應(yīng)用能力，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行隱患，并及時(shí)處理不良狀態(tài)。

1 水利機(jī)電設(shè)備的過(guò)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)特點(diǎn)

1.1 層次性

水利工程產(chǎn)業(yè)中的機(jī)電設(shè)備多為大型結(jié)構(gòu)，比如發(fā)電機(jī)組、計(jì)算機(jī)總控室等，而由于機(jī)電設(shè)備是由機(jī)械和電子共同配合組成，電力方面受到電源、輸電電線影響，需要時(shí)常對(duì)電力組件做出檢查，保障其安全應(yīng)用能力。但機(jī)電設(shè)備隨工作時(shí)間推移，工作強(qiáng)度有會(huì)所下降，因此較易發(fā)生過(guò)負(fù)荷運(yùn)行等故障類(lèi)型，對(duì)機(jī)電設(shè)備的保障工作提出了較高難度。另外由于機(jī)電設(shè)備其整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備的每種功能被不同層次下的子系統(tǒng)控制，進(jìn)一步增大設(shè)備發(fā)生故障后的難維修特點(diǎn)。因此在機(jī)電設(shè)備的前期設(shè)計(jì)中，就應(yīng)考慮到在過(guò)負(fù)荷運(yùn)行后的機(jī)電設(shè)備穩(wěn)定程度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將模塊化的設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)，當(dāng)任一子系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，該機(jī)電設(shè)備的各種功能仍可繼續(xù)使用。

1.2 相關(guān)性

當(dāng)水利產(chǎn)業(yè)中的機(jī)電設(shè)備發(fā)生過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，該狀態(tài)將表現(xiàn)出相關(guān)性，這是因?yàn)椴⑽从凶詣?dòng)辨識(shí)功能存在時(shí)，機(jī)電設(shè)備其中某一系統(tǒng)發(fā)生過(guò)負(fù)荷效應(yīng)，則會(huì)聯(lián)動(dòng)其他系統(tǒng)一并過(guò)負(fù)荷，造成機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行壓力，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備故障停運(yùn)。因此相關(guān)性的特點(diǎn)意味著機(jī)電設(shè)備中應(yīng)增加模塊化設(shè)計(jì)用以分隔設(shè)備的不同系統(tǒng)，增加水利產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性，保障設(shè)備可在發(fā)生過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象后被即刻辨識(shí)，并及時(shí)處理。

1.3 可辨識(shí)性

自動(dòng)辨識(shí)功能可為水利機(jī)電設(shè)備帶來(lái)較高使用價(jià)值，因機(jī)電設(shè)備其工作效率受工作時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度等影響，所以發(fā)生過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象不可避免，但只要在發(fā)生該現(xiàn)象時(shí)，便能第一時(shí)間做出辨識(shí)，并給予正規(guī)、規(guī)范的處置，則可降低過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象的影響。另外自動(dòng)辨識(shí)的實(shí)踐辦法中，還可加入預(yù)警模式，這便極大提高了設(shè)備的安全性能，可在未發(fā)生過(guò)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)前，便對(duì)設(shè)備做出調(diào)整，提高設(shè)備的使用效率。

2 自動(dòng)辨識(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的功能優(yōu)勢(shì)

2.1 信息管理

機(jī)電設(shè)備一旦進(jìn)入到過(guò)負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，則生產(chǎn)效率降低，不利于水利產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品輸出速率，因此可采用自動(dòng)辨識(shí)方法，對(duì)不良運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效辨明、識(shí)別，從而提出處理對(duì)策。自動(dòng)辨識(shí)可將設(shè)備運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)信息進(jìn)行高效讀取，以此來(lái)將過(guò)負(fù)荷故障時(shí)的閥值做出管理，可實(shí)現(xiàn)良好的監(jiān)測(cè)工作。

2.2 設(shè)備監(jiān)測(cè)

機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行健康與否，取決于設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動(dòng)辨識(shí)系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行完整采集，并針對(duì)特定的幾類(lèi)信號(hào)保持絕對(duì)敏感，比如設(shè)備溫度、零件振動(dòng)頻率、電參數(shù)等，根據(jù)所得信息判斷設(shè)備現(xiàn)階段運(yùn)行狀況，給出設(shè)備的保障評(píng)價(jià)，以此便可針對(duì)性的制定出過(guò)負(fù)荷對(duì)策。

2.3 故障診斷

對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行故障診斷，這是自動(dòng)辨識(shí)方法重要功能之一，將設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行信息和設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較，可知設(shè)備某確定位置的參數(shù)變化較大，由此判斷設(shè)備該位置是過(guò)負(fù)荷的首發(fā)位置，可對(duì)該故障位置進(jìn)行針對(duì)性處理，保障機(jī)電設(shè)備穩(wěn)定性。

2.4 遠(yuǎn)程處理

自動(dòng)辨識(shí)功能所要實(shí)現(xiàn)的最終目的為處理過(guò)負(fù)荷部位，將整體機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整回正常使用模式，保障其高效產(chǎn)出，因此自動(dòng)辨識(shí)在發(fā)現(xiàn)過(guò)負(fù)荷位置時(shí)，可利用計(jì)算機(jī)電子信號(hào)將故障隱患信息傳遞，計(jì)算機(jī)分析處理結(jié)果并研制出診斷報(bào)告，借由網(wǎng)絡(luò)手段對(duì)設(shè)備做以遠(yuǎn)程控制處理，消滅不安定因素影響。

3 過(guò)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)辨識(shí)方法分析

某水利工程項(xiàng)目中的機(jī)電設(shè)備，為預(yù)防設(shè)備系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象，影響產(chǎn)出效率，特進(jìn)行自動(dòng)辨識(shí)的方法實(shí)踐，保護(hù)設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。從建立靜態(tài)的過(guò)負(fù)荷模型開(kāi)始，進(jìn)而建設(shè)動(dòng)態(tài)模型，在此過(guò)程中融合過(guò)負(fù)荷參數(shù)，最終將自動(dòng)辨識(shí)模型建立。分析自動(dòng)辨識(shí)方法下的模型算法，對(duì)該水利工程的機(jī)電設(shè)備搭載自動(dòng)辨識(shí)功能后的功率進(jìn)行數(shù)據(jù)討論，展示自動(dòng)辨識(shí)功能的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3.1 建立靜態(tài)負(fù)荷模型

首先建立靜態(tài)負(fù)荷的模型，該模型為無(wú)記憶過(guò)負(fù)荷模型，在電力系統(tǒng)設(shè)備中常用來(lái)進(jìn)行潮流計(jì)算以及電壓穩(wěn)定性的項(xiàng)目，是較為普遍的模型類(lèi)型。在自動(dòng)辨識(shí)分析中，靜態(tài)負(fù)荷模型僅適用于電壓變化不特別明顯的節(jié)點(diǎn)中，唯有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)不足夠敏感，才可被靜態(tài)負(fù)荷模型捕捉，進(jìn)而良好記錄。通常靜態(tài)負(fù)荷包括有多項(xiàng)式和冪指數(shù)等兩種模型，且二者皆為輸出式，因此在一定頻率范圍內(nèi)，結(jié)合相應(yīng)電壓，可實(shí)現(xiàn)較高應(yīng)用精度。

以冪指數(shù)的負(fù)荷模型舉例，其中各項(xiàng)數(shù)據(jù)關(guān)系組成為設(shè)備運(yùn)行頻率、負(fù)荷電壓、負(fù)荷功率，使用指數(shù)的數(shù)學(xué)模型作為基礎(chǔ)，建立描述方程式為：

(1)

式中：U0為額定電壓，當(dāng)處于額定電壓下，可由公式推導(dǎo)出負(fù)荷節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的有功功率(P0)與無(wú)功功率(Q0)，可為后續(xù)判斷自動(dòng)辨識(shí)的應(yīng)用效果，得出功率數(shù)據(jù)[1]。不同指數(shù)的模型運(yùn)算下，可表示出不同類(lèi)型負(fù)荷在經(jīng)由各類(lèi)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)組合后的相應(yīng)特性，由此得出靜態(tài)模式下的負(fù)荷模型。

3.2 建立動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型

選取水利機(jī)電設(shè)備中的電動(dòng)機(jī)設(shè)備，進(jìn)行過(guò)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型搭建，選擇三類(lèi)模型進(jìn)行對(duì)比分析，分別是三階機(jī)電、一階機(jī)械、一階電壓等三類(lèi)暫態(tài)模型，分別從有功功率的檢出精度、無(wú)功功率的精度、穩(wěn)定性、參數(shù)的可辨識(shí)性，以及計(jì)算數(shù)量進(jìn)行綜合比較，見(jiàn)表1。由此分析何種動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型更適用于水利機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)辨識(shí)方法。

表1 動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型比較

從動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型的對(duì)比中可看出，當(dāng)計(jì)算數(shù)量不作考慮時(shí)，選用三階機(jī)電的暫態(tài)模型較為適合；當(dāng)考慮計(jì)算數(shù)量的因素時(shí)，機(jī)電設(shè)備類(lèi)型為有功功率作為主要運(yùn)行模式的電力系統(tǒng)，則該類(lèi)型下選擇一階機(jī)械作為暫態(tài)模型更加適宜；當(dāng)節(jié)省計(jì)算數(shù)量后，以無(wú)功功率為主進(jìn)行電力運(yùn)行的設(shè)備中，選擇一階電壓暫態(tài)模型作為優(yōu)先使用對(duì)象。

動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型在其使用中，具備描述范圍大、物理意義清晰等優(yōu)勢(shì)，因此在機(jī)電設(shè)備的過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象中，能將多種運(yùn)行狀態(tài)的負(fù)荷動(dòng)態(tài)捕捉，實(shí)現(xiàn)水利工程項(xiàng)目中較高應(yīng)用價(jià)值。文章案例該項(xiàng)目，便選用三階機(jī)電暫態(tài)模型作為功率分析的動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型，雖然計(jì)算數(shù)量較大，但所能適應(yīng)的機(jī)電設(shè)備較多，因此可完成該項(xiàng)目的自動(dòng)辨識(shí)功能。

3.3 建立參數(shù)辨識(shí)模型

結(jié)合水利機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用模式，建立負(fù)荷參數(shù)辨識(shí)的模型，將靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等模型聚合研究，得出參數(shù)辨識(shí)模型，該種模型建立方式擁有較廣泛應(yīng)用前景。在研究負(fù)荷參數(shù)模型時(shí)，應(yīng)關(guān)注負(fù)荷電磁轉(zhuǎn)矩的最大數(shù)值以及起動(dòng)特性，從而忽略其功率中的特征，文章以序列二次的規(guī)劃算法來(lái)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)模型的搭建。

序列二次規(guī)劃算法，由于其強(qiáng)大的非線性處理能力和良好的數(shù)值穩(wěn)定性，在求解非線性優(yōu)化問(wèn)題中得到廣泛應(yīng)用，很多的商業(yè)優(yōu)化軟件采用SQP算法作為其核心算法。SQP算法本質(zhì)上是一種迭代算法，基本思想是在當(dāng)前迭代點(diǎn)處通過(guò)求解一系列二次規(guī)劃子問(wèn)題逐漸得到一個(gè)更好的迭代點(diǎn)，使得迭代點(diǎn)逐步接近原優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)點(diǎn)[2]。序列二次規(guī)劃算法與序列線性規(guī)劃算法的主要區(qū)別在于該方法對(duì)原問(wèn)題的近似中包含有二階導(dǎo)數(shù)信息，所以對(duì)于原問(wèn)題的近似更加精確，并可得到快速收斂性能。

3.4 自動(dòng)辨識(shí)模型算法

試驗(yàn)法借助電壓跌落發(fā)生器產(chǎn)生各種類(lèi)別的電壓跌落波形，記錄電動(dòng)機(jī)輸出響應(yīng)，進(jìn)而分析電壓跌落與機(jī)電設(shè)備的相互影響。試驗(yàn)法的結(jié)果真實(shí)可靠，但需注意，試驗(yàn)法對(duì)各參數(shù)間的作用關(guān)系不能良好反映。

仿真法借助電力系統(tǒng)機(jī)電或電磁暫態(tài)仿真程序?qū)?wèn)題進(jìn)行研究。其優(yōu)點(diǎn)是可以考慮較為復(fù)雜和精確的模型，不足之處在于仿真結(jié)果只能反映現(xiàn)象，但無(wú)助于分析和解釋現(xiàn)象發(fā)生的原因[3]。

解析法借助電路和電機(jī)理論，建立數(shù)學(xué)模型，分析感應(yīng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性和系統(tǒng)電壓的交互影響。解析法能夠清晰地給出變量之間的作用關(guān)系，明確任一自變量的變化對(duì)因變量的影響，是最透徹的研究方法。

3.5 綜合負(fù)荷辨識(shí)功率

該項(xiàng)目的水利機(jī)電設(shè)備，其過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象中使用的自動(dòng)辨識(shí)應(yīng)對(duì)方法，應(yīng)將設(shè)備進(jìn)行綜合負(fù)荷的辨識(shí)功率分析，以此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)來(lái)討論自動(dòng)辨識(shí)方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。設(shè)備電壓穩(wěn)定性研究中常采用一定比例的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和恒阻抗組成綜合負(fù)荷模型。電動(dòng)機(jī)設(shè)備在水利機(jī)電負(fù)荷中所占比例高達(dá)90%以上，是綜合負(fù)荷中最主要的動(dòng)態(tài)成分[4]。

當(dāng)水利機(jī)電系統(tǒng)遭受大擾動(dòng)后，隨電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓跌落，轉(zhuǎn)子滑差發(fā)生顯著變化，其從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功。受過(guò)渡期受端交流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱、支撐能力不足、配套電源建設(shè)滯后和直流輸送功率大量饋入等因素影響，進(jìn)而影響電網(wǎng)受擾后電壓穩(wěn)定特性。由綜合功率的數(shù)據(jù)可知，采用自動(dòng)辨識(shí)方法，可有效預(yù)警、監(jiān)測(cè)該水利工程中的機(jī)電設(shè)備，并針對(duì)過(guò)負(fù)荷問(wèn)題，進(jìn)行高效處理。

4 結(jié) 論

綜上，水利產(chǎn)業(yè)中的機(jī)電設(shè)備，因產(chǎn)業(yè)需求量大、工期緊等問(wèn)題，較為常見(jiàn)出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷行為，導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備在使用中不能發(fā)揮出原有優(yōu)勢(shì)，降低水利產(chǎn)業(yè)的實(shí)際功能展示。通過(guò)建立靜態(tài)負(fù)荷、動(dòng)態(tài)負(fù)荷、參數(shù)辨識(shí)等模型，分析自動(dòng)辨識(shí)模型算法，然后得出綜合負(fù)荷辨識(shí)功率，可發(fā)現(xiàn)采用自動(dòng)辨識(shí)辦法后，有效增強(qiáng)了機(jī)電設(shè)備的使用效率。對(duì)機(jī)電設(shè)備的過(guò)負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)辨識(shí)，可知其具備信息管理、設(shè)備監(jiān)測(cè)、故障診斷、遠(yuǎn)程處理的應(yīng)用功能，且有其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。