水轮发电机组控制系统故障检测与诊断技术研究

毛学志，付 婧

（1.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 台州 317300；2.中国水利水电科学研究院，北京100038）

随着我国水电事业的快速发展，水轮发电机组控制系统规模日趋大型化、复杂化，自动化的程度也越来越高，在我国水轮机调节行业中，广泛运用微型计算机技术、机电一体化技术和现代液压技术的新成果，以及将其他工业部门先进的技术成果移植到水轮机调节技术中来，这些新技术无疑大大提高了水轮机调速器性能。可以肯定的是提高自动化程度可以提高劳动生产效率、降低生产成本，然而另一方面，控制系统中运用了大量的自动化元件和设备而且结构复杂网络庞大，导致故障发生的可能性也随之增加。对于水轮发电机组而言，一旦控制系统发生故障，势必会威胁整个水电厂安全运行，甚至产生灾难性的后果。因此解决如何进一步提高水轮机调速控制系统可靠性就是迫在眉睫的大事。

然而，直到目前为止，水轮机控制系统都缺乏对控制系统故障进行在线监测、诊断的能力，而且这方面的研究还很少。因此为了提高调速控制系统的维修性和安全性，有必要加强水轮发电机组控制系统故障检测与诊断技术研究。

1 控制系统故障诊断技术概述

控制系统故障诊断包括3方面内容：故障检测、故障分离(诊断)和故障修复。统称为故障的检测、分离和修复。

（1）故障检测。故障检测是指确定系统是否发生故障的过程，即对一非正常状态的检测过程。通过不断监测系统可测量变量的变化，在标称情况下，认为这些变量在某一不确定性下满足一已知模式，而当系统任一部件故障发生时，这些变量偏离其标称状态。通常根据系统输出或状态变量的估计残差的特性来判断故障。目前研究的目标是检测的及时性、准确性和可靠性及最小误报和漏报率。

（2）故障诊断。故障诊断指根据残差方向和结构来分离出故障的部位，判断故障的种类，估计出故障的发生时间、大小和原因，进行评价与决策的过程。故障分类是将故障按其严重程度进行分类，以便采取相应措施。故障的评价和决策是指根据故障的类别、严重程度，决定是否采取修复、补救、隔离或改变控制率等措施，以防止故障的影响和传播，预防灾难事故的发生。

（3）故障修复。故障修复指根据故障诊断结论，或是改变控制率或是控制重构或是系统重构，使整个系统在故障发生情况下，保证稳定并改善系统性能。故障修复是自主系统和智能系统的重要环节。故障修复把故障状态检测和故障诊断与自动控制紧密联系起来，使故障诊断具有更深远意义和广阔的应用前景。故障修复理论和方法将是目前和将来的研究方向。

2 水轮发电机组调速系统存在的问题

目前，由于广泛的采用微机控制技术、机械液压技术。其系统多数以采用“微机调节器+电液随动系统”结构模式。由微机调节器部分完成信号传递、调节规律的综合、调节参数切换、状态指示、控制量的输出等功能，而纯粹将机械液压部分作为功率放大、进行随动控制的执行机构。将微机调节器的小功率电气信号变换为能够推动水轮机导水机构的机械位移。随着容错计算机技术的成熟，在计算机控制系统中，其硬件和软件的可靠性已经达到了较高水平，芯片的可靠性已经达到10一次/h。然而据统计在控制系统中80%的故障来自于控制系统的测量变送元件和执行元件，也即控制系统的主要故障来自于传感器故障和执行器故障。

1990年，原能源部电力公司和中国电力企业联合会科技部对40个水电厂的134台水轮机调速器故障情况进行了调查，调查结果显示，运行中的水轮机调速器故障率十分惊人，累计总故障次数达827次，其中电液伺服系统故障率达61.1%，在总故障率中，因液压调节柜的电液转换器的原因而产生的故障就占45%。

由以上这些事实不难看出，调速器即水轮机控制系统，故障多发生在液压放大环节，以及水头、机频等信号测量等环节，这两个才是系统可靠性的薄弱环节。所以，为了进一步提高其系统可靠性，应将工作重点放在如何提高和预防水轮机调速器的电液随动系统与参与调节的信号测量，即传感器的故障检测和诊断。

3 水轮机调速器主要故障检测与诊断技术

近年来，随着对水轮发电机组的安全性和可靠性越来越重视，水轮机调速器故障诊断技术也越来越被关注，国内外许多专家学者对其进行了大量研究，目前调速器故障检测与诊断的方法主要有以下几种。

3.1 故障检测技术

（1）硬件冗余。只有非常重要的信号设置了二重和三重硬件冗余，通常的故障判断方法为多数表决。如果要分离出故障传感器，至少需要有三重硬件冗余。

（2）信号门限检测。信号的门限检测是通过判断传感器信号的变化范围和变化速率是否超过实现故障的范围的检测方法。它是工程中常用的方法，具有简单和易于实现的特点。然而许多情况下，传感器的读数虽然在正常的范围内，但是其本身己经发生了某种故障。因此该方法只能在故障发展到很大的程度时才能被检测到。事实上当传感器或者执行器出故障时，不一定就瞬间达到或超过故障阀值极限，这个变化需要时间，因此这种故障诊断方法往往就放弃了宝贵的故障修复最佳时机，造成不必要的损失。另外，仅依赖于信号的超过正常范围也很难判别出故障的真正原因所在。

（3）运行人员的观察判断。通过运行人员的观察并结合具有的经验来进行故障判断。这种方法固然有用，但对人的素质和对过程的理解等密切相关，而且许多故障是很难通过观察发现。

（4）简单的信号测量计算。如果某元件工作不正常，为了确定其故障，往往是检修人员人为的将一输入信号加到元件上，测其输出值。这种方法对于验证简单的诸如断线，信号消失这类故障可能有效，但是，往往控制系统会发生性能上的变化从而导致一些复杂故障，此时该方法失效。

3.2 故障处理措施

（1）切手动。对于一些不严重的故障，当采用自动调节的方法无法使参数稳定时，往往将控制系统切为手动控制。

（2）连锁保护或停机。传统的参数报警和联锁保护系统的作用是，防止在重要位置上出现危险情况，一旦发生某些可能引起严重后果的故障时，则使设备停止运行以避免引起更严重的损害。从可靠性来说，保护系统并不能从根本上保证系统的连续稳定运行，只是紧急情况的一种处理措施。

3.3 更深层次或在线故障诊断方法开发

水轮机调速器故障的诊断研究方兴未艾，余雄伟等提出了一种智能交互式诊断方法。申卫星等提出了一种面向对象的水电厂的智能诊断方案，与余雄伟类似都是要建立在对已经发生过故障的大量专家经验上。这些智能诊断方法均要求真实系统发生的故障应在知识库内能找到与之对应的故障信息，对于综合的，或者未知故障，以及在有干扰的情况下准确度就会大大降低。余晓晖等提出了基于神经网络的调速器故障诊断方案，但是，水轮机调速器工作现场条件比较恶劣。因此，引发系统故障的原因很多，有时故障还可能是叠加的，而且即使找到确定的故障原因，但是故障程度会因故障不同而最终结果不同。因此这些基于知识和信号的诊断方法是有可能对故障漏报或误判，而且也缺乏对已发生故障的程度进行估计。

4 结语

上述情况表明，水电厂控制系统故障诊断水平还远远没有达到令人满意的程度。目前还无法做到及时地和早期地诊断出控制系统中的故障。故障检测手段比较粗糙，故障处理方式单一，这些都使得查找故障原因费时费力，难以采取有效的预防性措施来减小和防止保护动作次数以及停机次数。将先进的控制系统故障诊断方法应用到水电厂水轮发电机组控制系统中，达到对水轮机调速器出现的故障进行实时在线检测，和对故障准确诊断，是未来的发展趋势。

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