抽水蓄能电厂运行设备保压性能状态分析技术

张 豪

(中国南方电网调峰调频发电公司广州蓄能水电厂，广东广州510950)



抽水蓄能电厂运行设备保压性能状态分析技术

张 豪

(中国南方电网调峰调频发电公司广州蓄能水电厂，广东广州510950)

通过对历史海量开关量记录进行分析可监测运行设备的保压性能，结合开关量记录的出错模式和暴露率，提出适用于海量开关量记录的纠错技术和异常工况快速甄别技术，并开发了运行设备保压性能状态分析专业软件，实现了对运行设备的保压性能的监测分析。使得通过监测运行设备保压性能预知人体感观无法辨识的故障模式，为设备状态检修提供线索成为了可能。

运行设备；保压性能；状态分析；开关量；抽水蓄能电厂

0 引 言

保压性能是大型抽水蓄能电厂运行设备的重要性能。保压性能是指运行设备在自动控制设备的控制下，自动维持内部压力和油位(或水位)等控制指标在指定区间的性能[1]。

当设备对外做功或压力自然损失导致指标越限时，设备可启动打压且通过送出开关量，记录此时时刻和“on”状态；当指标达到返回值时，设备也可停止打压且通过送出开关量，记录此时时刻和“off”状态，即为设备的一个保压做功周期。尽管设备每次对外做功，所损失的压力或能量具有随机性，而设备每次保压做功却具有一定的确定性。

当运行设备未失效，而其保压性能呈现劣化趋势时，往往由密封损坏、管路破损等隐性机械缺陷，或自动控制设备定值偏移、误发信、信号偶然中断等隐性自动化缺陷，或泵效率下降等电气隐性缺陷导致[2]。因此，可以通过上位机中的开关量记录对设备的保压性能进行历史、实时分析，无需进行大量而又复杂的数据挖掘计算，即可掌握设备保压性能的变化趋势，进而预知人体感观无法辨识的故障模式，为设备状态检修提供线索[3- 4]。

然而目前有关运行设备保压性能状态监测的工程工作存在以下瓶颈：

(1)缺乏标准的纠错技术，对于因设备检修，数据传输丢包，异常动作，误发信号等随机造成多发或少发的错误开关量记录，往往只能手动剔除。

(2)缺乏有效的分析手段，受限于海量数据[5]，过去仅能采用随机选点和等采样周期选点的方法，遴选其中的数据“代表”进行分析。

(3)缺乏专业的分析软件，使得分析极难采用计算机对海量开关量数据进行批量分析，不仅耗费大量人力资源，所得结果还存在不够全面的不足。

可见，全面考虑开关量记录的异常模式，对开关量记录纠错方法进行标准化，提出开关量纠错技术。并在此基础上，提出异常工况快速甄别技术，进而标准化开关量记录的分析方法，应用计算机实现对运行设备的保压性能进行监测，无疑可及时发现影响运行设备长期稳定运行的安全隐患，在缺陷暴露前进行消缺。

1 开关量纠错技术

反映保压做功的开关量记录的出错模式主要有3种：①机组退备期间，因定值校验、设备传动、泄压等检修工作产生的开关量记录；②自动控制设备节点抖动等原因误发或多发开关量记录；③信号回路上因电阻增大，或电源不稳定，或开关量记录设备失效等因素，造成开关量信号丢失。

第1种出错模式产生的错误记录最多，且每次设备检修均会产生。虽然对分析干扰最大，但考虑到检修状态下，设备的保压性能不具有判断运行性能的工程价值。因此，只需在分析中将设备检修期间的开关量记录剔除即可。第2、3种出错模式的暴露率均小于0.01‰，且缺少相同或不同开关量记录条数越多的可能性越小，缺少3条以上相同或不同开关量记录的可能性已几乎为零。因此这两种出错模式仅有6种可能的表现形式，即：有“on”状态开关量记录，缺少noff条对应的“off”状态的开关量记录，noff∈{1，2，3}；2)；有“off”状态开关量记录，缺少non条对应的“on”状态的开关量记录，non∈{1，2，3}。

若将连续两个相同状态开关量记录的时间差定义为保压间隔时间差k，将一个保压做功周期内两个不同状态开关量记录的时间差定义为保压做功时间差t。不难发现，k的数值与t的数值不为同一数量级，即通常t为1 min内的秒级数值，而k则为1小时内的分级数值，k>>t。因此，当第2种或第3种出错模式出现时，引起海量开关量记录错序，将出现t≈k或t>k的数值关系。因此可根据这一特性设置标准纠错判据。并根据出错模式的六种可能表现形式，剔除相应的开关量记录进行纠错，进而形成六种标准纠错方法。

然而对于海量开关量记录，若所有数据均需经过六种标准纠错方法的判据环节和纠错环节，无疑为了小于0.01‰的数据，浪费了大量的计算资源，如此将难以适应海量开关量数据秒级纠错的目标。因此，可先剔除设备检修期间的开关量记录，接着在计算t时进行一次判据，当出错模式暴露时，再结合暴露率，先进行缺少1条开关量记录的标准判据和纠错环节，若判据仍未满足时，再依次进行缺少记录数递增的标准纠错，直至判据显示错误开关量记录已完全剔除，判据满足后才进入下一段开关量记录t计算中。

2 异常工况快速甄别技术

定义指定t区间的样本数与总样本数的比值为t的概率密度ft。正常情况下，运行状态良好的设备内部通常密封良好，无油等传动介质的泄露，每次保压做功能达到控制指标差值的要求。且保压做功的同时，也存在对外做功和内部压力自然损失的情况。经大量实践验证，保压做功的确定性具体呈现为频次数据ft满足以平均值或最大频值为中心，依次向正负坐标方向快速锐减，近似于正态分布的概率分布τ。

即当分布τ近似正态分布时，判断设备保压性能良好，甄别得出运行设备整体运行性能稳定正常。而对于分布τ不近似呈正态分布时，则辅以保压做功周期的历史统计参数观察保压性能的变化趋势，以找出性能劣化的拐点。

值得注意的是，受安装工艺，做功对象不同等客观因素影响，同一原理，同一型号的不同设备的分布τ也有较大差别，具体表现为平均值、最大频值和均方差存在差异。考虑到正态分布中，偏离中心±1.96倍均方差的数据点为小概率事件，若将这一思想应用于工况甄别中，无疑可为不同设备保压性能分析提供自适应快速定位反映异常运行状态的开关量记录的有效工程手段。

由于k受对外做功的随机因素影响大，由指定k区间的样本数与总样本数的比值形成的分布的概率特征不明显。但当出现传动介质泄露的故障时，不仅分布τ出现逐渐畸变，k数值也会逐渐减少，因此，k可作为保压性能出现异常后，进一步分析故障类别的辅助判据。

值得注意的是，由t、k经其他参数组合得到的指标亦具有异常工况甄别能力，以抽水蓄能机组压水调相工况(synchro condenser pump，简称CP工况)的保压性能分析为例[6]。定义指定月、周等周期内自动补气电磁阀t的时间数值和与CP工况运行时间数值和的比值为压水保持因子ρ。不难发现ρ的物理意义为，同一类型机组CP工况运行时间相同的情况下，补气时间越短，则机组压水部件整体的漏气漏水的隐形缺陷越少。即该指标出现大波动或突增时，可甄别出机组CP工况运行异常。

3 专业分析软件的开发

为缩短程序及算法的研究开发周期，运行设备保压性能状态分析专业软件(The Professional Software for Running Equipment Pressure Retaining State Analysis，简称REPRSA)选用MatLab和C#语言进行混合编程，充分利用MatLab在文件读写，数值计算和数据可视化方面的优势，用MatLab语言编写算法模块，绘图模块，输出模块，用C#语言制作软件界面[7- 8]。目前，REPRSA适用于抽水蓄能机组CP工况、尾闸液压系统、球阀液压系统、调速器液压系统、消防水系统、高压气系统、渗漏排水系统的保压效率及保压性能分析。

图1 界面及分析结果

为帮助运行人员快速掌握程序的使用流程，REPRSA自带记忆功能，默认设置功能，帮助功能，状态提示功能等。REPRSA的功能设置主要通过字符传递实现，使得新增功能，或新增分析对象，无需再对界面进行改动，只需新增输入字符和相应的程序即可，为不同工况研究及算法推广至不同设备的分析研究提供便利。REPRSA还可根据用户设置的组合字符进行不同分析功能和输出功能的私人定制。REPRSA的界面及分析结果如图1所示，通过选项卡可实现自动实现图形输出和根据分析结果自动生成分析报告的文本输出。REPRSA分析计算的基本流程为：根据用户输入的字符组合定制相关分析功能—开关量纠错—异常工况甄别—图形输出和文本输出。

4 实例分析

以广东某抽水蓄能电厂2015年1月1日至5月18日5、6号机组球阀液压系统保压性能的状态分析为实例，使用REPRSA进行分析。如图2所示，5、6号机组液压系统为同一原理，同一型号的不同设备。液压系统采用容积式液压传动结构，两台油泵互为主备用，保压原理为气囊内氮气体积一定，通过压力开关控制球阀油泵启停打压以控制油压在5.5～6 MPa区间内。

图2 球阀液压系统原理示意

图3～4为REPRSA输出的5、6号球阀保压做功时间差t5和t6的概率分布。t5近似于正态分布，可见5号球阀液压系统保压性能良好，运行稳定。t6正常也应如t5相近处于[30，45]s的区间内，却呈现中间低两边高的浴盆形状，且在区间[2，5]s的工况数较多。图5示出的6号球阀k6的历史统计，纵向曲线通过k6每周的均方差反映波动量，横向曲线为k6的平均值，不难可以发现k6的数值为平稳变化，并从第13周开始逐渐降低，说明油泵启动越来越频繁，保压性能呈现逐渐劣化的迹象。现地检查压力表读数正常，校验压力开关定值没有偏移，管路也无漏油点。后来现地投退6号机球阀下游密封[9]时发现油压有短时较大波动(从5.5 MPa降至

图3 5号球阀t5的分布示意

图4 6号球阀t6的分布示意

图5 6号球阀k6的历史统计

5 MPa)，经确认为6号机球阀油压系统储能罐气囊压力不足导致油压回路储压能力下降，补气后发现，气囊端盖密封破损导致漏气，更换密封后恢复正常。

5 结 论

本文围绕保压性能的状态分析提出的开关量纠错技术和异常工况快速甄别技术，并开发了专业分析软件REPRSA，填补了抽水蓄能电厂运行技术研

究的空白，使得通过分析开关量记录获知运行设备保压性能，进而预知人体感观无法辨识的故障模式成为可能。

[1]邓海顺， 许贤良. 带式输送机张紧装置蓄能器容量的理论分析[J]. 矿山机械， 2013， 41(9)： 63- 65．

[2]陈喜阳. 水电机组状态检修中若干关键技术研究[D]. 武汉： 华中科技大学， 2005．

[3]张孝远. 融合支持向量机的水电机组混合智能故障诊断研究[D]. 武汉： 华中科技大学， 2012．

[4]刘娟， 潘罗平， 桂中华， 等. 国内水电机组状态监测和故障诊断技术现状[J]. 大电机技术， 2010(2)： 45- 49．

[5]SANDRYHAILA A， MOURA J M F. Big data analysis with signal processing on graphs： representation and processing of massive data sets with irregular structure [J]. IEEE Signal Processing Magazine， 2014， 31(5)： 80- 90．

[6]符彦青. 广蓄B厂调相压水周期过长探讨及改进[J]. 水电自动化与大坝监测， 2011， 35(4)： 45- 46， 49．

[7]董振海. MATLAB编译程序和外部接口[M]. 北京： 国防工业出版社， 2010．

[8]张勇军， 张豪. 数字仿真工具在《电力系统分析》教学的应用[J]. 电力系统及其自动化学报， 2012， 24(4)： 157- 160．

[9]HAZEL B， BEDWANI J L， LAROCHE Y， et al. Robotic refurbishment of a spherical valve[C]∥2012 2nd International Conference on Applied Robotics for the Power Industry (CARPI)， ETH Zurich： Switzerland， 2012： 33- 38．

(责任编辑 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

张豪(1987—)，男，广西藤县人，硕士，主要从事大型抽水蓄能电厂运行维护工作．

TM622

A

0559- 9342(2016)09- 0075- 04