一种基于知识库的蓄能机组启停流程故障分析平台

黄中杰

（南方电网调峰调频发电公司广州蓄能水电厂，广东省广州市 510950）

0 引言

目前，我国抽水蓄能电站建设进入了一个高速发展的时期。抽水蓄能机组在电力系统中承担着调峰、调频、调相、事故备用及吸收多余电能等多种任务，是目前电网最重要的储能和调峰调频环节。抽水蓄能机组在启停过程中最容易出现故障，且表现出的故障形式多种多样，故障机理过程也十分复杂。

目前国内外的蓄能机组故障诊断技术主要为基于设备故障树的匹配诊断方法，形式单一、功能简单，不能适应目前抽水蓄能机组多种工况转换，流程复杂且故障多发的应用现状。通过研究发现，国内外对蓄能机组在线监测和分析诊断方面的研究主要缺点在于：①集中在状态监测系统的开发集成和故障的诊断方法上，目前的研究成果还不能满足现场需求；②电厂现有系统大多仍以图表曲线显示、讯号或指示报警等为主，由于对报警值的设定缺乏科学性，使得系统无法做到准确异常或故障判断，对于故障诊断还是需要技术人员或专家分析来得出最终结果；③有些系统虽具有故障诊断功能，但达不到实用的水平；④在设备状态检修方面，直接依靠在线监测系统的功能来决定机组检修，目前的水平还满足不了要求，仍以提供技术支持为主。

1 功能设计

本平台通过开发启停流程知识库，完成流程相关特征信息的规则编写。开停机知识库包括：机组各工况流程步跨步条件（对应实际设备状态点）；机组各工况流程步正常执行时间和超时时间；机组正常开停机时间；重要设备开合时间间隔；热工保护测定状态等。

根据知识库制定相关规则，完成对应故障分析算法，最终实现基于知识库的蓄能机组启停流程故障分析平台。该平台主要功能一是流程状态识别，判定机组启停状态是否正常，提供机组健康状态评估和故障预警，避免和预防故障的发生；二是故障预测，预测机组启停状态的相关设备发展趋势，提供设备性能评估与预测，快速定位异常设备，为制定合理的检维修决策提供技术保障，使维修工作目的明确、方法科学、时间缩短，对保障机组的安全可靠运行及获取更大的经济效益和社会效益，具有重大意义。

2 基于知识库的蓄能机组启停流程故障分析平台

2.1 系统架构

图1为基于知识库的蓄能机组启停流程故障分析平台的示意图，表明该系统平台的结构原理和各个部分之间的架构和流程传递关系。

图1 系统架构图Fig．1 System Architecture

2.2 静态结构特征

本系统主要包括知识库管理模块、算法模块、后台处理模块、用户界面和抽水蓄能机组监控系统上位机（含主计算机、数据库计算机、工程师站、操作员站和远动装置及其搭设网络）。

故障分析的前提条件是要有一定数量的能反映故障信息的故障特征形成的知识库。蓄能机组在启停过程中出现异常，会引起一些物理参数的变化，比如出现某些异常会引起异常噪声、振动加剧等现象，此时监测到的振动、噪声等物理参数就会发生变化。将表征机组运行状态的设备参数称为特征参数，特征参数的信息条目称为特征信息。特征信息一般来源于对运行设备的状态监测（在线监测和离线监测），按其监测对象可分为电流、电压、功率等的电气参数，振动、行程、位移、导叶开度、间隙等的机械参数，水位、流量、压力等的水力参数，应力应变等的力学参数，瓦温、油温、绕组温度等的热量参数等。同时，特征信息也包括不同流程中不同流程步的信息。

知识库规则范式如下：

（1）流程步。

各字段含义为：

U：机组。标明该条规则对应的机组。

O：工况信息。标明该条规则对应的工况。

S：流程步。标明该条规则对应工况的流程第几步。

Time：流程步时间。标明该条规则对应流程步执行完所需的常规时间。

Regulation：修正值。由系统自动生成并更新修正值，不需要管理人员填写。

Manual：人工调整值。为绝对值百分比，空值默认为0。

（2）特征标准前缀。

各字段含义为：

U：机组。标明该条规则对应的机组。

O：工况信息。标明该条规则对应的工况。

S：流程步。标明该条规则对应工况的流程第几步。

T：跳闸标识。标明该条规则是否表明机组跳闸。

A/D：模/数标识。标明该条规则对应的是模拟量或开关量特征信息，针对不同情况会连接模拟量后缀或开关量后缀。

Message：特征信息。与监控系统中的数据库条目匹配。

以上字段均通过管理人员填写，不能为空。

（3）模拟量后缀。

Interval：区间值。标明监视时间区间，非空。

Edge：跳变值。标明跳变幅度，非空。

Regulation：修正值。由系统自动生成并更新修正值，不需要管理人员填写。

Manual：人工调整值。为绝对值百分比，空值默认为0。

（4）开关量后缀。

P Edge：从0到1变位区间值。标明监视时间区间，空值说明不分析。

N Edge：从1到0变位区间值。标明监视时间区间，空值说明不分析。

P Count：从0到1变位次数。标明设备从分位到合位动作次数，空值说明不分析。

N Count：从1到0变位次数。标明设备从分位到合位动作次数，空值说明不分析。

（注：以上4个字段至少有1个字段不为空值）

Regulation：修正值。由系统自动生成并更新修正值，不需要管理人员填写。

Manual：人工调整值。为绝对值百分比，空值默认为0。

知识库管理模块通过提供管理接口，完成规则编写制定。同时，允许管理人员对知识库进行参数设定，备份及恢复等管理操作。

算法模块提取对应的规则，对蓄能机组启停流程实施分析，对故障进行报警，并对异常情况进行报警。同时，将该次流程成功执行结束后的相关信息进行计算，更新对应规则的修正值。

后台处理模块对监控系统上位机的一览表信息进行调用，对数据查询进行优化，并将特征信息与算法模块进行交互。

用户界面即用户访问和操作该平台系统的人机接口，提供用户输入查询、参数设定和数据输出相关界面。

抽水蓄能机组监控系统上位机，包括主计算机、数据库计算机、工程师站、操作员站和远动装置及其搭设网络。监控系统上位机具备实时控制和调节抽水蓄能机组功能，负责抽水蓄能机组实时数据采集与处理，能够提供全面的事件记录和曲线记录，为事故原因查找和关键设备变化趋势分析提供很好的工具。同时，对其所监视设备的状态实时监控，若有异常则及时进行报警，以告知值班人员或维护人员。监控系统上位机发送实时数据至后台处理模块，确保本系统的实用性、实时性和可靠性。

2.3 动态结构特征

本系统具备流程分析、模拟量特征分析、开关量特征分析、智能调节等功能。流程分析功能对不同工况流程的每一步进行分析，对跳闸信号进行报警并锁定跳闸时刻流程状态和设备状态，同时对异常的流程执行时间进行提示。该功能相关信息如下：

（1）机组进入某一个启停工况流程的第一步。

（2）监测是否有跳闸信号。若有，则发出报警并锁定当前时刻的流程状态和设备状态；若无，则等待流程步执行完毕。

（3）监测流程是否超时。若超时，则发出报警并锁定当前时刻的流程状态和设备状态；若未超时，则记录并显示本次流程步所用时间。

（4）根据本次流程步所用时间，比对流程步预设时间。若超过预设时间则发出提示。同时，根据所用时间自动计算流程步时间的修正值，更新预设时间。

（5）进入流程第二步，重复（2）～（4）步内容，直到所有流程步结束，工况转换完成。

若出现跳闸信号或流程超时锁定状态，需要手动复归流程画面。

相关步骤如图2所示。

图2 流程分析功能流程图Fig．2 Steps of Process Analysis Function

模拟量特征分析功能对不同工况流程的每一步中的模拟量特征进行分析，对信号在特定时间区间内的异常跳变情况进行提示。该功能相关信息如下：

（1）机组进入某一个启停工况流程的第一步。

（2）监测对应模拟量特征的数值，直到该步结束。

（3）是否匹配知识库内规则（Interval和Edge字段匹配）。若匹配，则继续监测直到该步结束；若不匹配，则发出提示。

（4）若有多条规则，则依次进行匹配处理。

（5）该流程步结束后，若未发生规则不匹配的情况，则根据本次流程步情况更新规则的修正值。

（6）进入流程第二步，重复（2）～（5）步内容，直到所有流程步结束，工况转换完成。

相关步骤如图3所示。

开关量特征分析功能对不同工况流程的每一步中的开关量特征进行分析，对信号在特定时间区间内的变位情况以及流程步过程中的变位次数异常情况进行提示。该功能相关信息如下：

图3 模拟量特征分析功能流程图Fig．3 Steps of Analog Signal Features Analysis Function

（1）机组进入某一个启停工况流程的第一步。

（2）监测对应开关量特征的变位时间和变位信息，直到该步结束。

（3）是否匹配知识库内规则（P Edge、N Edge、P Count和N Count字段匹配）。若匹配，则继续监测直到该步结束；若不匹配，则发出提示。

（4）若有多条规则，则依次进行匹配处理。

（5）该流程步结束后，若未发生规则不匹配的情况，则根据本次流程步情况更新规则的修正值。

（6）进入流程第二步，重复（2）～（5）步内容，直到所有流程步结束，工况转换完成。

相关步骤如图4所示。

智能调节功能完成规则修正值实时自动计算，对不同机组、不同流程、不同规则进行差异化管理，使规则更匹配机组启停流程的实际情况。该功能相关信息如下：

（1）机组进入某一个启停工况流程的第一步。

（2）该流程步正常执行结束后，根据流程步实际执行时间，实时计算并更新知识库规则的修正值。

（3）该流程步正常执行结束后，根据模拟量特征的实际监测情况，实时计算并更新知识库规则的修正值。

图4 开关量特征分析功能流程图Fig．4 Steps of Digital Signal Features Analysis Function

（4）该流程步正常执行结束后，根据开关量特征的实际监测情况，实时计算并更新知识库规则的修正值。

（5）进入流程第二步，重复（2）～（5）步内容，直到所有流程步结束，工况转换完成。

相关算法为：

（1）流程时间修正。

1）流程步预设时间TS=[（Time+Regulation）×（1-Manual），（Time+Regulation）×（1+Manual）]

2）其中，修正值计算方法为：

Regulation=（流程步实际用时TA-Time）/采样值n

3）采样值n为管理人员设定参数，一般取100。

4）Manual为人工调整值（百分比），默认为0，设值为绝对值。

（2）模拟量特征修正。

1）规则匹配方法：

时 间 区 间 [（Interval+Regulation1）×（1-Manual），（Interval+Regulation1）×（1+Manual）]

&&

跳变区间 [（Edge+Regulation2）×（1-Manual），（Edge+Regulation2）×（1+Manual）]

内进行匹配

2）修正值计算方法为：

Regulation1=[（模拟量特征变化实际用时IA/模拟量特征跳变实际幅度EA-Interval/Edge）×Edge]/采样值n

Regulation2=[（模拟量特征跳变实际幅度EA模拟量特征变化实际用时IA-Edge/Interval）×Interval]/采样值n

3）采样值n为管理人员设定参数，一般取100。

4）Manual为人工调整值（百分比），默认为0，设值为绝对值。

（3）开关量特征修正。

1）规则匹配方法：

从0到1变位时间区间[（P Edge+Regulation1）×（1-Manual），（P Edge +Regulation1）×（1+Manual）]

从1到0变位时间区间[（N Edge+Regulation2）×（1-Manual），（N Edge +Regulation2）×（1+Manual）]

从0到1变位次数区间[（P Count+Regulation3）×（1-Manual），（P Count +Regulation3）×（1+Manual）]

从1到0变位次数区间[（N Count+ Regulation4）×（1-Manual），（N Count +Regulation4）×（1+Manual）]

2）修正值计算方法为：

Regulation1=（开关量特征变位实际用时PT-P Edge）/采样值n

Regulation2=（开关量特征变位实际用时NT-N Edge）/采样值n

Regulation3=（开关量特征实际变位次数PC-P Count）/采样值n

Regulation4=（开关量特征实际变位次数NC-N Count）/采样值n

3）采样值n为管理人员设定参数，一般取100。

4）Manual为人工调整值（百分比），默认为0，设值为绝对值。

3 结束语

本平台系统根据知识库制定相关规则，完成对应故障分析算法，最终实现基于知识库的蓄能机组启停流程故障分析平台。其优点为∶

（1）直接监测各工况启停流程每一步运行情况，以及相关设备动作情况及跨步条件满足情况。通过知识库将各工况中每一个流程步信息及设备情况编写规则，对流程跨步实际时间进行监视并修正规则。同时，将每一步跨步条件所需设备情况进行汇总，当发生流程超时事件时即可快速定位故障，并记录故障时刻各设备状态。

（2）根据知识库的规则条目，匹配设备特征，自动诊断流程过程中该设备情况是否异常。既能进行设备实施故障监视，又能对异常动作的设备进行诊断报警。

（3）通过人为设定调整值，增加分析诊断裕度，能根据现场情况进行各机组快速调节。系统根据实际运行情况生成并更新修正值，对知识库规则进行二次修正，使得更接近机组实际运行情况。采用双重调整修正的方法，使得知识库规则更接近机组实际启停情况，又能增加智能管理手段。

（4）技术成果可在一定程度上配合预防性检修和状态检修的开展，并可在其他抽水蓄能电站和常规电站推广。

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