針對甩負荷工況的DEH調速功能診斷方法及系統與流程

2023-05-13 13:35:46

本發明屬於發電領域，尤其涉及一種針對甩負荷工況的deh調速功能診斷方法及系統。

背景技術：

當今電網規模日趨龐大和電力消費複雜多變的情形，導致電力系統存在著各種擾動，而且惡劣的氣候變化和自然災害的頻發，使得汽輪發電機組運行過程中經常面臨發生甩負荷情況。快速甩負荷是最惡劣的一種工況，它涉及機、爐、電所有系統，對機組的衝擊很大並直接危害到機組的安全穩定運行。

對汽輪發電機組運行來說，最關鍵的是確保甩負荷後機組轉速快速穩定到額定轉速，避免轉速飛升導致汽輪機跳閘。

deh(即汽輪機數字電液控制系統(digitalelectrichydrauliccontrolsystem)，簡稱數字電調，是dcs的重要組成部分)是管理和控制大型汽輪機運行的核心。其負荷-轉速控制部分的工作狀態和動態性能直接影響著整個機組的正常運行，尤其是deh在機組甩負荷狀態下的工作過程和控制品質更為人們所關注。在實際運行的機組上不可能進行大規模、大擾動、多工況、多種參數匹配的試驗。而且deh邏輯迴路和硬迴路非常複雜繁瑣，往往通過常規仿真故障點不易被發現。近年來甩負荷試驗出現的問題很多，如opc迴路二極體擊穿導致電磁閥不動作、opc時轉速pid不跟蹤導致opc復位後調閥開度過大超速、opc發生後調閥指令切零存在速率、deh控制模式不自動切換，導致中調門指令始終置全開等種種隱蔽性強的問題，很有必要對這些經驗教訓總結提鍊形成一套較完備並持續升級的診斷系統，通過對機組deh調速功能的預診斷，可更有效全面反映出機組甩負荷工況下汽輪機deh轉速控制情況。

目前國內外研究主要是對汽輪機的油動機建立數學模型，蒸汽容積效應建立數學模型，再根據機組併網運行時的控制迴路推算出機組甩負荷的數學模型，在matlab等工具下模擬汽輪機發生甩負荷事故後，汽輪機閥門的關閉時間，汽輪機轉速飛升速率及預估值。

國內電廠deh轉速仿真信號普遍是通過對汽機調門開度信號進行一階慣性、速率、線性化環節簡單運算得出。這種仿真模型在模擬甩負荷工況方面精確度較差，和實際工況差距很大，deh調速性能無法得到最大考驗。

如圖1傳統的針對甩負荷工況的deh調速功能診斷方法的流程為：deh混合仿真至滿負荷，甩負荷仿真試驗開始，deh仿真邏輯執行，當汽輪機仿真轉速為n時，手動調取歷史趨勢，觀察仿真轉速最大飛升值，最後得到診斷結論。其中，deh仿真邏輯如圖2所示，其表達式為：

其中，n表示汽輪機的轉速；fh表示高調門反饋量；fi表示中調門反饋量；t1和t2分別表示一階慣性採樣時間係數；k1、k2和k3表示分別比例常係數。

但是，傳統控制方案存在以下不足：

(1)傳統汽輪機轉速仿真邏輯中，流量的計算直接用調門開度代替，沒有考慮調門流量特性的因素，導致進汽流量環節的計算線性很差。

(2)傳統轉速仿真邏輯為開環迴路，沒有考慮鼓風摩擦和軸承機械摩擦損失負反饋作用。

(3)轉速通過對進汽流量一階慣性、比例環節簡單運算得出，計算出的轉速與實際甩負荷轉速飛升曲線差距較大，不能滿足自動診斷系統對轉速仿真的要求。

(4)傳統deh甩負荷仿真試驗不能實現deh甩負荷仿真試驗後的特徵數據自動採集和自動處理。不能實現deh甩負荷仿真試驗後的全方位(包括deh電氣軟體、電氣硬體和液壓部分)自動診斷，這樣可能使某些隱患繼續隱藏，時刻威脅機組安全運行。

技術實現要素：

為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種針對甩負荷工況的deh調速功能診斷系統，其實現了deh甩負荷仿真試驗後的全方位(包括deh電氣軟體、電氣硬體和液壓部分)自動診斷，並自動給出診斷結果和處理建議，實現對deh深層次、無死角隱患查找，保障機組安全運行。

本發明的一種針對甩負荷工況的deh調速功能診斷方法，包括：

步驟1：deh混合仿真至滿負荷後，斷開併網開關，開始甩負荷仿真試驗，deh轉速仿真邏輯模塊對輸入的高壓調門反饋和中壓調門反饋進行運算，並輸出汽輪機的仿真轉速；

步驟2：飛升曲線特徵數據自動獲取邏輯模塊自動採集汽輪機的仿真轉速，自動捕獲飛升曲線的特徵數據；同時soe系統自動錄取發變組脫網信號、調門快關指令和調門關到位信號的變位時間，讀取相應時間標籤後，計算出deh電氣響應時間和液壓響應時間；

步驟3：deh調速功能自診斷邏輯模塊接收飛升曲線的特徵數據以及deh電氣響應時間和液壓響應時間，並按照預設的優先級從高到低分級逐級進行deh調速功能診斷，每一級診斷都具有獨立表決權，表決之後其後的診斷級失效，表決結果作為診斷結論，並輸出調速功能異常的關鍵故障點。

進一步的，所述步驟1中的deh轉速仿真邏輯模塊的控制邏輯為：

高調門反饋fbh通過高調門流量特性反函數f1(x)和做功比例k1，計算高壓缸進汽流量fh；中調門反饋fbi通過中調門流量特性反函數f2(x)和做功比例k2，計算中低壓缸進汽流量fi；

高壓缸進汽流量fh和中低壓缸進汽流量fi經加法模塊，得出汽輪機進汽流量f；

汽輪機進汽流量f經一階慣性模塊，計算得出汽輪機功率e；

汽輪機的仿真轉速n經三次方函數和比例k3運算，得出鼓風摩擦損失ld1，仿真轉速經比例k4運算得出軸承機械摩擦損失ld2，ld1和ld2疊加構成汽輪機負荷ld；

汽輪機功率e與汽輪機負荷ld經減法模塊，得出功率-負荷不平衡量；

再經切換模塊判斷，如果判斷條件tr為1即脫網信號且試驗投入，選擇功率-負荷不平衡量輸入積分模塊，否則，選擇0輸入；功率-負荷不平衡量經積分模塊運算，最終得出仿真轉速n；其中，fbh、fbi、k1、k2、k3和k4均為常數；f1(x)和f2(x)均為預設的函數。

在deh轉速仿真邏輯模塊中，對汽輪機調門反饋信號進行流量特性反函數修正，將非線性的反饋信號變為線性的進汽流量信號，提高了汽輪機功率計算的線性度。

進一步的，所述步驟2中飛升曲線特徵數據自動獲取邏輯模塊的控制邏輯為：

試驗投入且發電機脫網後開始執行飛升曲線特徵數據自動獲取邏輯模塊中的控制邏輯；

選取汽輪機轉速的峰值p，然後把峰值輸入第一微分模塊，判斷第一微分運算值是否等於0且保持預設時間，若是，則取汽輪機轉速的谷值b，然後把谷值輸入第二微分模塊，判斷第二運算值是否等於0且保持預設時間，若是，置周期計數器np為1，並將波峰波谷值分別寄存到p1、b1中，直到周期計數器np達到預設的最大周期，則運算結束；

根據獲取的甩負荷飛升曲線的波峰和波谷值，計算調速衰減率和穩態最大波動值；

將發變組脫網信號、調門快關指令和調門關到位信號接入soe系統，甩負荷仿真試驗後調取soe數據，發變組脫網信號、調門快關指令、調門關到位變位時間分別為：to、tf、tc，計算deh電氣響應時間te＝tf-to，液壓響應時間th＝tc–tf。

進一步的，在所述步驟3中的deh調速功能自診斷邏輯模塊的控制邏輯為：

按照優先級從高到低共設置五個診斷級，分別為第一診斷級～第五診斷級；

第一診斷級為判斷deh電氣響應時間是否大於預設deh電氣響應時間閾值；

第二診斷級為判斷液壓響應時間是否大於預設液壓響應時間閾值；

第三診斷級為判斷汽輪機轉速是否大於預設轉速閾值；

第四診斷級為判斷調速衰減是否大於預設調速衰減閾值；

第五診斷級為判斷穩態最大波動值是否大於預設穩態最大波動值閾值。

進一步的，在第一診斷級過程中，若deh電氣響應時間大於預設deh電氣響應時間閾值，則診斷為deh超速控制硬迴路異常；否則，進入第二診斷級。

進一步的，在第二診斷級過程中，若液壓響應時間大於預設液壓響應時間閾值，則診斷為deh超速控制液壓迴路異常；否則，進入第三診斷級。

進一步的，在第三診斷級過程中，若汽輪機轉速大於預設轉速閾值，則診斷為deh超速控制軟迴路異常；否則，進入第四診斷級。

進一步的，在第四診斷級過程中，若調速衰減大於預設調速衰減閾值，則診斷為調速pid控制參數異常；否則，進入第五診斷級。

進一步的，在第五診斷級過程中，若穩態最大波動值大於預設穩態最大波動值閾值，則診斷為deh轉速控制穩態偏差大，pid參數需要優化；否則，給出調速功能正常的結論，表示deh系統具備甩負荷熱態試驗的條件。

本發明還提供了一種針對甩負荷工況的deh調速功能診斷系統。

本發明的針對甩負荷工況的deh調速功能診斷系統，採用上述所述的針對甩負荷工況的deh調速功能診斷方法來實現。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

(1)汽輪機轉速仿真邏輯中，對汽輪機調門反饋信號進行流量特性反函數修正，將不線性的反饋信號變為線性的進汽流量信號，提高了汽輪機功率計算的線性度。

(2)本發明將各部分餘汽容積綜合計算，等效為一個一階慣性環節，簡化了仿真模型，這樣就可根據以往同等級容量機組實測甩負荷曲線計算餘汽容積時間常數t1，減小了計算誤差，可仿真出更接近實際的標準甩負荷轉速飛升曲線。負荷計算中量化配比鼓風摩擦和軸承機械摩擦損失。

(3)本發明採用基於汽輪機功率-負荷不平衡量計算的汽輪機轉速仿真邏輯，用一個積分環節模擬汽輪機對功率和負荷偏差的響應，極大提高了轉速仿真的精確度。

(4)本發明實現deh甩負荷仿真試驗後的特徵數據自動採集和自動處理。實現deh甩負荷仿真試驗後的全方位(包括deh電氣軟體、電氣硬體和液壓部分)自動診斷，並自動給出診斷結果和處理建議，實現對deh深層次、無死角隱患查找，保障機組安全運行。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。

圖1是傳統的針對甩負荷工況的deh調速功能診斷方法流程圖。

圖2是傳統的針對甩負荷工況的deh調速功能診斷系統的deh仿真邏輯圖。

圖3是本發明的針對甩負荷工況的deh調速功能診斷方法流程圖。

圖4是本發明的脫網狀態下汽輪機轉速仿真邏輯圖。

圖5是本發明的飛升曲線特徵數據自動獲取邏輯框圖。

圖6(a)是本發明的一個周期的汽輪機轉速峰值和谷值獲取邏輯圖。

圖6(b)是本發明的周期計數邏輯圖。

圖6(c)是本發明的第一個周期的汽輪機轉速峰值和谷值存儲邏輯圖。

圖6(d)是本發明的第二個周期的汽輪機轉速峰值和谷值存儲邏輯圖。

圖6(e)是本發明的第三個周期的汽輪機轉速峰值和谷值存儲邏輯圖。

圖6(f)是本發明的第四個周期的汽輪機轉速峰值和谷值存儲邏輯圖。

圖7是本發明的調速功能自診斷邏輯圖。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

本發明涉及一種針對甩負荷工況的deh調速功能診斷方法，在原診斷方法的基礎上進行改進，主要包含三個部分：轉速仿真邏輯、轉速飛升曲線特徵數據自動獲取邏輯、deh調速功能自診斷邏輯。

如圖3所示，本發明的一種針對甩負荷工況的deh調速功能診斷方法，包括：

步驟1：deh混合仿真至滿負荷後，斷開併網開關，開始甩負荷仿真試驗，deh轉速仿真邏輯模塊對輸入的高壓調門反饋和中壓調門反饋進行運算，並輸出汽輪機的仿真轉速；

步驟2：飛升曲線特徵數據自動獲取邏輯模塊自動採集汽輪機的仿真轉速，自動捕獲飛升曲線的特徵數據；同時soe系統自動錄取發變組脫網信號、調門快關指令和調門關到位信號的變位時間，讀取相應時間標籤後，計算出deh電氣響應時間和液壓響應時間；

步驟3：deh調速功能自診斷邏輯模塊接收飛升曲線的特徵數據以及deh電氣響應時間和液壓響應時間，並按照預設的優先級從高到低分級逐級進行deh調速功能診斷，每一級診斷都具有獨立表決權，表決之後其後的診斷級失效，表決結果作為診斷結論，並輸出調速功能異常的關鍵故障點。

下面結合附圖與實例進一步說明如下。

1、轉速仿真邏輯

如圖4所示，高調門反饋fbh通過高調門流量特性反函數f1(x)和做功比例k1計算高壓缸進汽流量fh，中調門反饋fbi通過高調門流量特性反函數f2(x)和做功比例k2計算中低壓缸進汽流量fi。高壓缸進汽流量fh和中低壓缸進汽流量fi經加法模塊得出汽輪機進汽流量f。汽輪機進汽流量f經一階慣性模塊(餘汽容積環節)計算得出汽輪機功率e。

仿真轉速n經三次方函數和比例k3運算得出鼓風摩擦損失ld1，仿真轉速經比例k4運算得出軸承機械摩擦損失ld2。ld1和ld2疊加後生成汽輪機負荷ld。

汽輪機功率e、汽輪機負荷ld經減法模塊得出功率-負荷不平衡量。經切換模塊判斷，如果判斷條件tr(脫網信號且試驗投入)為1，選擇功率-負荷不平衡量輸入積分塊；tr為0，選擇0輸入。功率-負荷不平衡量經積分塊運算最終得出仿真轉速n。

仿真邏輯相關參數計算方法：

仿真邏輯相關參數計算方法以某350mw機組甩負荷實測曲線為實例說明，下面是計算過程，進氣流量f、功率e和負荷ld的量綱統一為0-100標準量，轉換公式為：工程量＝(標準量/100)*額定值。

(a)汽輪機進汽流量的計算

進汽流量在用調門開度計算的基礎上，採用調門流量特性反函數修正，具體公式如下：

總流量f＝高壓缸功率fh+中低壓缸功率fi；

高壓缸和中低壓缸功率比例按1:3計算。

高調門反饋fbh通過高調門流量特性反函數計算流量指令：fdem＝f1(fbh)。

高壓缸功率fh＝fdem*0.75。

中調門反饋fbi通過中調門流量特性反函數計算流量指令：fdem＝f2(fbi)。

中壓缸功率fi＝fdem*0.25。

(b)汽輪機負荷的計算

汽輪機轉子旋轉阻力包括轉子葉片鼓風摩擦作用和軸承機械摩擦阻力，產生功率損失成為汽輪機負荷的一部分。鼓風摩擦：ld1＝k3*n^3，軸承機械摩擦：ld2＝k4*n。

k3、k4計算方法：轉速在3000±300變化時，k3、k4變化較小。為簡化計算，取3100轉為計算參考點，計算出的數值適用3000±300轉速變化範圍。

3100轉左右的功率損失可根據實測轉速飛升曲線算出，轉速由最大飛升轉速開始降速，降速曲線接近線性。此時的加速度基本為恆定值a2，根據降速曲線算出3100左右的汽輪機負荷標準量為ld＝a2/a0。由於高轉速時，葉片鼓風摩擦作用遠大於軸承機械摩擦阻力，ld1≈5*ld2。這樣可以計算出k3、k4。

a0和a2的算法，由飛升曲線錄波數據得出：發電機脫網後第一個採樣周期轉速為n0，n1，採樣時間t，轉子最大飛升加速度a0＝(n1-n0)/t。

在轉速飛升後的降速曲線錄波數據中，在3100轉左右選取兩個取樣點，n1，n2，時間間隔t，計算降速率a2＝(n1-n2)/t

算例：在轉速飛升後的降速曲線錄波數據中，在3100轉左右選取兩個取樣點，n1＝3106.6，n2＝3100.9，時間間隔t＝2s，計算降速率a2＝(n1-n2)/t＝2.85，得出3100轉時的汽輪機負荷為ld3100＝(a2/a0)*100＝(2.85/285)x100＝1。ld＝6*ld2＝6*k5*3100＝1，k5＝5.4e-5。

ld＝1.2ld1＝1.2*k4*31003＝1，k4＝2.8e-11。

(c)汽輪機功率計算

調門關閉後汽輪機內的餘汽容積導致轉速仍有一段飛升，將各部分餘汽容積綜合計算，等效為一個一階慣性環節。汽輪機進汽流量經餘汽容積環節計算得出汽輪機功率。對調門關閉後純容積環節分析，調門全關時的功率變化率ve，轉速加速度的變化率va，轉速加速度為a1，由實際飛升曲線可以算出轉速加速度a1和轉速加速度變化率va。因為ve＝k*va，由此可算出餘汽容積時間常數t1＝a1/va。

a1和va的算法，由飛升曲線錄波數據得出:調門全關時第一個採樣周期轉速為n0，依次為n1、n2、n3，採樣周期為t

計算加速度a1＝(n1-n0)/t，a11＝(n2-n1)/t

計算加速度變化率va＝(a1-a11)/t

算例：由飛升曲線錄波數據得出:調門全關時第一個採樣周期轉速為n0＝3083.99，依次為n1＝3097.18、n2＝3107.8、n3＝3115.46，採樣周期為t＝100ms

計算加速度a1＝(n1-n0)/t＝131.86，a2＝(n2-n1)/t＝106.29

計算加速度變化率va＝(a2-a1)/t＝255.8

餘汽容積時間常數t1＝a1/va＝0.51s

(d)轉速計算

功率-負荷不平衡量與轉速加速度成正比，將汽輪機功率與負荷的差值經積分環節計算得出汽輪機轉速。在功率和負荷差值達100％額定負荷時，轉子最大飛升加速度a0，算出積分時間常數t2＝100/a0。

算例：由飛升曲線錄波數據得出：發電機脫網後第一個採樣周期轉速為n0＝2999.8，n1＝3028.3，採樣時間t＝100ms，轉子最大飛升加速度a0＝(n1-n0)/t＝28.5/0.1＝285

算出積分時間t2＝100/a0＝0.35s。

2、飛升曲線特徵數據自動獲取邏輯

圖5為飛升曲線特徵數據自動獲取邏輯框圖。圖6(a)-圖6(f)為具體的邏輯圖，說明如下：

如圖6(a)所示，試驗投入並且發電機脫網後邏輯開始執行，汽輪機轉速輸入取峰值p運算程序，然後把峰值輸入微分運算程序，微分運算值經是否等於0判斷，輸入接通延時模塊，接通延時模塊如果為1，將轉速輸入取谷值b運算程序，然後把谷值輸入微分運算程序，微分運算值經是否等於0判斷，輸入接通延時模塊，接通延時模塊如果為1，置周期計數器np為1，並將波峰波谷值分別寄存到p1、b1中。周期計數器np經是否等於4判斷，之後邏輯重複執行，開始第二周期運算，直到第四周期運算結束，如圖6(b)。

通過圖6(c)-圖6(f)分別為第一個周期的汽輪機轉速峰值和谷值存儲邏輯圖～第四個周期的汽輪機轉速峰值和谷值存儲邏輯圖。本發明獲取甩負荷飛升曲線四個周期的波峰(p1-p4)、波谷值(b1-b4)。計算調速衰減率ar＝(p2-p3)/(p2-3000)，穩態最大波動值sw＝p4-b4。

將發變組脫網信號、調門快關指令、調門關到位信號接入soe系統，實現方便、準確測取電氣、液壓延遲時間。甩負荷仿真試驗後調取soe數據，發變組脫網信號、調門快關指令、調門關到位變位時間分別為：to、tf、tc。計算deh電氣響應時間te＝tf-to，液壓響應時間th＝tc–tf。

3、調速功能自診斷方案

甩負荷轉速飛升曲線特徵數據獲取後，用圖7的調速功能自診斷邏輯對甩負荷後的deh調速功能全方位自動診斷。自診斷邏輯採用按優先級分級診斷，共有五個診斷級，從上到下優先級逐級降低。高優先級診斷是低優先級診斷的基礎，每一級診斷都具有獨立表決權，表決之後其後的診斷級失效。表決結果作為診斷結論，指出調速功能異常的關鍵故障點。如果程序通過五級診斷，給出調速功能正常的結論，表示deh系統具備甩負荷熱態試驗的條件。

例如：

如圖7所示，飛升曲線特徵數據自動獲取邏輯執行結束，deh調速功能自診斷邏輯開始執行第一級診斷塊。通過判斷電氣響應時間te是否大於100ms，如果大於，診斷為deh超速控制硬迴路異常，重點檢查deh控制機櫃內硬迴路是否存在故障；如果小於，進入第二級診斷塊。

通過判斷液壓響應時間th是否大於500ms，如果大於，診斷為deh超速控制液壓迴路異常，重點檢查就地液壓部件是否存在故障；如果小於，進入第三級診斷塊。

通過判斷轉速是否大於或等於3090，如果大於，診斷為deh超速控制軟迴路異常，重點檢查超速控制邏輯是否存在錯誤，如調門快關指令發出後pid指令是否快速跟蹤到零；如果小於，進入第四級診斷塊。

通過判斷衰減率ar是否小於0.25，如果小於，診斷為調速pid控制參數異常，重點檢查pid的比例是否合適；如果大於0.25(說明控制系統穩定，參數基本合適，需下一級診斷是否需要細調)，進入第五級診斷塊。

通過判斷穩態最大波動值sw是否大於5轉，如果大於，診斷為deh轉速控制穩態偏差大，pid參數需要優化，重點檢查調速pid的積分是否設置合適；如果小於，給出調速功能正常的結論，表示deh系統具備甩負荷熱態試驗的條件。

本發明實現deh甩負荷仿真試驗後的特徵數據自動採集和自動處理。實現deh甩負荷仿真試驗後的全方位(包括deh電氣軟體、電氣硬體和液壓部分)自動診斷，並自動給出診斷結果和處理建議，實現對deh深層次、無死角隱患查找，保障機組安全運行。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。