针对甩负荷工况的DEH调速功能诊断方法及系统与流程

本发明属于发电领域，尤其涉及一种针对甩负荷工况的deh调速功能诊断方法及系统。

背景技术：

当今电网规模日趋庞大和电力消费复杂多变的情形，导致电力系统存在着各种扰动，而且恶劣的气候变化和自然灾害的频发，使得汽轮发电机组运行过程中经常面临发生甩负荷情况。快速甩负荷是最恶劣的一种工况，它涉及机、炉、电所有系统，对机组的冲击很大并直接危害到机组的安全稳定运行。

对汽轮发电机组运行来说，最关键的是确保甩负荷后机组转速快速稳定到额定转速，避免转速飞升导致汽轮机跳闸。

deh(即汽轮机数字电液控制系统(digitalelectrichydrauliccontrolsystem)，简称数字电调，是dcs的重要组成部分)是管理和控制大型汽轮机运行的核心。其负荷-转速控制部分的工作状态和动态性能直接影响着整个机组的正常运行，尤其是deh在机组甩负荷状态下的工作过程和控制品质更为人们所关注。在实际运行的机组上不可能进行大规模、大扰动、多工况、多种参数匹配的试验。而且deh逻辑回路和硬回路非常复杂繁琐，往往通过常规仿真故障点不易被发现。近年来甩负荷试验出现的问题很多，如opc回路二极管击穿导致电磁阀不动作、opc时转速pid不跟踪导致opc复位后调阀开度过大超速、opc发生后调阀指令切零存在速率、deh控制模式不自动切换，导致中调门指令始终置全开等种种隐蔽性强的问题，很有必要对这些经验教训总结提炼形成一套较完备并持续升级的诊断系统，通过对机组deh调速功能的预诊断，可更有效全面反映出机组甩负荷工况下汽轮机deh转速控制情况。

目前国内外研究主要是对汽轮机的油动机建立数学模型，蒸汽容积效应建立数学模型，再根据机组并网运行时的控制回路推算出机组甩负荷的数学模型，在matlab等工具下模拟汽轮机发生甩负荷事故后，汽轮机阀门的关闭时间，汽轮机转速飞升速率及预估值。

国内电厂deh转速仿真信号普遍是通过对汽机调门开度信号进行一阶惯性、速率、线性化环节简单运算得出。这种仿真模型在模拟甩负荷工况方面精确度较差，和实际工况差距很大，deh调速性能无法得到最大考验。

如图1传统的针对甩负荷工况的deh调速功能诊断方法的流程为：deh混合仿真至满负荷，甩负荷仿真试验开始，deh仿真逻辑执行，当汽轮机仿真转速为n时，手动调取历史趋势，观察仿真转速最大飞升值，最后得到诊断结论。其中，deh仿真逻辑如图2所示，其表达式为：

其中，n表示汽轮机的转速；fh表示高调门反馈量；fi表示中调门反馈量；t1和t2分别表示一阶惯性采样时间系数；k1、k2和k3表示分别比例常系数。

但是，传统控制方案存在以下不足：

(1)传统汽轮机转速仿真逻辑中，流量的计算直接用调门开度代替，没有考虑调门流量特性的因素，导致进汽流量环节的计算线性很差。

(2)传统转速仿真逻辑为开环回路，没有考虑鼓风摩擦和轴承机械摩擦损失负反馈作用。

(3)转速通过对进汽流量一阶惯性、比例环节简单运算得出，计算出的转速与实际甩负荷转速飞升曲线差距较大，不能满足自动诊断系统对转速仿真的要求。

(4)传统deh甩负荷仿真试验不能实现deh甩负荷仿真试验后的特征数据自动采集和自动处理。不能实现deh甩负荷仿真试验后的全方位(包括deh电气软件、电气硬件和液压部分)自动诊断，这样可能使某些隐患继续隐藏，时刻威胁机组安全运行。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种针对甩负荷工况的deh调速功能诊断系统，其实现了deh甩负荷仿真试验后的全方位(包括deh电气软件、电气硬件和液压部分)自动诊断，并自动给出诊断结果和处理建议，实现对deh深层次、无死角隐患查找，保障机组安全运行。

本发明的一种针对甩负荷工况的deh调速功能诊断方法，包括：

步骤1：deh混合仿真至满负荷后，断开并网开关，开始甩负荷仿真试验，deh转速仿真逻辑模块对输入的高压调门反馈和中压调门反馈进行运算，并输出汽轮机的仿真转速；

步骤2：飞升曲线特征数据自动获取逻辑模块自动采集汽轮机的仿真转速，自动捕获飞升曲线的特征数据；同时soe系统自动录取发变组脱网信号、调门快关指令和调门关到位信号的变位时间，读取相应时间标签后，计算出deh电气响应时间和液压响应时间；

步骤3：deh调速功能自诊断逻辑模块接收飞升曲线的特征数据以及deh电气响应时间和液压响应时间，并按照预设的优先级从高到低分级逐级进行deh调速功能诊断，每一级诊断都具有独立表决权，表决之后其后的诊断级失效，表决结果作为诊断结论，并输出调速功能异常的关键故障点。

进一步的，所述步骤1中的deh转速仿真逻辑模块的控制逻辑为：

高调门反馈fbh通过高调门流量特性反函数f1(x)和做功比例k1，计算高压缸进汽流量fh；中调门反馈fbi通过中调门流量特性反函数f2(x)和做功比例k2，计算中低压缸进汽流量fi；

高压缸进汽流量fh和中低压缸进汽流量fi经加法模块，得出汽轮机进汽流量f；

汽轮机进汽流量f经一阶惯性模块，计算得出汽轮机功率e；

汽轮机的仿真转速n经三次方函数和比例k3运算，得出鼓风摩擦损失ld1，仿真转速经比例k4运算得出轴承机械摩擦损失ld2，ld1和ld2叠加构成汽轮机负荷ld；

汽轮机功率e与汽轮机负荷ld经减法模块，得出功率-负荷不平衡量；

再经切换模块判断，如果判断条件tr为1即脱网信号且试验投入，选择功率-负荷不平衡量输入积分模块，否则，选择0输入；功率-负荷不平衡量经积分模块运算，最终得出仿真转速n；其中，fbh、fbi、k1、k2、k3和k4均为常数；f1(x)和f2(x)均为预设的函数。

在deh转速仿真逻辑模块中，对汽轮机调门反馈信号进行流量特性反函数修正，将非线性的反馈信号变为线性的进汽流量信号，提高了汽轮机功率计算的线性度。

进一步的，所述步骤2中飞升曲线特征数据自动获取逻辑模块的控制逻辑为：

试验投入且发电机脱网后开始执行飞升曲线特征数据自动获取逻辑模块中的控制逻辑；

选取汽轮机转速的峰值p，然后把峰值输入第一微分模块，判断第一微分运算值是否等于0且保持预设时间，若是，则取汽轮机转速的谷值b，然后把谷值输入第二微分模块，判断第二运算值是否等于0且保持预设时间，若是，置周期计数器np为1，并将波峰波谷值分别寄存到p1、b1中，直到周期计数器np达到预设的最大周期，则运算结束；

根据获取的甩负荷飞升曲线的波峰和波谷值，计算调速衰减率和稳态最大波动值；

将发变组脱网信号、调门快关指令和调门关到位信号接入soe系统，甩负荷仿真试验后调取soe数据，发变组脱网信号、调门快关指令、调门关到位变位时间分别为：to、tf、tc，计算deh电气响应时间te＝tf-to，液压响应时间th＝tc–tf。

进一步的，在所述步骤3中的deh调速功能自诊断逻辑模块的控制逻辑为：

按照优先级从高到低共设置五个诊断级，分别为第一诊断级～第五诊断级；

第一诊断级为判断deh电气响应时间是否大于预设deh电气响应时间阈值；

第二诊断级为判断液压响应时间是否大于预设液压响应时间阈值；

第三诊断级为判断汽轮机转速是否大于预设转速阈值；

第四诊断级为判断调速衰减是否大于预设调速衰减阈值；

第五诊断级为判断稳态最大波动值是否大于预设稳态最大波动值阈值。

进一步的，在第一诊断级过程中，若deh电气响应时间大于预设deh电气响应时间阈值，则诊断为deh超速控制硬回路异常；否则，进入第二诊断级。

进一步的，在第二诊断级过程中，若液压响应时间大于预设液压响应时间阈值，则诊断为deh超速控制液压回路异常；否则，进入第三诊断级。

进一步的，在第三诊断级过程中，若汽轮机转速大于预设转速阈值，则诊断为deh超速控制软回路异常；否则，进入第四诊断级。

进一步的，在第四诊断级过程中，若调速衰减大于预设调速衰减阈值，则诊断为调速pid控制参数异常；否则，进入第五诊断级。

进一步的，在第五诊断级过程中，若稳态最大波动值大于预设稳态最大波动值阈值，则诊断为deh转速控制稳态偏差大，pid参数需要优化；否则，给出调速功能正常的结论，表示deh系统具备甩负荷热态试验的条件。

本发明还提供了一种针对甩负荷工况的deh调速功能诊断系统。

本发明的针对甩负荷工况的deh调速功能诊断系统，采用上述所述的针对甩负荷工况的deh调速功能诊断方法来实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)汽轮机转速仿真逻辑中，对汽轮机调门反馈信号进行流量特性反函数修正，将不线性的反馈信号变为线性的进汽流量信号，提高了汽轮机功率计算的线性度。

(2)本发明将各部分余汽容积综合计算，等效为一个一阶惯性环节，简化了仿真模型，这样就可根据以往同等级容量机组实测甩负荷曲线计算余汽容积时间常数t1，减小了计算误差，可仿真出更接近实际的标准甩负荷转速飞升曲线。负荷计算中量化配比鼓风摩擦和轴承机械摩擦损失。

(3)本发明采用基于汽轮机功率-负荷不平衡量计算的汽轮机转速仿真逻辑，用一个积分环节模拟汽轮机对功率和负荷偏差的响应，极大提高了转速仿真的精确度。

(4)本发明实现deh甩负荷仿真试验后的特征数据自动采集和自动处理。实现deh甩负荷仿真试验后的全方位(包括deh电气软件、电气硬件和液压部分)自动诊断，并自动给出诊断结果和处理建议，实现对deh深层次、无死角隐患查找，保障机组安全运行。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是传统的针对甩负荷工况的deh调速功能诊断方法流程图。

图2是传统的针对甩负荷工况的deh调速功能诊断系统的deh仿真逻辑图。

图3是本发明的针对甩负荷工况的deh调速功能诊断方法流程图。

图4是本发明的脱网状态下汽轮机转速仿真逻辑图。

图5是本发明的飞升曲线特征数据自动获取逻辑框图。

图6(a)是本发明的一个周期的汽轮机转速峰值和谷值获取逻辑图。

图6(b)是本发明的周期计数逻辑图。

图6(c)是本发明的第一个周期的汽轮机转速峰值和谷值存储逻辑图。

图6(d)是本发明的第二个周期的汽轮机转速峰值和谷值存储逻辑图。

图6(e)是本发明的第三个周期的汽轮机转速峰值和谷值存储逻辑图。

图6(f)是本发明的第四个周期的汽轮机转速峰值和谷值存储逻辑图。

图7是本发明的调速功能自诊断逻辑图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明涉及一种针对甩负荷工况的deh调速功能诊断方法，在原诊断方法的基础上进行改进，主要包含三个部分：转速仿真逻辑、转速飞升曲线特征数据自动获取逻辑、deh调速功能自诊断逻辑。

如图3所示，本发明的一种针对甩负荷工况的deh调速功能诊断方法，包括：

步骤1：deh混合仿真至满负荷后，断开并网开关，开始甩负荷仿真试验，deh转速仿真逻辑模块对输入的高压调门反馈和中压调门反馈进行运算，并输出汽轮机的仿真转速；

步骤2：飞升曲线特征数据自动获取逻辑模块自动采集汽轮机的仿真转速，自动捕获飞升曲线的特征数据；同时soe系统自动录取发变组脱网信号、调门快关指令和调门关到位信号的变位时间，读取相应时间标签后，计算出deh电气响应时间和液压响应时间；

步骤3：deh调速功能自诊断逻辑模块接收飞升曲线的特征数据以及deh电气响应时间和液压响应时间，并按照预设的优先级从高到低分级逐级进行deh调速功能诊断，每一级诊断都具有独立表决权，表决之后其后的诊断级失效，表决结果作为诊断结论，并输出调速功能异常的关键故障点。

下面结合附图与实例进一步说明如下。

1、转速仿真逻辑

如图4所示，高调门反馈fbh通过高调门流量特性反函数f1(x)和做功比例k1计算高压缸进汽流量fh，中调门反馈fbi通过高调门流量特性反函数f2(x)和做功比例k2计算中低压缸进汽流量fi。高压缸进汽流量fh和中低压缸进汽流量fi经加法模块得出汽轮机进汽流量f。汽轮机进汽流量f经一阶惯性模块(余汽容积环节)计算得出汽轮机功率e。

仿真转速n经三次方函数和比例k3运算得出鼓风摩擦损失ld1，仿真转速经比例k4运算得出轴承机械摩擦损失ld2。ld1和ld2叠加后生成汽轮机负荷ld。

汽轮机功率e、汽轮机负荷ld经减法模块得出功率-负荷不平衡量。经切换模块判断，如果判断条件tr(脱网信号且试验投入)为1，选择功率-负荷不平衡量输入积分块；tr为0，选择0输入。功率-负荷不平衡量经积分块运算最终得出仿真转速n。

仿真逻辑相关参数计算方法：

仿真逻辑相关参数计算方法以某350mw机组甩负荷实测曲线为实例说明，下面是计算过程，进气流量f、功率e和负荷ld的量纲统一为0-100标准量，转换公式为：工程量＝(标准量/100)*额定值。

(a)汽轮机进汽流量的计算

进汽流量在用调门开度计算的基础上，采用调门流量特性反函数修正，具体公式如下：

总流量f＝高压缸功率fh+中低压缸功率fi；

高压缸和中低压缸功率比例按1:3计算。

高调门反馈fbh通过高调门流量特性反函数计算流量指令：fdem＝f1(fbh)。

高压缸功率fh＝fdem*0.75。

中调门反馈fbi通过中调门流量特性反函数计算流量指令：fdem＝f2(fbi)。

中压缸功率fi＝fdem*0.25。

(b)汽轮机负荷的计算

汽轮机转子旋转阻力包括转子叶片鼓风摩擦作用和轴承机械摩擦阻力，产生功率损失成为汽轮机负荷的一部分。鼓风摩擦：ld1＝k3*n^3，轴承机械摩擦：ld2＝k4*n。

k3、k4计算方法：转速在3000±300变化时，k3、k4变化较小。为简化计算，取3100转为计算参考点，计算出的数值适用3000±300转速变化范围。

3100转左右的功率损失可根据实测转速飞升曲线算出，转速由最大飞升转速开始降速，降速曲线接近线性。此时的加速度基本为恒定值a2，根据降速曲线算出3100左右的汽轮机负荷标准量为ld＝a2/a0。由于高转速时，叶片鼓风摩擦作用远大于轴承机械摩擦阻力，ld1≈5*ld2。这样可以计算出k3、k4。

a0和a2的算法，由飞升曲线录波数据得出：发电机脱网后第一个采样周期转速为n0，n1，采样时间t，转子最大飞升加速度a0＝(n1-n0)/t。

在转速飞升后的降速曲线录波数据中，在3100转左右选取两个取样点，n1，n2，时间间隔t，计算降速率a2＝(n1-n2)/t

算例：在转速飞升后的降速曲线录波数据中，在3100转左右选取两个取样点，n1＝3106.6，n2＝3100.9，时间间隔t＝2s，计算降速率a2＝(n1-n2)/t＝2.85，得出3100转时的汽轮机负荷为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)汽轮机功率计算

调门关闭后汽轮机内的余汽容积导致转速仍有一段飞升，将各部分余汽容积综合计算，等效为一个一阶惯性环节。汽轮机进汽流量经余汽容积环节计算得出汽轮机功率。对调门关闭后纯容积环节分析，调门全关时的功率变化率ve，转速加速度的变化率va，转速加速度为a1，由实际飞升曲线可以算出转速加速度a1和转速加速度变化率va。因为ve＝k*va，由此可算出余汽容积时间常数t1＝a1/va。

a1和va的算法，由飞升曲线录波数据得出:调门全关时第一个采样周期转速为n0，依次为n1、n2、n3，采样周期为t

计算加速度a1＝(n1-n0)/t，a11＝(n2-n1)/t

计算加速度变化率va＝(a1-a11)/t

算例：由飞升曲线录波数据得出:调门全关时第一个采样周期转速为n0＝3083.99，依次为n1＝3097.18、n2＝3107.8、n3＝3115.46，采样周期为t＝100ms

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

计算加速度变化率va＝(a2-a1)/t＝255.8

余汽容积时间常数t1＝a1/va＝0.51s

(d)转速计算

功率-负荷不平衡量与转速加速度成正比，将汽轮机功率与负荷的差值经积分环节计算得出汽轮机转速。在功率和负荷差值达100％额定负荷时，转子最大飞升加速度a0，算出积分时间常数t2＝100/a0。

算例：由飞升曲线录波数据得出：发电机脱网后第一个采样周期转速为n0＝2999.8，n1＝3028.3，采样时间t＝100ms，转子最大飞升加速度a0＝(n1-n0)/t＝28.5/0.1＝285

算出积分时间t2＝100/a0＝0.35s。

2、飞升曲线特征数据自动获取逻辑

图5为飞升曲线特征数据自动获取逻辑框图。图6(a)-图6(f)为具体的逻辑图，说明如下：

如图6(a)所示，试验投入并且发电机脱网后逻辑开始执行，汽轮机转速输入取峰值p运算程序，然后把峰值输入微分运算程序，微分运算值经是否等于0判断，输入接通延时模块，接通延时模块如果为1，将转速输入取谷值b运算程序，然后把谷值输入微分运算程序，微分运算值经是否等于0判断，输入接通延时模块，接通延时模块如果为1，置周期计数器np为1，并将波峰波谷值分别寄存到p1、b1中。周期计数器np经是否等于4判断，之后逻辑重复执行，开始第二周期运算，直到第四周期运算结束，如图6(b)。

通过图6(c)-图6(f)分别为第一个周期的汽轮机转速峰值和谷值存储逻辑图～第四个周期的汽轮机转速峰值和谷值存储逻辑图。本发明获取甩负荷飞升曲线四个周期的波峰(p1-p4)、波谷值(b1-b4)。计算调速衰减率ar＝(p2-p3)/(p2-3000)，稳态最大波动值sw＝p4-b4。

将发变组脱网信号、调门快关指令、调门关到位信号接入soe系统，实现方便、准确测取电气、液压延迟时间。甩负荷仿真试验后调取soe数据，发变组脱网信号、调门快关指令、调门关到位变位时间分别为：to、tf、tc。计算deh电气响应时间te＝tf-to，液压响应时间th＝tc–tf。

3、调速功能自诊断方案

甩负荷转速飞升曲线特征数据获取后，用图7的调速功能自诊断逻辑对甩负荷后的deh调速功能全方位自动诊断。自诊断逻辑采用按优先级分级诊断，共有五个诊断级，从上到下优先级逐级降低。高优先级诊断是低优先级诊断的基础，每一级诊断都具有独立表决权，表决之后其后的诊断级失效。表决结果作为诊断结论，指出调速功能异常的关键故障点。如果程序通过五级诊断，给出调速功能正常的结论，表示deh系统具备甩负荷热态试验的条件。

例如：

如图7所示，飞升曲线特征数据自动获取逻辑执行结束，deh调速功能自诊断逻辑开始执行第一级诊断块。通过判断电气响应时间te是否大于100ms，如果大于，诊断为deh超速控制硬回路异常，重点检查deh控制机柜内硬回路是否存在故障；如果小于，进入第二级诊断块。

通过判断液压响应时间th是否大于500ms，如果大于，诊断为deh超速控制液压回路异常，重点检查就地液压部件是否存在故障；如果小于，进入第三级诊断块。

通过判断转速是否大于或等于3090，如果大于，诊断为deh超速控制软回路异常，重点检查超速控制逻辑是否存在错误，如调门快关指令发出后pid指令是否快速跟踪到零；如果小于，进入第四级诊断块。

通过判断衰减率ar是否小于0.25，如果小于，诊断为调速pid控制参数异常，重点检查pid的比例是否合适；如果大于0.25(说明控制系统稳定，参数基本合适，需下一级诊断是否需要细调)，进入第五级诊断块。

通过判断稳态最大波动值sw是否大于5转，如果大于，诊断为deh转速控制稳态偏差大，pid参数需要优化，重点检查调速pid的积分是否设置合适；如果小于，给出调速功能正常的结论，表示deh系统具备甩负荷热态试验的条件。

本发明实现deh甩负荷仿真试验后的特征数据自动采集和自动处理。实现deh甩负荷仿真试验后的全方位(包括deh电气软件、电气硬件和液压部分)自动诊断，并自动给出诊断结果和处理建议，实现对deh深层次、无死角隐患查找，保障机组安全运行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。