火电厂励磁控制系统故障检测的研究李明月

火电厂励磁控制系统故障检测的研究李明月

李明月

(中国电力工程有限公司100048)

摘要：自动控制系统己成为大型设备不可分隔的重要组成部分，励磁控制系统是为同步发电机提供磁场电流的装置，是同步发电机的重要辅机之一。优良的励磁系统不仅可以保证发电机可靠运行，而且可以有效地提高发电机及电力系统的技术经济指标。本文通过研究励磁控制系统的各项基本功能、控制系统的构成、以及火电厂控制系统的故障诊断，对励磁系统常见故障及原因进行了深入透彻地分析。

关键词：自动控制系统；励磁；故障检测

1.研究背景

在大型工业生产过程中，自动化程度已成为衡量企业现代化水平的重要标志。根据同步发电机以及与之联结的电网的系统状态的变化，励磁控制系统做出实时响应，通过改变励磁功率来维持发电机及电网稳定运行[1]。从可靠性观点看，“有故障”是绝对的[2]，问题在于故障是怎样造成的?如何尽早检测、发现潜在故障，然后降低故障后果。

火电机组主设备故障和控制系统故障是影响机组安全运行的两大因素。但根据调查发现，目前火电厂故障诊断的研究和应用发展并不平衡，其重点主要集中在机组重要主设备的故障诊断上[3]，而对庞大的控制系统还没有引起足够的重视。目前由主设备故障引发的安全运行问题所占比重呈下降趋势，而由控制系统故障引发的安全运行问题所占比重呈上升趋势[4]。因此，研究火电厂控制系统的故障诊断有着重要的实际意义。

哈尔滨电机厂首先研制的三机励磁系统，此方式一直沿用至今，发电机容量可达到300MW[5]。

2.火电厂励磁系统控制系统分析

在研究具体的诊断方法之前，有必要对若干基本问题展开研究[6]。这些基本问题包括:通过对火电厂控制系统发生过的故障进行统计分析来明确故障诊断的必要性；通过对火电厂控制系统所涵盖的内容进行研究来明确具体的诊断范围；通过对控制系统中各部件可靠性的分析来确定研究对象和故障类型；通过对火电厂过程变量统计特性的定性和定量研究，奠定基于多元统计分析的故障诊断方法的应用基础[7]。

励磁系统的基本功能如下：

1）电压调节方式

自动电压调节方式是任何励磁系统必备的基本调节方式。发电机定子电流经电流互感器（CT）隔离变换后接入励磁调节装置，在装置内一般还要经过隔离以及必要的滤波和适配电路后，能经A/D回路采样到微机内变为数字信号[8]。

如果PT测量回路的任意环节出现断路等故障，励磁系统会自动切换到励磁电流调节方式，以励磁电流做为闭环调节对象进而控制发电机的电压及无功输出[9]。

2）恒功率因数、恒无功调节方式

恒功率因数、恒无功调节方式一般做为一种叠加方式与电压调节方式共同运行。发电机的功率因数（或无功）做为闭环调节对象，与给定值比较运算后的值用于改变电压调节回路的给定值，控制发电机的励磁输出进而实现功率因数（或无功）的闭环控制[10]。

3.火电厂控制系统故障诊断的研究范围

火电厂控制系统的构成，可以划分为以下几个部分:

1).自动检测系统:自动地检查和测量反映生产过程进行情况的各种物理量、化学量以及生产设备的工作状态参数，以监视生产过程的进行情况和趋势。

2).自动保护系统:在发生故障或事故时，自动采取保护措施，以防止事故进一步扩大或保护生产设备使之不受到严重破坏。

3).顺序控制系统:根据预先拟定的程序和条件，自动对设备进行一系列操作。

4).模拟量控制系统:又称为自动调节系统。

4.火电厂励磁控制系统故障诊断系统的方案设计

励磁系统常见故障及原因分析

（1）起励失败原因可归结如下：

（a）起励主回路原因：

起励电源：起励电源可接交流起励电源，也可接直流起励电源，两者必选其一，要保证相应电源及其开关位置正确，相应元器件要无损坏。当为他励方式时，起励接触器不动作。

灭磁开关：正常运行时，灭磁开关应闭合；如机端电压过压等异常，则灭磁开关自动跳闸。

（b）闭环控制回路原因：

首先应保证励磁调节器工作正常，再检查闭环回路。其他元器件主要包括励磁变压器，如果此回路不通，则不能形成闭合环路并为励磁提供能量；如果励磁变压器存在匝间短路的故障，也必将导致起励失败。

(c)调节器同步信号：三相可控整流桥的触发脉冲由调节器或智能功率柜的相应单元产生，要正确产生触发脉冲，必须有同步信号，如果短路或断路造成同步信号不正常，造成触发脉冲，整流回路也必将无输出。

（2）起励过压原因如下：

(a)电压互感器

(b)励磁电流量测传感器

(c)相序错误

（3）备用通道故障

(a)备用通道故障指示灯亮时，信号在另一通道显示为备用通道故障指示。

(b)每个通道的稳压电源5V、±12V电源还通过独立的判断电路直接送到另一通道，如果任一电源故障，在另一通道也显示为备用通道故障，此时，本通道可能并未显示通道故障。

(c)备用通道看门狗

（4）通道切换

励磁调节器一般有两个控制通道，一路运行，另一路做备用，一旦运行通道故障，自动切换到备用通道运行。

针对上述问题设计了2个故障诊断系统

（1）基于LabVIEW的故障诊断专家系统设计

对于基于规则的励磁故障诊断专家系统，可以应用LabVIEW进行编程，充分发挥LabVIEW图形化编程的特长，编制出界面友好、功能丰富的专家系统。

（2）基于ESTA的故障诊断系统设计

本设计应用由prolog语言编写的专家系统外壳程序ESTA做为专家系统骨架，根据故障类型编辑节（section）和参量（parameter）。

5.分析方法采用主元分析方法

主元分析是研究将系统中多个相关变量转化为少数几个不相关变量的一种多元统计方法，即在力保数据信息丢失最少的原则下，对高维变量空间进行降维处理。从统计学的角度来看，在收集的大量样本信息中，各个变量之间不是完全独立的，它们之间可能存在着很强的相关性，由此很自然的想到可以用少量的几个不相关的综合变量来代替原来较多的相关变量进行研究。

我们可知主元模型主要包括:变量均值向量、变量方差矩阵、协方差矩阵、主元方差矩阵、负载矩阵等统计参数。而主元方差矩阵和负载矩阵是由协方差矩阵经过特征值分解得到的。

6.试验验证过程

从过程的历史数据中选择稳态数据有两个目的，一是用于从中发现并提取具有较强相关性的相关变量组:二是基于这些过程数据样本离线地建立主元检测模型。稳态数据的选择应满足如下两个条件:

(l)与过程变化密切的操作变盘保持不变:

(2)过程相关的测变的稳定度因子都比较小。

7.故障检测方法的实施步骤

首先，对过程历史数据进行分类，按照工况划分原则得到具有适当间隔的各稳态工况下的正常历史数据；第二，利用分类数据建立相应的主元模型，构成涵盖各工况的主元模型组；第三，在故障检测中首先判断是否为稳态工况，如果处于过渡过程工况则停止检测；最后，当过程进入一个稳态工况后，根据模糊系统动态计算出一个与当前工况匹配的主元模型，并对检测样本进行故障检测。

随着火电厂控制系统规模的不断扩大和复杂性日益提高，控制系统故障已经成为影响机组安全经济运行的重要因素，因此人们对其可靠性、可维修性和安全性提出了更高的要求。有必要研究火电厂控制系统的先进故障诊断技术，做到对控制系统内故障的及时诊断，进而采取必要的措施，防止灾难性事故的发生。

参考文献

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[6]陈晞，谢茂清，高琪瑞．基于模糊推理的电厂设备通用型故障诊断系统研究[J].中国电力，2003，38(5):69-73.

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