（电气工程专业论文）汽轮发电机组监测与故障诊断系统的研究.pdf

摘要 随着国民经济的迅速增长，电力系统正朝着超高压、大容量、多机互连系统的 方向发展，2 0 0 m w 、3 0 0 m w 及以上容量机组的大型发电机组已成为我国电网的主 力机组，对大容量汽轮发电机的监控和故障诊断的需要日益突出。由于设备故障 的复杂性和设备与故障征兆之间的复杂性，经常出现多种故障同时发生的情况， 而目前对于多故障的诊断问题还未能很好的解决。因此，研究汽轮发电机组综合 故障诊断技术既对机组的安全稳定运行有着十分重要的意义和巨大的经济效益， 也是电气工程等多学科交叉的前沿研究课题本文依托山东省自然科学基金 ( y 2 0 0 4 f 1 5 ) “汽轮发电组综合监测与故障诊断系统的研究”，在总结和借鉴前 人关于汽轮发电机组状态监测和故障诊断的基础上，重点研究基于汽轮发电机组 振动的故障诊断理论和方法，并用已有的汽轮发电机组故障事例进行了验证，得 出了一些具有实用价值的结论，进一步丰富和推进了大型汽轮发电机组故障诊断 的理论，论文阐述了模糊理论、神经网络、粒子群优化和遗传算法在故障诊断领 域的应用。 关键词：汽轮发电机组；故障诊断；人工神经网络；遗传算法；模糊理论；粒子 群算法 a b s t r a c t w i 也t h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , p o w as y s t e mi no e o u n l r ya i m s m o a n dm o r ；e 越s u p 盯h i g hv o l t a g e , 删c 秘i t ya n d 删g e n e r a t o r i n t e r l i n k i n gs y s t e l l l l a r g e s s eg e n e r a t o ru n i t so f2 0 0 1 v l w , 3 0 0 m wa n da b o v e h a v od o m i n a t e d 叫c o u n t r y 8 州嚣n e t , 砌c he o m e q u e n t l yk a d st o 血c i n c r e a s i n gd e m a n do fm o m t o r i n ga n dm a l f u n c t i o nd i a g n o s i so fs t e a mt u r b i n e g - c n c r a t 0 ro fg r e a tc 印a c i 啊f o rt h ee o m p l e x i t yo fe q m p m e n tm a l f u n e t i o na n d1 h e e o m p l e x i t yo fr e l a t i o mb e t w e e ne q m p m e n ta n do m c n f lo fm a l f u n c t i o n , m u m m a l f u n e t i o 璐舯a y sa r i 辩幽蛐吣l y h o 恻舭p r o b l e mo fm 啪 m a l f u n e t i o 璐d i a g n o s i sh a sn o tb e e n l v e dy e ta lp r e s e n tt h e r e f o r , i ti so fg r e a t s i g l l i 丘c 柚f o rt h es a f ea n d s t a b l cr u n n i n go fg e n e r a t o rl 珊晦t os t u d yt e e h n o 呐 o fe o m p m h e m i v em a l f u n c t i o nd i a g n o s i s , a n di ti sa l s oal e a d i n gs t u d yi nt h ef i e l d o fe l e e t r i ee n g i n e e r i n ga n do 蛔m t 盯- d i s e i p l i n e s o nl h eb 袖o fs u m m i n gu p a n d 阳f e r r i n gt ot h es t u d i 嚣o nm o n i t o r i n ga n dm a l f u n c t i o na i a g n o s i n go fs t e a m t u r b i n eg e n 盱a t o rs e t sb yo 也盯h o l a r s ，t h i s & s s e r t a t i o np u t ss t l c s so n t e m p e r a t m ea i m o r m i t yo f v i b r a t i o no fs c c a mt u r b m 岛a r t i f i 砌n e u r a ln e t w o i l c t e e h n o l o g y r h r o u 班t e s t i f y i n gt h ea b o v eb y 跚脚a d s t i n gv i b r a t i n gm a l f u n c t i o n s i ns t e 锄咀t u r b m ec r e n c r a t o rs e t s 。t h i s & s s e r t a t i o nh a sr e a c h e ds o m ev a i u j b l e e o n e l m i o ma n d 删e v e d 蛳f i a b l ea n d 孤删印p l o j i d l 伪w h i e l a 训c h 髓 锄dp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to ft h em a l f u n c t i o nd i a g n o s i st h e o r yo fl a r g e s s e s t e a mt u r b i n eg e n e r a t o r ，t h ep a p e r 敝u s s e dm a l f u n c t i o nd i a g n 商gt h r yo f f u z z ys e tt h e o r y , a r t i f i e i a ln e u r a ln e t w o r k , p a r t i c l es w a r mo p t i m i z e ，g e n e t i c a l g o r i t h m s k e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n eg e n e r a t o rs e 缸：f 粕nd | a g n o s i s ；a r t m c i a ln e u r a l n e t w o r k ；c t e n e t i ea l g o r i t h m s ；f u z z ys e tt l a e o r y ；p a r t i e ks w a r m o p t i m i z e 山东大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：汽整蕴皇扭组堕型皇越瞳诊堑丞统的班宜：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 一 论文作者签名：为岱科 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“山东大学研究生学位论文提交、版权 使用管理办法”，同意山东大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名： 日期：a 夺 暂 弋h 轹旧 签， 新7 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着国民经济的持续发展，我国电力工业正处于大电网与大机组的发展阶段 人们对电力设备的可靠性、可用性、维修性、经济性以及安全性等提出了越来越 高的要求，要求进行全寿命管理，研究可靠性工程，实行全面质量保证。故障诊 断技术近年来得到了广泛的重视，在快速发展的基础上，取得了丰硕的研究成果。 目前，机械设备状态监测与故障诊断已经基本上形成了一门既有理论基础、又有 实际应用背景的交叉学科，吸引着国内外的众多学者从事有关的理论探讨、系统 设计和工程实现等方面的学术研究，相关产品已投入运行，取得了良好的经济和 社会效益。 1 1 汽轮发电机组综合监测与故障诊断技术的目的与意义 随着国民经济的迅速增长，电力系统正朝着超高压、大容量、多机互连系统 的方向发展，2 0 0 m w 、3 0 0 m w 及以上容量的大型汽轮发电机组己成为我国电网的 主力机组，作为电力系统的心脏一发电机，随着单机容量的不断增大，运行可靠性 显得尤为重要和突出，一旦这样的机组发生故障特别是恶性故障，就会给电力系 统和国民经济带来巨大的经济损失。因此对大容量汽轮发电机的监控和故障诊断 的需求日益突出【”1 。汽轮发电机组故障诊断的根本目的是要保证设备的安全、可 靠、高效、经济运行，其主要目的为： ( 1 )及时、正确、有效地对设备的各种异常状态或故障状态做出诊断，预 防或消除故障；同时对设备的运行维护进行必要的指导，确保设备运行的可靠性、 安全性和有效性。 ( 2 )制定合理的监测维护制度，保证设备工作时能发挥最大的设计能力， 在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长使用寿命，降低设备全寿命周期费用。 ( 3 )通过检测监视、故障分析、性能评估等手段，为设备修改结构、优化 设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。 山东大学硕士学位论文 大型汽轮发电机组的设备结构复杂，各种设备之间的联系紧密，不仅同一设 备的不同部分之间相互联系、紧密耦合，而且不同设备之间也存在紧密的关系， 并在生产过程中形成了一个整体【，如果其中任何一台设备或零件发生故障，就有 可能引起链式反映，导致整个设备甚至整个生产过程都不能正常运行，造成巨大 的社会经济损失。例如，1 9 9 6 年某厂一台6 0 0 m w 发电机铁芯严重烧损，部分线 棒绝缘过热损坏，定子b 相绝缘被击穿接地，花了4 个月来修复；1 9 9 8 年同一个 电厂同型号、同容量的另一台机定子端部引线振动过大，开焊弓l 起烧损，花了两 个月的时间进行修复，多台3 0 0 m w 发电机也曾发生不同性质的事故，根据 1 9 9 3 1 9 9 5 年的不完全统计，3 0 0 m w 汽轮发电机本体事故共有5 3 台次，有的发电 机事故停机用了上千小时来修复，损失电量上亿度【7 d 2 】。据统计。由于温升和振动 故障导致的事故，从2 0 0 0 2 0 0 3 年，全国损失电量达上亿度，造成巨大经济损失 f 1o l 。多年来的事故统计结果表明，发电机事故往往是由于对故障的早期征兆缺 乏认识，未能及时处理，从而导致故障进一步发展为恶性事故。据国家电力公司 可靠性中心统计，经过不断努力，近年来国产机组的等效可用率e a f 已有很大程 度的提高岬】，故障原因各种各样，既有设计制造质量问题，也有安装和运行维护 方面的问题。为了进一步提高旋转电机的e a f ，除了提高产品质量、精心安装、 调试和正确的运行维护外，更需要对它们进行可靠、有效的状态监测与故障诊断， 以利生产的合理进行。因此，紧密结合实际，深入研究汽轮发电机各种故障的故 障机理、发生的原因、故障征兆、发展趋势及其不良后果，提出实时诊断，正确 处理和预防的方法，具有重大的意义。 1 2 汽轮发电机组综合监测与故障诊断的研究现状 设备诊断的历史，可追溯到1 9 世纪产业革命时期，早期的诊断技术主要依赖 该领域专家的经验做出判断。2 0 世纪初，可靠性理论的产生和应用，主要依靠事 前对设备的分析和评估完成对设备的诊断。真正意义上的诊断技术产生于2 0 世纪 6 0 年代的现代设备诊断技术。现代故障诊断技术是在信号采集和数据处理技术、 电子计算机技术的基础上发展起来的，大体上可分为五个阶段：传感器、便携式 2 山东大学硕士学位论文 检测仪器和分析仪器、在线监视仪表系统、计算机化的监测分析与故障诊断系统、 智能化诊断系统【1 6 i 。 1 2 1 国外发展概况 国外故障诊断技术的发展已有加年的历史，最先开展故障诊断技术研究的是 美国，1 9 6 1 年，美国阿波罗计划出现了一系列严重设备故障，于是在1 9 6 7 年，美 国宇航局的倡导下，由美国海军研究室主持召开了美国机械故障预防小组成立大 会及第一界学术交流会 4 0 , 4 3 。1 9 7 1 年成立了官方领导的组织。在大型汽轮发电机 组故障诊断方面，美国西屋公司自1 9 7 6 年开始围绕汽轮发电机组故障展开了研究 工作，到1 9 9 0 年完成了网络化的汽轮发电机组故障诊断专家系统，其3 套人工智 能诊断软件( 汽轮机，发电机、化学水处理) 共有诊断规则1 0 0 0 0 多条，该系统 对西屋公司生产的汽轮发电机的安全运行发挥了巨大的作用。 在欧洲、日本也有不少公司从事汽轮发电机故障诊断技术的研究，产品的开 发和应用，主要在一些民用工业，如钢铁、化工、铁路等部门发展迅速，占有一 定的优势。如，法国于1 9 7 8 年在法国电气研究与发展部研制了在线振动监测系统， 近年又发展了监测与诊断辅助站的p s a d 系统，用于大型电站机组与反应堆冷却 泵的监测与诊断，丹麦的b & k 公司在9 0 年代推出了新一代的状态监测与故障诊 断系统b & k 3 4 5 0 型c o m p a s s 系统，具有广泛的故障诊断功能，除了能检测和记 录机器的异常情况外，还能进行故障隔离，分析故障的部位、性质、程度。三菱 重工的白木万博在旋转机械故障诊断方面开展了卓有成效的工作，经过几年的积 累，早已推出了商品化的专用诊断仪器。 国外采用故障诊断技术取得了良好的经济效益。日本实施故障诊断后，事故 率可减少7 5 ，维修费用可降低2 5 巧o ；英国经过对2 0 0 0 个大型工厂的调查 表明：采用故障诊断技术后，每年节约维修费用3 亿英镑，而故障诊断系统的成 本为0 5 亿英镑，收益为投入的6 倍。总的说来，国外发电机组监测与故障诊断 开始研究较早，无论在理论上还是在监测仪器设备的研制生产上，都达到了较高 3 山东大学硕士学位论文 的水平，所利用数据从单一参数向多参数发展，系统的分支越来越细，逐步向模 块化、分布式、网络化发展t 3 0 - 4 2 1 2 2 国内发展概况 我国设备监测与诊断技术的研究和开发是从2 0 世纪7 0 年代末期开始的。 自1 9 8 3 年原国家经委在国营工业交通设备管理试行条例中提出“根据生产 需要，逐步采用现代故障诊断与状态监测技术，发展以状态检修为基础的预防性 维修”以来，状态监测与故障诊断技术引起了大型工业企业和高等院校极大的重 视当时，国家经委下属的中国设备管理协会积极推动和组织这项技术在国内各 产业部门的应用和开发。一些大专院校和科研单位结合教学和科研课题，开始进 行机械设备状态监测与故障诊断技术的理论和工程应用研究，取得了一大批可喜 的成果。 从发展来看，大约经历了两个阶段。第一阶段是以计算机技术、传感器技术 和动态测试技术为基础，以信号处理技术为手段的常规诊断技术发展阶段。这个 阶段，设备诊断技术融合并吸收了大量的现代科技成果，如开始研究发电机的故 障机理。从理论和实践中总结出各种故障的发生原因、特征及其表现形式等，并 开始对各类传感器和测试方法的理论与应用进行研究，开发出故障监测与诊断的 仪器，计算机技术的迅速发展，使得各种信息处理方法应运而生，如逻辑诊断、 统计诊断、故障树、模糊诊断等。但是，在这一发展阶段，各种新技术和新方法 的应用，仅仅只是延长了人类的感观功能，具有一定的局限性 人工智能技术的应用，标志着现代设备诊断技术进入了第二个阶段。智能诊 断技术在研究内容与实现方法方面发生了重大的变化，形成了基于知识的设备诊 断技术。趋向于以人工智能及其计算故障分类、模式识别为主。同时结合信号处 理和建模处理的智能诊断。经过十几年来的努力，已使我国的诊断理论和诊断技 术上了一个台阶，相继完成了单台2 0 0 m w 汽轮发电机组的监测诊断系统的研究， 多台2 0 0 m w 汽轮发电机组的监测诊断系统和单台3 0 0 m w 汽轮发电机组的监测诊 断系统的技术成果，某些成果已在电厂投入使用，取得了良好的社会和经济效益。 4 山东大学硕士学位论文 哈尔滨电工仪表研究所、哈尔滨工业大学、清华大学等单位联合研制的z h x - 1 0 型2 0 0 m w 汽轮发电机组状态监测分析及故障诊断系统的主要任务是实现对大型 旋转机械的振动的状态监测、报警处理、闭环保护、数据采集、数据管理、数据 分析、故障诊断和维护咨询等功能。 山东电力科学研究院和清华大学等单位在1 9 9 7 年共同开发的大型汽轮发电机 组远程在线振动监测分析与诊断网络系统 4 2 - s 3 1 ，包括四个子系统，各电厂的d a s 数据采集系统、数据通讯网络系统，位于山东电力科学研究院的远程诊断中心站， 位于清华大学的远程诊断分中心站，通过网络方式将潍坊电厂一号机组，黄台电 厂八号机组和邹县电厂二号机组的熟力参数传送到远程诊断中心，进行状态监测、 数据分析和故障诊断，远程诊断分中心除了具有远程诊断的功能外，还可以用于 新理论、新方法在网络系统的开发、运行与检验。 综合以上研究成果来看，我国大型发电机组的状态监测和故障诊断系统还存 在诊断对象主要针对汽轮机，而对发电机本体及其氢、油、水系统的多种故障进 行综合诊断的研究还有待进一步加强；由于汽轮发电机组是一个复杂的系统，对 一些疑难的故障机理还没有彻底了解。有待进一步研究；监测手段还比较单一， 全面系统的状态监测信息是故障诊断的基础，由于受传感器技术、计算机技术、 通信技术发展的影响，导致的诊断信息的不足，将极大地影响诊断的实时性和准 确性，随着各项技术的发展和成熟，开发出高实时性，可靠性的网络化监控系统， 才能更好的适应现代工业的需要。 1 3 汽轮发电机组故障诊断的基本理论 由于设备故障的复杂性和设备与征兆之闻关系的复杂性，使设备故障诊断具 有了一种探索性过程的特点机械设备的故障诊断不仅在于研究故障本身，而更 在于研究故障诊断的方法。 故障诊断的初期是利用各种物理的和化学的原理和手段，通过伴随故障出现 的各种物理和化学现象，直接检测故障。随着传感技术、动态测试技术和信号处 理的发展，开始以数据处理为核心的故障诊断，利用故障所对应的征兆来诊断故 5 山东大学硕士学位论文 障七十年代以后，对故障枧理的研究发展非常迅速。通过建立机组或故障的数 学模型进行故障诊断，但模型必须考虑设备的每一种故障和在不同运行环境下的 具体情况。由于大型旋转机械本身的复杂性和对故障机理的不完全清楚，至今难 以建立起普遍适用的准确的数学模型。 1 传统的诊断方法的诊断结果在很大程度上取决于有经验的运行人员和领域 专家。他们根据经验或试验对设备的故障进行重点查找，以确定设备的故障原因 及部位。频域诊断法是根据频谱特征变化，判别机器的运行状态及故障形成原因。 时域分析法则应用时间序列模型及有关的特性函数来诊断。统计分析法应用概率 统计模型来分析。信息理论分析法应用信息理论建立的某些特性函数，进行工况 状态分析与故障诊断。频域诊断和时域分析法是根据监测信号的时域和频率特征 对设备进行诊断，能较全面地、深入地反应设备故障特征，具有较强的实用性， 但移植性差，而且对复杂的、非线性系统的故障难以进行有效地诊断和识别。 2 诊断专家系统 设备故障的表现形式十分复杂，故障的类型和征兆之间不存在简单的对应关 系，在许多情况下，故障诊断需凭借专家的经验或直觉，即所谓“浅知识”，而 这些“浅知识”往往难以用数学模型或逻辑推理来求解l 珏明八十年代以来，随 着人工智能技术的发展，特别是专家系统技术的发展和成功应用，产生了专家系 统故障诊断方法。 故障诊断专家系统是人们根据长期的实践经验和大量的故障信息知识，设计 的一种智能计算机程序系统，以解决复杂的难以用数学模型来描述的故障诊断问 题它一般由知识库、推理机、解释程序及知识获取程序几部分组成，而最重要 的是知识库和推理机的设计。专家系统有很大的优越性，能够在一定程度上代替 领域专家，并能完整地记录下推理、判断、结论的过程，提高了诊断的可信度 但由于基于知识的专家系统是建立在大量丰富知识上的，如果所建立的知识库的 规则不完备，则必然会导致诊断结果不准确，这就是基于知识的专家系统的脆弱 性，因此必须解决几个主要问题：( 1 ) 不精确领域知识的表示。( 2 ) 对征兆与故障之 间的关系复杂性的反映。( 3 ) 对诊断信息的充分运用等。 6 山东大学硕士学位论文 3 模糊诊断方法 模糊集的概念首先由扎德在1 9 6 5 年提出的【娴】，模糊集理论在它作为适合于 人类的模糊表达方式和适合于机器的精确数值特征量之间接口的作用时，将特定 值与特征概念相一致的程度由隶属度函数描述，通过隶属度函数计算机能更好地 按人的期望执行。随着模糊集理论的不断发展及应用的深入，模糊集理论的成果 和应用实例已广泛应用于电力系统的众多领域，如机组运行规划；静态暂态稳定控 制；负荷控制和预测；电气设备的故障诊断；系统故障定位和诊断等。在汽轮发电机组 振动故障诊断中常常遇到振动过大，振动随负荷增大而发生明显变化等模糊诊断 术语，这些术语是难以用传统的数学方法进行描述。而模糊理论能有效处理人类 思维中的不确定性和复杂系统的准确性，因而特别适合汽轮发电机组这样复杂的 非线性故障诊断系统。 模糊诊断方法主要有模糊关系诊断，模糊模式识别和模糊聚类分析。( 1 ) 模糊 关系诊断法根据故障现象和故障原因之问的模糊关系矩阵，将征兆空间转化到故 障空间，按故障隶属度值判断故障类型。即：y - - - - - x * r ，y 是故障原因模糊向量， x 是征兆向量，r 是模糊关系矩阵，诊断的经验主要体现在征兆隶属度函数和模糊 关系矩阵中；( 2 ) 模糊模式识别，就是把由测量参数形成的特征向量归入到故障模 式类与它相似的模式中。主要有2 种方式：最大隶属原则，最小距离( 欧几里得距 离，汉明距离等) 原则。此方法的关键是确定故障模式类的模糊向量；( 3 ) 模糊聚类 分析，模糊聚类的过程是样本中的特征参数被融合、样本群按标准被分类的过程， 模糊聚类方法可以不需要标准信息群，也不需要知道样本群变化过程中的具体内 容，只要有样本群最初的状况做基准，便可根据分类结果得到被监测样本的变化 趋势，这对于无法确定标准信息征兆群的场合是有利的。 模糊诊断方法是基于数值运算的诊断，可以自动进行，不需人工干预，适合 于要求快速、实时的场合。模糊数学作为一种处理不精确信息的工具在汽轮发电 机组故障诊断中的应用发挥着极其重要的作用。但目前模糊数学在故障诊断方面 的研究多集中在对单一故障的诊断方面，很多专家学者提出的方法都不能对汽轮 7 山东大学硕士学位论文 发电机组的多故障进行有效诊断。但它利用的信息单一，如振动的频谱信息，但 有些故障根据振动频谱信息很难分离开；因此模糊诊断只能作为一种初步的、简 单的诊断，要实现精密诊断必须提供更多的信息，诸如轴心轨迹、振动随负荷的 变化情况等。 4 人工神经网络 基于神经网络的故障诊断方法是最近几年随着神经网络的发展产生的，目前 较多的使用b p 网络、h o p f i e l d 网络以及自组织映射网络掣6 1 - s o l 。神经网络故障诊 断方法不需要开发者专门的领域知识，只要有适当数目的具有一定类间距的示例， 这是它的显著优点，但其也存在很大的局限性，具体表现为：一是由于诊断系统 的性能很大程度上受所选择示例的限制，如果示例正交性和完备性不好时，系统 性能较差，在实际情况中无法保证得到正交、完备的训练集，特别当训练样本较 少时，或存在两个相似示例时，网络的求解结果并不总是正确的；二是人工神经 网络只能处理数字化的信息，神经网络将一切知识均变为数字，把一切推理全变 为数值计算，作为知识的网络权重解释困难，因此神经网络技术是对较低层的智 能模拟，对较高层次的智能模拟则需要大量的符号知识的表达和处理。因此神经 网络故障诊断技术虽然己经有很多成果，特别是在加快网络收敛性方面做了很多 工作，但应用神经网络技术解决复杂的工程实际问题还要做许多工作。 5 遗传算法的应用 遗传算法是一种基于自然选择和群体遗传机理的搜索算法，它模拟了自然选 择和自然遗传过程中发生的繁殖、杂交和突变现象 8 2 - 9 0 。在利用遗传算法求解问 题时，问题的每个可能的解都被编码成一个“染色体”。即个体，若干个个体构 成了群体( 所有可能解) ，可以看作是一个由可行解组成的群体逐代进化的过程遗 传算法从2 0 世纪6 0 年代未产生至今，经过三十多年的努力，不论是在应用上、 算法设计上、还是在基础理论上，均取得了长足的发展，己成为信息科学、计算 机科学、运筹学和应用数学等诸多学科所共同关注的热点研究领域。 近几年，遗传算法开始应用于电力系统的故障诊断中。讨论了遗传算法在电 力系统分层信息故障诊断中的应用，提出了基于遗传算法的电力系统故障诊断的 8 山东大学硕士学位论文 解析模型与方法，并介绍了用计算机自动生成故障诊断目标函数的方法，把电力 系统的故障诊断问题表示为0 - 1 规划问题，采用遗传算法和模拟退火算法可以实现 对任意复杂的故障情况进行求解。另外也有一些学者提出，先用遗传算法对各种 神经网络连接权重和网络的拓朴结构进行优化，然后再用人工神经网络进行故障 诊断的方法。 1 4 本文研究的主要工作内容 基于状态监测的汽轮发电机组的故障诊断方法研究，已走过了很长的历程， 虽取得了令人鼓舞的成果，但实践表明，与工程领域的具体要求还有很大差距， 诊断的正确性和诊断的自动化水平都有待提高。本文在大量文献研究和实际科研 工作的基础上，结合山东省自然科学基金“大型汽轮发电机组综合监测和故障诊 断系统研究”课题，对故障诊断方法及其系统实现进行了系统、深入的研究。根 据课题的要求，本系统对机械方面引起的振动故障进行研究，应具备以下功能：( 1 ) 对轴振和各个轴承瓦振的连续监测，数据存储，机组启停机时对振动、差胀、轴 向位移实时曲线监测；( 3 ) 实现在线的多机组、多测点实时、自动、巡回诊断；( 4 ) 具有报警事件记录功能，除记录报警事件发生前后的监测数据外，还可记录报警 事件发生的时间及机组运行状态，为事故追忆及事故分析提供参考依据；( 5 ) 可对 历史数据及超限、危机数据利用多类信息进行详细故障诊断，对故障原因做出说 明，对监测参数系统能给出不同时期内的趋势分析；( 6 ) 常规的稳态瞬态振动数据 分析；( 7 ) 系统组态方便，对振动数据采集卡的所有参数，如采样转动通道数、非 振动通道数、采样点数、升降速时采样的转速间隔、每个通道的超限报警、危机 故障报警限等通过工程师站软件组态。 本文的主要工作包括：( 1 ) 综合分析汽轮发电机组振动故障在线监测及诊断 技术的研究现状和方法，以及模糊集理论、人工神经网络技术、遗传算法的研究 进展及其在汽轮发电机组振动故障诊断中的应用现状及前景。利用模糊信息和神 经网络处理技术，系统的研究振动故障征兆知识的自动获取方法，充分提取其蕴 9 山东大学硕士学位论文 涵的故障诊断信息，运用模糊聚类分析和神经网络的自学习功能确定故障标准模 式类及相应的频谱特征，以提高诊断的智能化水平 ( 2 ) 综合运用模糊聚类分析理论，研究一种适合汽轮发电机组多故障诊断的模 糊聚类分析新方法。对遗传算法进行深入分析和研究，将其与模糊c 一划分相结 合，研究将遗传算法应用于汽轮发电机组振动多故障诊断的方法 ( 3 ) 以提高自动诊断精度为目的，克服神经网络本身的容易陷入局部极小点的缺 点，进一步研究遗传算法处理技术，充分利用其全局寻优能力，与神经网络相结 合，克服神经网络的缺点，为提高故障类识别的精度提供理论基础 1 5 本章小结 本章首先论述了本课题研究的目的和意义，对汽轮发电机故障诊断技术的国 内外研究和应用现状做了详细的综述，并对模糊集理论、专家系统、遗传算法、 人工神经网络技术的研究进展及其在汽轮发电机组故障诊断中的应用进行了全面 的综述，最后提出了本文主要工作。 l o 山东大学硕士学位论文 第2 章分布式汽轮发电机组综合故障诊断系统的结构设计 2 1 分布式远程综合故障诊断系统的理论基础 在过去的1 0 年里，随着计算机技术及网络通讯技术的发展，分布式系统发展 十分迅猛。但分布式系统的概念，不同学者给出了不同定义0 0 - 3 4 s c i t z 认为分布 式系统中蕴涵了许多内容：并行的、并发的、分布式的。他指出，“并行的”意 味着从一个单一控制线程对数据集的锁步( l o c k s t e p ) 动作；“并发的”意味着某些 动作可以以任意次序执行；“分布式的”意味着计算的成本或性能取决于数据和 控制的通信。 如果一个系统的部件局限在一个地方，它就是集中式；如果它的部件在不同 地方，部件之间要么不存在或仅存在有限的合作，要么存在紧密的合作，它就是 分散的，当一个分散式的系统不存在或仅存在有限的合作时，它就称为网络的； 否则它就称为分布式的，表示在不同地方的部件之间存在紧密的合作。e n s l o w 将 分布式系统用硬件、控制和数据这三个维度加以检验。佛罗里达大西洋大学的吴 杰博士给出了如下定义 4 0 , 4 2 ：一个分布式系统是一个对用户看起来像普通系统， 然而运行在一系列自治处理单元口e ) 上的系统，每个p e 有各自的物理存储器空间 并且信息传输延迟不能忽略不计，在这些p e 间有紧密的合作，同时系统必须支持 任意数量的进程和p e 的动态扩展。可见吴杰定义的分布式系统有以下属性：任意 数目的进程( 每个进程被称为一个逻辑资源) 、任意数目的p e ( 每个p e 被称为一个 物理资源) 通过信息传递的通信( 它提供了比主，从模式更合适的信息传递方式) ，合 作式进程；通信延迟( 延迟不能忽略) ，资源故障独立( 任何单个逻辑或物理的资源 故障不会导致整个系统的瘫痪) ，故障化解( 系统必须提供在资源故障的情况下重新 配置系统拓扑和资源分配的手段) 。尽管学术界对分布式系统的诸多问题的意见不 一致，但分布式系统设计必须考虑以下问题： 1 ) 理论基础，它不像顺序处理系统，分布式系统缺乏足够的模型来解决可计 算性的界限问题和计算复杂性问题，这是因为分布式处理的非确定性； 山东大学硕士学位论文 2 ) 可靠性，可靠性是分布式系统的一个主要设计目标，但一个消息、一个远 程操作、一个文件或者一个数据库事务提交，必须保证消息( 或文件) 能及时无误地 到达它的目的地； 3 ) 保密性和安全性，必须解决分布式系统保密性与安全性之间的平衡； 4 ) 设计工具与方法论，目前分布式的设计工具与方法没有统一的标准，其原 因是分布式进程的非确定性； 5 ) 集成与共享，为尽可能地利用分布式的高效和资源的共享，需要为分解问 题、复制资源以及在整个系统的范围分配负载而研究机制： 6 ) 访问资源和服务，智能代理是一种访问资源和服务的很有用的方法； 7 ) 用户环境，用户需要获得尽可能多的资源，但必须考虑如何提供合适的透 明度； 8 ) 分布式数据库，包括数据模型、异构型数据库、分布式查询和多媒体数据 库 分布式系统理论的发展为研究分布式远程故障诊断专家系统的设计与实现带 来直接的理论支持，企业设备诊断任务的本身就具有分布性和层次性，诊断任务 的分解、诊断任务的分配与智能代理的实现与分布式系统理论也息息相关。随着 设备的网络化状态监测的需要，分布式远程综合故障诊断系统越来越受到人们的 重视，同时随着计算机技术、网络通讯技术、现代检测技术、多媒体技术、网络 数据库技术等多种技术的发展而逐步得以应用。 2 2 系统的总体结构、功能及特点 本课题是在调研国内外汽轮发电机状态监测与故障诊断技术应用现状，以及 汇集多年来该领域专家在故障诊断方面的研究成果的基础上进行研究的。以济南 黄台发电厂的水氢氢冷却方式的3 0 0 m w 发电机为对象，面向生产第一线，解决 实际问题，为发电机的运行、检修、试验和管理人员提供指导和决策参考，在发 电厂现有监测条件的基础上，利用包括在线实时、在线非实时、离线数据和历史 诊断信息在内的多种数据源实现自动诊断和人机交互诊断相结合，在线和离线诊 山东大学硕士学位论文 断相互结合，电厂多类职能人员协同参与的诊断多种模式。主要针对大型汽轮发 电机本体及其氢、油、水、汽各系统的故障机理进行研究，着重解决发电机部分 的故障分析和诊断，确定监测的各种故障监测点，并建立与之相应的物理模型及 诊断策略，最终完成汽轮发电机的综合故障诊断系统。该系统采用多级予系统形 式的分布式结构，以满足机组在线实时性的要求。系统的硬件总体框图如图1 所 示，主要由传感器子系统、现场数据采集与预处理子系统、数据库子系统、网络 子系统、监测与故障诊断子系统和系统管理子系统等6 部分组成。综合了信号处 理、人工智能、通信、d s p 、数据库、计算机网络等成熟技术。将一个完整的在线 监测和诊断任务分解到不同层的各计算机上，相互配合，共同实现分布式的监测 过程。 t t t tt t t tt t t t 图2 - 1 汽轮发电机组分布式系统结构 2 2 1 传感器子系统 传感器子系统是状态监测与故障诊断系统的主要信息来源，属于一次仪表， 关系到整个监测、分析和诊断结果的可靠性和准确性主要包括：测量振动的电 涡流位移传感器、速度传感器、加速度传感器以及汽缸膨胀、涨差、阀位、温度、 山东大学硕士学位论文 压力、流量等传感器。本质上所有的故障特征信号都可以用传感器来监测，但由 于对故障的机理了解不够和现场实际条件所限，目前还仅仅局限于部分工艺参数 信号和有限的振动信号，主要包括：( i ) 转子相对轴承座的径向振动、轴向振动； ( 2 ) 轴位移；( 3 ) 转速及鉴相信号；( 4 ) 机组的热工参数，如温度、压力、流 量等；( 5 ) 各类开关量信号。在每一个监示器的面板和后面继电开关接线端子上， 分别有经缓冲处理后的振动原始信号缓冲输出接口，本系统的快变量采集器的输 入信号可从监示器后部的缓冲输出接口端子用二芯屏蔽电缆或同轴电缆直接连 接。 2 2 2 现场数据采集与预处理予系统 现场数据采集与预处理子系统的任务是采集机组运行状态数据( 包括稳态数 据和瞬态数据) 。另外，现场数据采集与预处理予系统对现场采来的夹杂干扰的 原始数据进行预处理，如在硬件方面对信号进行限幅、滤波、防干扰、电平变换、 放大等，并将振动动态信号( 即交变量) 和静态信号( 直流偏置) 分离出来；在软件方 面运用f f t 谱分析与校正等，同时对采集的数据进行二次处理，抽取其中的主要 特征，执行数据压缩1 1 1 0 n 4 】机械设备振动测量系统组成的框图如图2 2 所示。 图2 - 2 振动测量系统的框图 测量系统一般由两大部分组成。一部分为传感器测量系统，它包括各种振动 传感器、速度、压力传感器及其有关测量部分，其作用是拾取表征机器状态的各 1 4 山东大学硕士学位论文 种信号或参数，并使之变成标准的电压或电流信号：另一部分即为测量数据显示、 处理及分析系统，其作用是将获得的信号显示出来，同时还可利用计算机进一步 的处理、分析。 1 振动幅值测量 振动幅值是一般振动测量中最感兴趣的测试内容，它一般包括图2 - - 3 所示的 四种情况： 图2 - 3 振动幅值测量 ( 1 ) 测量通频带幅值，即总值，一般早期的测振仪和振动检测仪表就属于这 一类； ( 2 ) 测量基波频率的幅值，主要采用中心频率可调的带通滤波器，一般手动 或自动扫描式频谱分析仪就属于这一类； ( 3 ) 跟踪测量基波，或某一高次谐波频率的幅值，一般动平衡电测系统就是 这一类，主要采用自动跟踪带通滤波器； ( 4 ) 利用f f t 等方法求出幅值谱，从而可得到基频及各阶谐波的振幅。 2 。转子径向相对振动的测量 图2 4 是利用电涡流传感器测量转子径向相对振动的示意图，通常以圆轴的 转动表面在某一半径方向的振动作为轴心在该方向的振动。 山东大学硕士学位论文 其中( a ) 表示电涡流传感器测得的转轴振动信号( 电压) ，该信号由交流分 量和直流分量两部分组成。交流分量表示传感器探头与转轴表面的动态电压信号， 直流分量则代表了平均间隙电压，由此可确定轴心轴承中的平均位置。当转轴存 在偏心时，即被测轴段与轴颈不同心时，也可以利用电涡流传感器在转轴低速旋 转时测得其偏心的大小。 图2 - 4 电涡流传感器测量转子径向相对振动的示惹图 3 轴心轨迹测量 利用电涡流传感器测量轴心轨迹对分析转轴的工作状态是十分有用的，是振 动测量中的一个十分重要的内容。轴心轨迹是指机组在一定转速下轴心相对于轴 承座在轴线垂直平面内的运动轨迹。图2 5 为轴心轨迹测试图。一般多采用传感 器与水平成4 5 。角的安装方式。图2 - - 6 给出了一些典型的轴心轨迹的图例。其中 ( a ) 、( b ) 分别代表正进动o - - 2 及q - 3 时的轴心轨迹形状。其中p 为同步正 进动向径，它以与转子相同的角速度。旋转，c 为非同步进动向径，它以角速度旋 转。当q 与之比值不是整数关系时，轴心轨迹将不再是封闭曲线 1 6 圈 曩_ 匣匿圜围 c i。卜； 誊 山东大学硕士学位论文 一圈豳 图2 5 轴心轨迹测试示意图 画网囱画 网圃网同 图2 - 6 典型的轴心轨迹图 2 2 3 现场数据采集与预处理子系统的构成 在现场数据采集与预处理子系统中，由多个以d s p 为核心的嵌入式系统等智能 采集处理单元组成。d s p 芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理 器，能够实时快速的实现各种数字信号处理算法。d s p 产品应用于工业控制的测 控领域，特点是采集精度高、采集速度快，计算能力强。其主要应用是实时快速 地实现各种数字信号处理算法。d s p 的芯片主要有如下优点： 具有专用乘法器，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法： 采用程序和数据空间分开的哈佛结构，可以同时访问指令和数据，从而使 数据的吞吐率提高一倍； 1 7 山东大学硕士学位论文 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；具有低 开销或无开销循环及跳转的硬件支持； 支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠执行，减少指令执 行时间，增强了处理器的处理能力配合外围的智能传感器、滤波、放大、a d 转换等采集处理电路。采集到汽轮发电机组的各种在线状态信号，再经过数字滤波 等处理。可获得需要的状态原始数据，如图2 7 所示。 数据采集器以美国公司生产的高性能数字信号处理器( d s p ) 芯片 1 m s 3 2 0 、，c 5 柏2 为核心，可实现高达3 4 0 0 0 r m i n 的整周期( 6 4 点，周期或1 2 8 点周 期) 的振动数据采集工作，可实现实时f f t 运算、峰一峰值运算、相位运算。振动 数据采集器结构采用插卡方式进行组合，根据需要很方便地进行系统扩展或缩减。 基本系统由机架、主机卡、电源卡、通讯卡、振动量采集卡与非振动量采集卡组 成。主机卡负责整个现场数据采集器的管理工作，包括采样控制、采集卡上的数 据传送、总线切换、硬件故障自检、实时时钟同步等工作；电源卡提供整个系统 所需的电源；通讯卡负责与上位计算机之间的高速数据通讯( 实际上是与上位计算 机内的高速通讯控制卡的通讯) 。振动量采集卡由l 道键相处理电路、1 6 道振动信 号预处理电路、1 6 道采样保持器电路、1 6 通道开关量信号输入、4 片a d 7 8 6 5 芯 片能同时对1 6 通道模拟信号进行同步采样、数据存贮器及w a t c h d o g 电路等组 成，负责振动信号预处理、a d 转换和数据存贮工作；a d 转换电路的分辩率为1 4 位，采样频率为3 0 0 k h z 。机组的启动( 升机) 、停机、报警、故障黑匣子数据也都 存放在该卡的数据存贮器中 山东大学硕士学位论文 ：趣恃 铿 一暑i i 芸f ：瑚铲 量 刊夏 拇 曩 冲 = 蜓 斌发生甓写控懈方式控一膏存：厨 图2 - 7 d s p 硬件原理框图 然后，根据相关监测算法对这些数据加以处理，最终通过网络层的总线将数 据上传到监测诊断层。而某个d s p 监测算法要从其他d s p 子系统获得相关数据， 就需要各采集处理单元间能够相互通信。这里采用c a n 总线作为局域网层的总线， 构成了一个分布式的局域网监测系统。c a n 总线的卓越性能为汽轮发电机组故障 诊断与监测系统的高速数据通讯提供了保障，c a n 总线属于总线式串行通信网络。 其主要特点是：多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上 其他节点交换信息，不分主从；采用独特的位仲裁技术，具有比c s m a c d 网和 令牌网更高的实时性；位传输速率最高1 m b i t s ( j 盛信距离4 0 r e ) ，最远距离l o k m ( 速 率5 k b i t s 以下) ；采用双绞线作为通信介质，具有接口简单、安装方便、组网成 本低等优点。 2 3 网络子系统 所谓计算机网络就是采用通信手段，将地理位置分散的、各自具备自主功能 的若干计算机有机地连接起来而组成的复合系统。这个复合系统可用来实现通信 交往、资源共享和协同工作等目标。通俗讲就是网络内的用户可以在任何时候、 任何地点自由使用网络中各种文字、图表、声音、图像以及影像等数据资源，也 可以使用相关的大型计算机、网络打印机等设备，甚至是其它计算机的组件( 如 1 9 山东大学硕士学位论文 光驱、硬盘等) 网络子系统为数据采集子系统、数据库子系统、监测子系统、故 障诊断子系统以及管理子系统之间提供了一个数据