（控制理论与控制工程专业论文）基于sis的火电厂运行故障诊断系统的研制.pdf

摘要火电厂运行故障诊断是电厂安全运行的一个重要环节。在广泛查阅国内外有关故障诊断理论、技术和方法的资料后，文章首先阐述了故障诊断技术的基本理沦和方法，提出了火电厂故障诊断系统总体框架和主要功能。然后叙述了知识获取的方式，如何构建知识库和结合电厂实际设计的知识库。厂级监控信息系统是近年出现的新技术，它能够提供运行故障诊断的平台和取得异常信号。最后运用面向对象的程序设计语言( v b n e t ) 和数据库语言s q ls e r v e r 对系统进行开发，包括监测系统、故障诊断、监测报表、知识库维护等几部分的内容。关键词：运行故障诊断，知识库，厂级监控信息系统a b s t r a c tt h ef a u l td i a g n o s isi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a c h e sf o rr u n n i n gs a f e l yi nt h et h e r m a lp o w e rp l a n t f i r s t l y ，t h i sp a p e re l a b o r a t e st h et h e o r ya n dm e t h o do ff a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g ya n dm e n t i o n st h em a i nf u n c t i o na n dg e n e r a lf r a m eo ff a u l td i a g n o s i ss y s t e mi nt h ep o w e rp l a n ta f t e rc h e c k i n gt h ee x t e n s i v e l yt h e o r y ，t e c h n o l o g ya n dm e t h o da b o u tt h ef a u l td i a g n o s i s t h e n ，t h i sp a p e rp r e s e n t sh o wt o s e tu pt h ek n o w l e d g ed a t a b a s ea n dg a i nk n o w l e d g ea n dc o m b i n e st h ep l a n t sa c t u a lk n o w l e d g ed a t a b a s e s i s( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) i san e wt e c h n i q u ea p p e a r i n gi nr e c e n ty e a r sa n dc a np r o v i d et h ep l a t f o r mo fr u n n i n gf a u l td i a g n o s i sa n do b t a i n i n ga b n o r m a ls i g n a l s f i n a l l y ，f a u l td i a g n o s iss y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hv b n e ta n ds q ls e r v e r ，w h i c hi st h ep r o g r a md e s i g nl a n g u a g eo ft h eo b j e c t ，i n c l u d in gm o n i t o rs y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s ，m o n i t o rs t a t e m e n t ，a n dt h ek n o w l e d g ed a t a b a s em a in t e n a n c e e t c z h a n gh u i ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g )d i r e c t e db yp r o f l i uj i z h e nk e y w o r d s ：r u n n i n gf a u l td i a g n o s i s ，k n o w l e d g ed a t a b a s e ，s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于s i s 的火电厂运行故障诊断系统的研制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：荔躯日期：生翌z 兰：1 2关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定)作者签名：趁绥日期：盘巫! ：，导师签名：日期：些幽：t )华北 u 力人学坝l ：学f - ，论史1 1 课题的研究背景及意义第一章引言现代化的工程技术正朝着大规模、复杂化的方向发展，这类系统一旦发生故障就可能造成人员和财产的巨大损失。例如，2 0 0 3 年2 月，美国的“哥伦比亚”号航天飞机失事事故，使得美国的航天飞机飞行计划一度陷于停顿。迫使美国宇航局将发射时间定在白天。直至2 0 0 6 年1 2 月9 日，“发现”号成功夜航升空，才取消了这一限制。而1 9 9 8 年8 月到1 9 9 9 年5 月，美国3 种运载火箭：“大力神”、“雅典娜”、“德尔达”的5 次发射失败，更是造成了3 0 多亿美元的直接经济损失，美国航天局于1 9 9 9 年5 月下令停止所有的商业发射计划。因此切实保障现代复杂系统的可靠性与安全性，具有十分重要的意义，得到广泛的高度重视。故障诊断技术的出现，为提高复杂系统的可靠性开辟了一条新的途径【l l 。就电厂而言，安全、经济运行是火电机组运行的主要目标。由于大型火电机组系统庞大，设备众多，操作运行复杂，发生故障的潜在因素较多，一旦出现故障，轻则迫使机组降负荷运行，重则会导致停机事件发生，甚至会导致设备损坏，无论故障大小，都会间接或直接给电厂带来经济损失。因此，通过故障诊断及时发现设备的异常，并及时提醒用户采取处理措施，减小电厂的经济损失，提高设备和运行的可靠性，确保机组安全、经济地运行。1 2 故障诊断技术的发展及现状就世界范围来看，美国是最早研究故障诊断技术的国家。自1 9 6 1 年开始执行阿波罗计划后，出现一系列因设备故障造成的事故，1 9 6 7 年在美国宇航局( n a s a )倡导下，由美国海军研究室( o n r ) 主持成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) ，开始有计划地对故障诊断技术分专题进行研究，并取得了大量的成果。其中首推西屋公司( w e s t i n g h o u s e ) ，从1 9 7 6 年研制，到1 9 9 0 年已经发展成网络化的汽轮发电机组智能化故障诊断专家系统，已对其所产机组的安全运行发挥了巨大的作用，取得了很大的经济效益。目前美国的故障诊断技术在航空航天、军事、核能等尖端技术领域仍处于领先地位。英国对设备故障诊断技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，以r a c o l l a c o t t 博士为首的英国机器保健中心，在宣传、培训、咨询及诊断技术的牛北r 也力人学坝j 学位论丈开发方面做了大量的工作，并取得了很好的效果。目前英国在摩擦磨损、汽车、飞机发动机监测和诊断方面具有领先优势。日本的诊断技术研究始于2 0 世纪中期，1 9 7 1 年新日铁以丰用利夫教授为首率先开展对故障诊断技术的研究，到1 9 7 6 年已经达到实用阶段。日本虽然起步较晚，但发展很快，其做法是密切注视世界各国的发展动向，特别注意研究美国故障诊断技术的发展，积极引进消化最新技术。目前，日本在钢铁、化工、铁路等民用工业的诊断技术处于领先地位1 2 l 。我国在技术诊断上的研究起步较晚，1 9 8 3 年国家经贸委设备管理协会，结合我国国情，提出国营企业设备管理试行条例，有力推动了我国设备故障诊断技术的发展。当前我国在电力、冶金和石化等工业，在开发和应用设备故障诊断技术等方面走在了前面，1 9 8 3 年在宝钢和太钢成立了诊断技术试点单位，建立了振动、红外和铁谱三个实验室，研制成功了轴承在线监测系统、轻便高效的探伤仪、测厚仪、内窥镜及声发射技术；机械行业在现场简易诊断和精度诊断方面、航空工业在研制诊断仪方面、核工业在进行反应对故障诊断和寿命预测方面，铁道部在进行内燃机车油液的光谱、铁谱分析和电力机车诊断技术方面，以及交通部门在进行汽车不解体检测等方面都卓有成效。电力方面，故障诊断技术经过3 0 多年的研究与发展，已应用于汽轮发电机组、大型电网系统等领域。自8 0 年代中期以来，我国不少教学科研院所先后开展了故障诊断专家系统的研究工作，取得了许多研究成果，有一些系统已投入实际运行，而且在工程应用方面也积累了宝贵的实践经验【3 1 。但目前电力方面尤其是火电厂的故障诊断基于s i s 层设计的尚比较少。1 3 故障诊断系统在火电厂中的应用现状火电厂主要设备包括锅炉、汽轮机和发电机等，完成从热能到机械能再到电能的转换过程。设备与设备之间的祸合性、系统的复杂性，以及设备在高温、高压、高速旋转的特殊工作环境下，决定了火电厂是一个高故障率和故障危害性很大的生产场所，这些故障都将造成重大的经济损失和社会后果。因此，通过先进的技术手段，对设备状态参数进行监测和分析，来判断设备是否存在异常或故障、故障的部位和原因、故障的劣化趋势，以确定合理检修时机很有必要。当前，随着科学技术的不断提高，火力发电机组正在向大容量、高参数、高自动化方向发展。其中附属设备显著增加，使得机组系统的结构和功能越来越复杂，且大部分关键设备与部件处在高温、高压、高转速、多灰的恶劣条件下运行，其不安全因素越来越多，成为目前火电机组运行中故障率较高的设备。随着电站锅炉容量的不断增大，监视测点的不断增加，现有的监控方式表现出许多不尽完善之处。因为大型火电机组在装置2牛北l u 力人学坳l 学位论文水平上普遍采用了国际或者国内先进的分散控制系统( d c s ) 【4j 5 1 。d c s 中报警条件多达2 0 0 0 个以上，当故障时将出现大量报警信息，使得操作人员无所适从。为了及时判断真正的故障原因，报警管理设计诸如优先级、声、光等技术是重要的，一个方面，另外一方面还需要大量的专家知识，运行经验和复杂推理，根据状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数以及环境条件来判断故障类型，指出故障发生和发展的趋势以及后果，提出消除故障的对策措施。在s i s 层上开发这样一套故障诊断信息系统，对火电厂而言，具有比较大的现实意义。1 4 本文研究的主要内容及实施方法本文针对火电厂的运行中常见的故障，采用了多种技术相结合的诊断方法。即面向对象技术、数据库技术、厂级监控信息系统技术和基于规则的专家系统相结合的方法，对其运行故障诊断进行了初步开发研究1 6 l 。具体方案如下：1 设计语言的选取：用面向对象编程语言编写系统，可执行程序速度快、效率高。更重要的优势还在于由于面向对象编程语言的数据库功能相当完备、成熟，易于用数据库来构造知识库及利用数据库在数据共享、并发控制，数据存取和查询及低冗余方面的优势，能方便地设计出推理机及其相应解释功能。因此本系统采用目前流行的n e t 语言开发。2 数据库的建立：数据库系统包括数据库( d a t a b a s e ) 和数据库管理系统( d a t a b a s e m a n a g 鲫e n t s y s t e m ) ，其中数据库是采用某种数据模型的一个通用的综合性数据机和，具有最小的冗余度和较高的数据独立性，提供确定范围内的各种用户共享。而数据库管理系统则是管理和维护数据库的软件。本系统中采取目前比较流行的关系型数据库s q ls e r v e r 作为后台数据库，用来存储故障诊断中所用到的规则。3 厂级监控信息系统：电厂s i s ( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是最近几年才出现的专用名词，意旨电厂厂级实时监控信息系统，是属于厂级生产过程自动化范畴，主要目的是建设实现连接电厂m i s ( 属于厂级管理现代化范畴) 和各种分散计算机控制系统的桥梁，从而在整个电厂范围内实现信息共享，真正做到管控一体化，为实现电厂整体效益提高的根本目的打下坚实基础。目前，s i s 系统建设一般包括实时历史数据服务器、数据采集前端和建立在数据服务器基础上的各种应用软件。s i s 的主要功能为：( 1 ) 生产过程信息监测和统计；( 2 ) 实时性能计算和分析；( 3 ) 经济性分析和诊断；( 4 ) 设备寿命监测和管理；( 5 )设备状态监测和故障诊断；( 6 ) 厂级优化负荷分配11 f 北i 乜力人学顿i j 学位论文4 专家系统：专家系统是具有专门领域的专家水平的知识，并能像专家一样工作的智能程序系统。它强调的是“知识”，用大量的专家专业知识来解决实际工作中遇到的问题。由于知识是专家系统的关键，因此知识的表达也就成为专家系统设计的核心。所以，本文的主要内容包括：( 1 ) 介绍电厂运行故障诊断的基本理论( 2 ) 故障诊断知识库的建立( 3 ) 介绍厂级监控信息系统( 4 ) 介绍了如何用软件开发工具和数据库技术来实现它。1 5 本章小结本章主要介绍了课题的研究背景、选题意义，然后介绍了故障诊断的发展情况，最后结合了故障诊断系统在火电厂的现状，提出了本文研究的主要内容和实施方法。4华北电力人学顾t 学位论文第二章故障诊断的基本理论与主要功能2 1 故障诊断的基本理论故障诊断是根据设备运行状态信息查找故障源，并确定相应决策的一门新兴的综合性应用学科，它是根据对象的行为表现来确定对象行为原因的一种技术。它融合了多种学科理论，具有基础理论较新，体系边界模糊、实施技术繁多、工程应用广泛、发展速度快及与高技术发展密切相关等特点。2 1 1 故障诊断的基本概念按照我国电子工业部部标的规定，故障是指系统在规定条件下，不能完成规定的功能；或在规定的条件下，一个或几个性能参数不能保持在规定的上下限值之间。故障诊断的内容包括状态监测、分析诊断和故障预测三个方面。具体实施过程可以归纳为：1 信号采集设备在运行过程中必然会有力、热、振动及能量等各种量的变化，由此会产生各种不同的信息，根据不同的诊断需要，选择能表征设备工作状态的不同信号，如振动、压力、温度等是十分必要的。这些信号一般用不同的传感器来获得。2 信号处理这是将采集的信号进行分类处理、加工，获得能表征系统特征的过程，也称为特征提取过程，如对振动信号从时域变换到频域进行频谱分析即是这个过程。3 状态识别将经过信号处理后获得的设备特征参数与规定的允许参数或判别参数进行比较、对比以确定设备所处的状态，是否存在故障及故障的类型和性质等。为此应正确制定相应的判别准则和诊断策略。4 诊断决策根据对设备状态的判断，决定应采取的对策和措施，同时应根据当前信号预测设备状态可能发展的趋势，进行趋势分析。上述诊断内容如图所示：牛北电力人学坝 学位论文2 1 2 故障诊断的分类等；图2 1 诊断过程框图按照故障诊断的对象、目的等可以有以下几种分类方法：一、按诊断对象分类：1 、旋转机械诊断技术如汽轮发电机组、燃气轮机组、压缩机组、水轮机组2 、往复机械诊断技术如内燃机、往复式压缩机及泵等；3 、工程结构诊断技术如海洋平台、金属结构、框架、容器等；4 、运载器和装置诊断技术如飞机、火箭、汽车等等：5 、通讯系统诊断技术如雷达、电子工程等；6 、工艺流程诊断技术主要是生产流程，传送装置及冶金压延等二、按诊断的目的和要求分类：1 、功能诊断与运行诊断功能诊断是对新安装的机器设备或刚维修的设备检查其功能是否正常，并根据检查结果对机组进行调整，使设备处于最佳状态；而运行诊断是对正在运行的设备进行状态诊断，了解其故障的情况以及相应的采取的措施等等。本文所涉及的就是这一类诊断方式。2 、定期诊断和连续诊断定期诊断是每隔一定时间对监测的设备进行测试和分析；连续诊断是利用现代测试手段对设备连续进行监控和诊断。3 、在线诊断和离线诊断在线诊断是指对于大型、重要的设备为了保证其安全和可靠运行需要对所监测的信号自动、连续、定时地进行采集和分析，对出现的6毕北i u 力人学坝i 学位论立故障及时做出诊断，离线诊断是通过磁带记录仪或数据采集器将现场的信号记录并存储起来，再在实验室进行回放分析，对于一般中小型设备往往采用离线诊断方式，而电厂的故障诊断系统则必须采用在线诊断的方式。三、按诊断方法的完善程度分类：1 、简易诊断利用一般简易测量仪器对设备进行监测，根据测得的数据，分析设备的工作状态。2 、精密诊断方式利用较完善的分析仪器或诊断装置，对设备故障进行诊断。一般这种方式用于大型、复杂的设备，如电站的大型汽轮发电机组、石油化工系统的关键压缩机组等。2 1 3 故障诊断的方法1 、模式匹配诊断对象的每一个故障原因都对应着特定的系统异常表现，将这些不同的异常表现作为对应故障原因的特征模式，则故障诊断问题就转化为模式匹配问题。特征模式通常是领域专家从多年实践经验中获得的，也可以通过对系统行为的分析获得。早期的诊断系统大部分是将这类经验知识转化为启发式规则的形式。由于在多数情况下这类经验知识往往无法准确进行形式化的描述，因此知识的搜集整理往往决定了一个系统的诊断能力。另外这类系统往往采用完全匹配原则，对于存在干扰和噪声的信号以及不完整的信号无法进行合理判断。2 、基于功能模型的诊断方法通常功能定义为对预期完成任务的描述，每一个诊断对象都具有自身的总体设计功能，而这个功能是通过一系列不同性质的子功能组合实现的，这些子功能往往又可以进一步分解：另一方面，任何系统的功能模式又是通过他的结构模式来实现的，因此可以根据功能将系统结构分解成子系统、部件级等不同层次，不同层次的结构分别完成该层次对应的予功能。3 、定性推理在搞清一个大型复杂系统行为时，往往不需要使用定量的数值计算，而且在许多环境下难以使用严格的定量方法。近些年来发展起来的定性推理理论和方法避免了复杂的定量计算，直接利用定性计算解释系统参量间的因果关系，因而在故障诊断专家系统中具有广阔的应用前景。4 、基于信号处理的方法通常利用信号模型，如相关函数、频谱、小波变换等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等特征值，从而检测出故障。该方法简单且易于实现，7半北 u 力人学坝i ：学位论文但因为故障原因与设备故障征兆之b j 存在一定的不确定性关系，容易出现故障的错判和漏判。5 、基于解析模型的方法是在明了诊断对象数学模型的基础上，按一定的数学方法对被测信息进行处理诊断。目前基于解析模型的方法得到了深入的研究，其特点是通过建立被诊断对象的精确数学模型，运用数理统计、解析函数等数学方法，使诊断过程能深入系统本质，实现故障的实时、动态诊断。但在实际应用中，常常难以构建被诊对象的精确数学模型，加上大型复杂设备的非线性特征，这就大大限制了基于解析模型诊断方法的使用范围和效果。6 、基于故障树的方法故障树( f a u l t t r e e a n a l y s i s ，简称f t a ) 分析是用于大型复杂系统可靠性、安全性分析及故障诊断的一个有力工具。它实际上就是把因果逻辑关系用树状关系图列出来的表达方式，是以图形的方式表明“系统是怎样失效的”。故障树分析法简单地讲就是把系统最不希望发生的故障作为故障分析的目标，把选定的目标故障状态称为顶事件，然后找出引起顶事件的底层因素。它是一种图形演绎方法，通过层层深入的分析，找出系统的薄弱环节，以进一步改进设计和提高关键件的可靠度，从而提高最终系统的可靠性。2 2 系统的总体分析2 2 1 电广故障诊断涉及的问题汽轮发电机组是电力生产的重要设备，由于其设备结构的复杂性和运行环境的特殊性，汽轮发电机组的故障率不低，而且故障危害性也很大。锅炉是发电厂的重要设备，它担负起提供合格品质蒸汽的任务。它主要由过、再热器系统、炉膛燃烧系统、送风系统、制粉系统、给水系统、给水减温水系统、汽包和尾部受热面系统组成，另外还包括过热温度、送风、引风和给水等几个参量调节系统。锅炉设备是一个由一系列子系统和部件组成的多层次复杂系统。同一层次的不同系统之间通过进出口相连接，每一个子系统和部件都具有其固有的结构和功能，而且相互之自j 密切配合，不同层次之间也相互联系，整个系统的特性就是由这些子系统和部件的特性以及它们之间的联系决定 7 1 。2 2 2 电厂故障诊断的特点通过以上对火电厂系统结构与功能特性的分析，可以得出其结构的层次性、复8o # 北i u 力大学硕i j 学位论文杂性，其控制功能的集中性，并通过对其故障及传播机理的分析，可以看出其故障具有以下特点：i s j l 9 j：1 、层次性：这是电站设备故障的最基本的特性，是由设备结构和功能的层次性所决定的。故障原因与故障征兆也相应与不同的结构层级、功能层级以及测点参数类相关联，高层次的故障是由低层次的故障引起的，而低层次的故障必定引起高层次的故障。2 、相关性：某一故障可能对应若干征兆，某一征兆也可能对应若干故障，它们之间存在着错综复杂的关系。设备故障的“横向性”，是由系统各参数之间的联系所决定的；设备故障的“纵向性”，是指由元件的故障相继引起部件故障一子系统故障一系统故障。因此微小的故障如不及时发现和排除会造成严重的后果。3 、延时性：故障的传播机理表明，从原发性故障到系统级故障的发生、发展与形成，是一个由量变到质变的过程，即故障具有延时性。4 、模糊性：故障问题往往不仅有性质的概念，还有度与量的关系，故不能单纯以“事故”与“正常”来表达。鉴于此，可以利用可信度概念来表述经验知识的模糊性。这样可以较为科学地量化经验知识，使诊断科学化、规范化，并可以提高诊断的准确性。5 、放射性：某一部位的故障可能引起其它部件出现异常，一个故障存在多条潜在的故障传播途径，因而可能引起多个故障同时存在。2 3 故障诊断系统所要实现的功能2 3 1 系统概述故障诊断系统能够综合利用各种信息和诊断方法，具有更高的诊断效率和更好的诊断效果，是火电厂故障诊断的发展方向。由于一种故障在一台机组不同状态、同型机组之间和不同型号机组之间表现特征不完全相同，征兆和故障之间不存在一一对应关系，应当更具故障机理研究、模型试验和计算机仿真，结合特定的机组结构特点、运行操作规程、常见故障及原因，对故障和征兆做出明确的定义，总结出适合特定机组的故障诊断规则【1 0 】。设计专家系统过程中，要处理好故障信息之间的层次关系以及因果关系，在开发系统时应该体现出来。要求该系统能利用从现场采集来的数据进行实时监控，并对异常参数进行报警，进而利用所提取的监控信号，对故障发生位置进行精确定位，并给出整个推理过程。如果现有信息不足，专家系统无法做出判断时，系统将通过人机对话的方式获取信息、完成故障定位的功能，并给出相应合理的处理措旌。同时系统还具有学习的功能，能在故障范例和实际操华北i 乜力人学烦i 。学位论文：作中积累故障推导的相关信息i l “。火电厂运行故障诊断系统是利用实时历史数据库技术，从电厂的实时数据库中获取信息，如果信号异常，则根据建好的专家系统的规则库，发出相应的警报。另一方面是在s i s 层开发一个针对报警信息的专家系统，建立一个比较完善的数据库，用于存储故障条件( 来自实时数据库的异常信号) 、故障原因( 比如汽包水位过商) 、故障后果、预防措施及其他些数据项。并把相应的内容以报表形式输出。能够使电厂操作人员对发生的警报有直观的了解，并起到提供故障处理意见的作用。其工作流程如图2 2 所示：2 3 2 主要功能模块图2 2 故障诊断系统整体结构层系统的主要功能模块包括在线监测、故障诊断、故障预测、监测报表、知识库维护等。1 、在线监测：在系统中随时监测从d c s 侧传到实时数据库中的数据，一旦有功能不正常、性能指标超标等系统工作不正常现象，即显示报警。其具体过程为：通过数据通信d c s 、p l c 等方式获取运行参数，并将其存储在实时数据库中；提取参数征兆，通过与数据库进行交互，根据诊断数据库中的检查规则判定异常数据，将其转换为现场人员容易理解的知识，同时也将这些运行参数转化为人工神经网络所能识别的数值知识；显示监测数据及报警，通过用户图形界面显示所监测的运行参数，并以醒目的方式显示异常数据，为操作人员提供报警。2 、故障诊断：一旦发现系统功能不正常、性能参数超标等系统工作不正常现象，即启动故障诊断与预测模块进行故障诊断定位。调用知识库中相应的故障知识，1 0f # 北电力人1 帧i + 学位论文采用有效的推理机制，并选用合理的搜索推理策略，确定故障源所在，最后显示故障位置、故障种类、故障性质、故障级别等故障信息。3 、监测报表：把故障发生时的故障信息以报表的方式存储到计算机数据库内。4 、知识库维护模块：它的主要功能是通过对电厂运行规程的学习，完成舰则的录入，并将规则存储在相应的数据库中，以建立故障诊断与预测模型。主要表现为故障诊断与预测系统对故障类型识别方法的信息收集，为下一步诊断或预测做准备。对其操作包括增加、删除、修改等。2 4 本章小结本章叙述了故障诊断相关技术的基本理论和主要功能，包括故障诊断的基本理论、诊断分类和方法等相关技术几个方面。并对所要研究的电厂故障系统进行总体分析，主要从其的组成、结构特点、功能特点和故障特点出发，同时结合故障诊断的技术现状，进而设计出电厂运行故障诊断专家系统的主要功能模块。牛北i 乜力人学顾i j 学位论文第三章故障诊断系统知识库的建立3 1 诊断知识的范围故障诊断问题主要涉及到诊断对象的所属设备、诊断系统和人这三大基本要素，其中人起到了决定性的主导作用，诊断知识的范围也应该包括这三大基本要素方面的知识。结合电厂设备运行故障诊断的特点、人类专家的认识能力和实际故障诊断经验。本文将电厂运行故障诊断专家系统的知识分为深、浅两层知识。下面分别叙述一下这两方面的知谚 i “1 。浅知识包括人们在实践中诊断故障的经验知识、背景知识、元级控制知识和决策知识等，具体内容如下：1 、人的经验知识：经验知识是指领域专家或运行人员在长期的故障诊断实践中积累起来的，是关于如何通过观测到的行为特征，来对故障进行猜测、判断、识别、验证和消除等的启发性知识。它主要表现在故障与故障、故障与征兆、征兆与征兆之间的复杂关系。2 、背景知识：背景知识是指与诊断系统、诊断对象设备和人有关的当前和过去所处的特定环境因素。如设备的制造、安装、大修情况，曾经发生过的故障部位和处理结果等知识。3 、元级控制知识：元级控制知识是指在诊断过程中，如何有效地运用上述各类知识的知识。它主要是用来协调和控制不同类型知识的利用策略，以提高诊断效率。4 、决策知识：是指机组发生故障时是否采取或怎样采取应急措施( 如带病运行、立即停机等) ，及各类故障可采用的检测和维修方案。由于电厂故障现象和故障原因之间呈现一种复杂的网状关系，多数情况下并不能立即确诊，需要经过“诊断一处理”多次反复，因此决策知识一方面可作为应急措施或维修处理的咨询意见，同时在不能完全确诊并在允许的条件下也可作为诊断经验知识的必要补充。深知识包括电厂运行系统的结构、功能、行为和故障机理方面的知识，具体内容如下：1 、结构知识：结构知识是指其所属的系统及设备的构成与连接关系。电厂运行设备的结构知识具有层次性，可以分为系统级、分系统级、子分系统级、设备级以及部件级等多个层次。而连接是一种参数传递，用于引导推理搜索方向，确定对象之间的相互影响关系。各个层次通过错综复杂的连接关系而构成一个有机的整体。2 、功能知识：功能知识是指设备或系统在设计时要实现的一些行为。对于电厂运行系统而言是一个从化学能一热能一机械能的复杂转换过程，这一复杂系统的功能知识通常用能量平衡、质量平衡和特性方程来描述。1 2华北也力人学坝i 学位论文3 、行为知识：行为知识是指设备或系统所有输出的表现形式或状态。可以通过设备运行过程中各种性能参数表现出来，通常有满足设计要求的正常状态和偏离设计要求的异常状态。：4 、故障机理知识：故障机理是设备故障形成和发展的规律。可利用设备的结构、功能和行为等方面知识的综合分析才能了解到，有时要通过模拟试验才能获得，这是故障诊断非常重要的知识。3 2 知识的获取知识获取过程可以看作是一类专业知识从知识源到知识库的转移过程。知识源有人类专家、资料和书本等。针对本文提出的设备故障诊断的知识范围，设备故障诊断知识的获取可采用分层次的获取策略。分层次表现为：面向诊断对象设备、面向领域专家和面向诊断系统的三个层次的诊断知识获取策略【1 3 l ，其过程为：1 、获取设备的结构、功能、行为、技术条件、工作环境、操作规范等方面的知识，这方面的知识可以通过设备的设计人员和从设计文件、技术规程、使用说明、操作规程和特征方程等方面获取。2 、获取设备故障机理方面的知识。这方面的知识可从设备故障机理的研究人员、可靠性分析人员、设备运行维修人员、故障诊断专家、以及设备故障的历史记录资料等方面获取。3 、获取故障与故障、故障与征兆、征兆与征兆之间的复杂关系等方面的知识。这类知识主要是从具有丰富诊断经验的领域专家或者由专家总结出来的文件资料来获取。从经验丰富的诊断专家获取知识，要充分考虑专家的思维过程和问题处理方式。早先的专家系统所采取的知识获取方式完全依靠专家和计算机工作者把领域知识总结归纳出来，然后将它们程序化后建立知识库。这样的知识库灵活性较差，知识获取和维护也较难。直到近几年随着专家系统和人工神经网络的结合，大大的改观了知识自动获取的局面【“l 。本文采用的正是这种机制，对于那些很难规则化和模型化的知识引入人工神经网络技术，在人工神经网络中通过机器学习来获取知识。采用机器学习的方法很大程度上解决了专家系统知识获取的“瓶颈”问题。3 3 电厂故障诊断专家系统的知识表示故障诊断知识需要适当的方法来表示，才能在智能诊断系统或计算机中存储、检索、运行、增加、删除和修改。所谓知识表示方法，就是用来描述和组织知识的规则符号、形式语言和网络图等。一种有效的知识表示应具有简洁性、合理性、灵活性、透明性并易于进行推理诊断。目前，人们己提出了多种知识表示方法，如一阶谓词逻牛北电力人学坝l 擘位论文辑表示、语义网络表示、产生式规则表示、框架表示、过程表示、人工神经网络的知识表示和面向对象的表示等，下面分别简要介绍一下本文用到的几种知识表示方法1 1 5 】【1 6 】。：i 、“产生式规则表示”是随着基于概念形式的知识而诞生的，用于表示那些系统中不能用数学公式描述的经验知识。规则表示形式简单明了、直观、形象、推理速度快，它还可以处理模型信息和过程信息，目前在专家系统中得到了广泛的应用。产生式规则库由一组规则组成。规则可抽象地描述为一个包含两个元素的对偶，一个为条件，另一个为动作，其一般形式为：i f ( 条件) t h e n ( 或 )规则表达范式是目前最成熟，使用最普遍的形式。但规则依赖历史经验，且自解释能力差，因此很适合于具有丰富经验的专业领域问题。本文利用产生式规则来表示专家经验知识、背景知识、决策性知识等较清晰的知识。2 、“模型表示”可以用来刻画电厂运行系统的设备结构、功能和故障机理，它是与诊断对象对应的结构与功能的输入输出因果关系表达式。模型的形式可用b n f范式定义如下：模型：= 其中 属性) 是模型的名称， 是模型的输入输出参数表或表达式， 是知识库、数据库、模型库之间的关系， 是关于模型功能及相关信息的说明。对于复杂系统，建立一个相应的具体模型比较困难，有时甚至难以实现。但模型能克服规则对预测系统将要发生的故障必须依赖于历史的故障诊断经验的缺陷。3 、“过程表示”就是过程调用，以独立模块化的形式存在，它往往不是单独使用，而是与其他知识表达范式结合起来使用。例如，过程( 包括计算表达式) 可作为框架表示中的槽值，也可以在规则表示中的前提部分使用。它是适合予动态知识表达的一种方法，其特点是求解问题效率高，具有模块化和层次化的优点。4 、“框架表示”是一种描述某种形态的数据结构，通常用于描述具有固定形式的对象。它由框架名和一组用于描述框架各方面具体属性的槽组成。每个槽又设有一个槽名，槽名下面有对应的取值，称为槽值或填充值。框架可以表示客观事物所具有的属性或所处的状态以及它与其它事物之间的关系等。它的表示既是层次的，又是模块化的，是一种较为理想的知识表示方法。5 、人工神经网络的知识表示：人工神经网络所需要的知识包括连接权值矩阵w ，学习速率r i ( 阀值) 、变化的知识以及确定过去学习效果的常数一动量因子a等。其知识表示方式有两种：一种是局部的表示方式，这是一种直接表示法，每个神经元表示一个概念或符号，神经元之间的连接则与概念或符号之间的关系相对应，它可以根据问题的需要解释成一个概念或符号对另一个概念或符号的关联程度，或者是解释成为求解问题中的推理规则等等；另一种是分布式表示方式，信息、1 4o # 北电力火学颀i 学位论文概念或符号通过多个人工种经网络的某些动作或动念模式来表达。也就是说，一个概念或符号通过多个神经元表达，而不是单个神经元来表达。人工神经网络的故障诊断知识，都是可以用数学公式加以定量描述，但人工神经网络方法自身也存在学习效率低、训练速度不高、知识表达的逻辑关系不明显、不易理解和维护，也不便直接表达包含时序关系的复杂知识、启发性知识等问题，使其实用性大受影响。在目前看来，单独使用任何一种方法建造的专家系统都有不足1 1 ”。上述五种知识表达范式各具特点，对于电厂运行设备故障诊断问题，单一的一种知识表示方法很难表达完整的故障诊断知识。在实际构造的运行故障诊断层次网络中，可将每个故障结点( 即一个事故类型) 看成为一个独立的诊断对象，应用面向对象技术，把诊断对象的结构、功能、属性、行为特征、诊断推理知识等“封装”在表达对象的诊断单元中。在这个诊断层次网络结构中，那些不断变化的运行参数就是它们相互关联的激发点和纽带。它很好地把整个故障发生的结构、层次特点及各故障间的因果关系显式和简明地表达了出来。此种知识表示方法是把面向对象表示、框架表示、模型表示、规则表示和过程表示联合起来的一种综合表示方法。而当不能提取出有效的规则集或模型方程时，可采用人工神经网络的知识表示方法。将现场中的故障数据用实例样本的方式表示出来，通过人工神经网络学习算法进行转换，保存网络训练后的权值及阀值所隐含表示的专家知识。从而可以实现知识表示、存储和推理三者的统一1 1 别。这两种知识表示方法集中了各种表示方法的优点可以满足电厂运行系统故障诊断的要求。3 4 面向对象的知识库系统的建立通常的面向对象的系统中，将现实世界中存在的所有概念和实体模型化为对象0 7 1 。而在面向对象的知识库系统中，是将知识和作用在知识上的处理方法( 规则及相关的推理过程) ，封装在一个独立的单元知识对象中。知识对象是作为一个整体来使用的，从它的外部只能看到外部特征，及该对象能接受或处理哪些消息，具有哪些知识处理能力。其内部的静态知识和动态知识对外面是不可见的在面向对象的知识库中以对象标识来区别不同的知识对象( 类) ，一个对象所具有的知识表征它的静态属性，而知识的处理方法则表示它的动态智能行为。其中对象标识包括对象名、类名、父类名、类型、变量名以及消息传送接口等。知识包括对象的内部状态描述，即事物的特征属性记述，知识的处理方法包括知识的获取方法、推理方法、消息传递方法及知识的更新方法等f 1 9 11 2 0 l 。面向对象知识库系统的基本概念有：1 、对象( o b j e c t ) ：是将知识和使用知识的一组操作或过程封装在一起得到的一个实体。它统一了知识及其处理过程，在面向对象知识库系统中作为一个总体来使1 5牛北t u 山人学硕l ：学位论丘=用。2 、类( c l a s s ) ：具有相同结构、属性和功能的知识实体抽象出的模型。对象是类的实例化，而类则是对象的抽象化。3 、消息( m e s s a g e ) ：一种包含调用对象、初值、过程名和返回值等信息载体。它统一了知识流和控制流，是系统中对象之间联系的纽带。4 、继承( ( i n h e r i t a n c e ) ：下层对象( 类) 继承上层对象( 类) 的属性和功能。面向对象知识库按照人类认识客观世界的方法和思维方式来分析与解决问题，将具体的事物或抽象的概念用知识对象( 类) 的方式表示出来。【19 l 以知识对象( 类) 为知识库系统的基本元素，同时，知识对象( 类) 也是分析问题、解决问题的核心。知识库中的知识对象与现实世界的对象具有一一对应的关系，很容易为人们所接受和理解。而且使面向对象知识库系统的开发能采用增量式技术，即大型系统可以一个模块一个模块的逐个建立。在本文的面向对象知识库系统的结构中，知识库部分由事实库、知识库和知识对象的生成、封装模块共同组成。由于数据库具有管理数据的强大能力，因此在系统实现时仍然使用数据库存储数据，但只有经过知识库处理过的数据才可被称为事实。为了解决这个矛盾，在数据库中存储事实对应的数据，在知识库中存储这些数据的指针，只有知识库中指针指向的数据才是知识库认可的数据。3 4 1 事实库的表示与存储在事实库中，事实型知识是按照关系模型以关系记录的形式表示的。建立关系数据库包括三部分内容，一是建立数据结构，就是用一系列的二维表格来表示出所研究的数据对象；二是对以上二维表格进行完整性约束，减少冗余，规范不合理设计，使得数据能够被高效利用；三是对这些规范化了的数据进行操作，包括o d b c设置，以便于诊断系统利用1 2 。对于本文所建立的知识库来说，主要组成部分是各种类型的表，如监测参数表、监测参数类型表、故障表、故障类型表等，各个表之间通过一些相关的关键字来联系。一个高效的数据库必须是数据全面而无冗余，这就要求我们对各数据表之间进行规范化处理。对数据库进行规范化处理一般有三步，即通常说的第一、第二、第三范式处理f 2 甜1 2 3 1 。第一范式：分析未规范的数据，并确定那些造成重复的属性，将这些重复属性从表中移开，放入另一个单独的表中，避免重复属性占用存储空间，造成这些空间得不到很好利用。第二范式：这一步骤主要是考虑表中的关键字，用户必须确认表中的所有字段1 6华北i u 力人学硕i 学位论文都必须依赖f 关键字，如无依赖关系，则放入另一表中，从而把数据库中的数据冗余消除。：第三范式：按照第三范式规范化数据意味着表中所有非关键字的字段必须依赖于主关键字而彼此之间又相互独立。在本课题中的数据库设计过程中，对数据库中的数据表都进行了有效的规范化处理，同时又兼顾系统运行的需要。总之，经过对数据库以上规范化处理，保证了冗余数据的消除，使数据结构尽可能简洁，数据记录更容易提取，也使数据更适合于系统的调用。采用成熟的关系数据库技术建立并管理故障诊断与预测事实库，可以方便地对这些知识进行增加、删除、修改、浏览等操作，增强了知识对技术人员的透明度，并极大地简化了系统设计和维护人员对已有知识的访问过程和管理、维护难度。同时利用o d b c ( 开放的数据库连接) 技术可以在多种编程环境中方便地实现对各种数据库系统的访问1 2 4 】。3 4 2 面向问题的知识库的设计对于常见故障，人们很少对系统进行分析推理去查找故障，而是根据观测的现象直接确定故障位置和类型，人们在长期生产实践中确定的这种经验知识称为浅知识，这种知识是面向问题的，在故障诊断中主要是面向故障的知识。用经验知识诊断故障，避免了深知识推理过程的搜索等求解过程，直接把现象和故障关系对应起来求解速度快，求解常见故障很方便。另外，对一些复杂系统，其物理模型很难建立，也应该求助于经验知识进行诊断。经验知识是以规则的形式来体现的，一般情况下条件是与的关系，即一个故障会产生许多可观测现象。知识是面向故障的，即一条规则是与故障联系到一起的。目前运行人员在生产实际中主要是由这一类经验知识来诊断故障，对常见故障几乎都有相应的诊断经验知识，这些知识一般列于运行规程中。对应于知识库的设计结构如下所示字段名称字段类型字段说明故障现象文本规则类型关键字故障代码文本故障名称故障原因文本故障表关键字故障描述文本对故障原因进行分析建议采取措施文本指导运行人员进行操作表3 一l 故障诊断知识库表设计1 7牛北i u j j 人学硕 学位论义在设计好了数据库结构以后，我们就可以参照电厂运行规程，把相应的规则输入数据库中了。3 5 本章小结本章介绍了诊断知识的范围，诊断知识的获取和表示，最后根据以上内容设计出了故障诊断知识库的结构。1 8o # 北i 乜力人学硕卜肇位论文第四章厂级监控信息系统( s i s )4 1 厂级监控信息系统概述电力生产企业生产和管理一般分为3 个层次，即下层的控制操作层，面向运行操作者；中间的生产管理层，面向生产和技术管理者；上层的经营管理层，面向行政和经营管理者。目前，我国许多电厂均建立了面向运行操作者的d c s 和面向经营管理层的m i s ，恰恰缺少了面向生产管理层的自动化网络，这是造成我国电力生产管理水平和运行经济性指标不高的重要原因之一。因此，基于以上分析，非常有必要在d c s 和m i s 间建立一套面向电厂生产管理层的厂级监控信息系统，形成厂级综合自动化系统( 包括s i s 和m i s ) 。在国家电力公司2 0 0 1 - - 2 0 1 5 科技发展规划中已明确提出，将在我国大型机组和老厂改造中建立厂级自动化系统，并将使其完善和推广应用。同时随着我国电力企业市场化的改革，“厂网分开、竞价上网”的实施，要求各电厂必须把电力生产的安全性和经济性并重，优化生产过程，降低生产成本和设备损耗，提高电厂的现代化管理水平，以适应电力市场发展的需要【2 5 1 。电厂s i s ( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是最近几年才出现的专用名词，意旨电厂厂级实时监控信息系统，是属于厂级生产过程自动化范畴，主要目的是建设实现电厂m i s ( 属于厂级管理现代化范畴) 和各种分散计算机控制系统的桥梁，从而在整个电