（电力系统及其自动化专业论文）同步发电机励磁系统状态监测与诊断研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a c q u i r e df r o mt h er e s u l t so f s i m u l a t i o nb e c a u s et h ea 1 1 c o n d i t i o nm o d e l i n gi se m p l o y e db y a n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，q u a n t i t a t i v ec o n d i t i o n i n f o r m a t i o na n df a u l tf e a t u r e so f e v e r y f a u l tm o d eo f e x c i t a t i o ns y s t e mc a nb eo b t a i n e dt oe n r i c ht h ee x p e r tk n o w l e d g e a tt h el a s tp a r t t h ef r a m e w o r ko fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i se x p e r ts y s t e m f o re x c i t a t i o n s y s t e m i s d e s i g n e d i tp r o v i d e s as o l u t i o nf o re x c i t a t i o n s y s t e m o f g e z h o u b a h y d r op o u e r p l a n t k e y w o r d s ：e x c i t a t i o ns y s t e m f a i l u r em o d ef a u l tm e c h a n i s m s i m u l a t i o n m o d e l i n ge x p e r tk n o w l e d g e 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 提要：描述了同步发电机励磁系统在电力系统中的地位及其发展特点，阐述了目前电厂励磁系统 检修、维护的现状针对电厂状态检修的发展趋势需求，通过对设备常用的诊断方法综述，引出 了论文的主要研究工作。 1 1 同步发电机励磁系统 励磁系统是同步发电机组的重要组成部分，其主要任务是向同步发电机的励磁绕 组提供一个可调的直流电流( 电压) ，控制机端电压恒定，满足发电机正常发电的需 要同时控制发电机组间无功功率的合理分配，保证同步发电机并列运行的稳定性， 以满足电力系统安全运行的需要。优良的励磁系统不仅可以保证发电机稳定和可靠运 行，而且可以有效地提高发电机及电力系统的经济技术指标。 11 1 励磁系统发展特点及描述 图卜1 葛洲坝水力发电厂m e c 系列励磁系统 随着控制理论的发展和新技术、新器件的不断出现，近年来人们对励磁系统的控 制方法和可靠性技术作了大量的研究1 。”使励磁系统的性能和可靠性得到了定的 提高。总体来说，励磁调节方式从手动发展到了自动；调节功能从单一电压调节发展 列多功能的励磁控制6 】；调节规律从线性励磁调节发展到非线性励磁调节：在实t 目t - 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 提要：描述了同步发电机励磁系统在电力系统中的地位及其发展特点，阐述了目前电厂励磁系统 检修、维护的现状针对电厂状态检修的发展趋势需求，通过对设备常用的诊断方法综述，引出 了论文的主要研究工作。 1 1 同步发电机励磁系统 励磁系统是同步发电机组的重要组成部分，其主要任务是向同步发电机的励磁绕 组提供一个可调的直流电流( 电压) ，控制机端电压恒定，满足发电机正常发电的需 要同时控制发电机组间无功功率的合理分配，保证同步发电机并列运行的稳定性， 以满足电力系统安全运行的需要。优良的励磁系统不仅可以保证发电机稳定和可靠运 行，而且可以有效地提高发电机及电力系统的经济技术指标。 11 1 励磁系统发展特点及描述 图卜1 葛洲坝水力发电厂m e c 系列励磁系统 随着控制理论的发展和新技术、新器件的不断出现，近年来人们对励磁系统的控 制方法和可靠性技术作了大量的研究1 。”使励磁系统的性能和可靠性得到了定的 提高。总体来说，励磁调节方式从手动发展到了自动；调节功能从单一电压调节发展 列多功能的励磁控制6 】；调节规律从线性励磁调节发展到非线性励磁调节：在实t 目t - 华中科技大学硕士学位论文 段：，从模拟调节器直至数字式励磁调节器；在功能上，集成了参数优化和自动诊断 等模块1 7 叭。 下面以葛洲坝水力发电厂m e c 系列数字可控硅静止自复励励磁系统【”i ( 见图 1 1 ) 为例，简单介绍同步发电机励磁系统的组成结构和功能框架。 葛洲坝电厂采用的数字励磁系统是以工业微机为中心体，新型整流元件以及电压 电流测量元件、保护器件为辅的电气控制系统。按照实际结构和功能可以分为6 个部 分。 1 、智能调节单元，包括测量模块、多台冗余控制微机、同步信号模块、脉冲输 出模块等。采用了最优励磁控制规律，能根据设定的调节方式控制输出，自动调节发 电机机端电压。 2 、可控硅整流单元，根据机组大小由若干三相全控整流桥并联组成，将交流电 按照控制要求转换为相应的直流电，给转子供电。正常停机时可不跳灭磁开关实现逆 变灭磁。每个整流桥有6 个可控硅，每个可控硅采用了阻容保护。交流侧还设置了浪 涌吸收器，防止操作过电压。 3 、灭磁单元，包括灭磁开关、尖峰吸收器、灭磁电阻和过压保护回路等。主要 用于吸收转子侧的尖峰电压，防止过电压和进行灭磁。 4 、整流桥阳极电源，自复励励磁系统的整流桥阳极电压取自发电机机端，经励 磁串联变和励磁并联变送到整流桥。这样的接线方式可以防止发电机短路时励磁电压 过低。 5 、转子回路，将励磁电流从灭磁柜送到转子滑环。 6 、起励电源，取自直流电。当机组残压过低时投入。当发电机电压升到一定程 度时，自动退出。 11 2 国内励磁系统的检修、维护现状 对系统设备的检修和维护，保证系统正常工作是发电厂运行维护人员的- m 重要 任务。设备的运行可靠对系统的稳定性起着重要的作用。长期以来，我国电力系统的 发f 弦电设备均采用定期预防性试验和定期计划检修【。 按照我国电力行业检修规程i l ，励磁系统的维护主要分为大修和小修。一般情况 下，小修时间控制在3 - 7 个实际工作日，其间隔不超过7 8 个月；大修时间控制在 2 0 一一3 5 个实际工作同，其间隔为3 4 年。小修主要进行丌关、刀闸触点以及变压器等 华中科技大学硕士学位论文 的绝缘检查( 如整流柜阳极刀闸、直流刀闸检查，一、二次回路的绝缘检查) ，还有 磁场断路器、氧化锌电阻的检测：大修不仅包括所有小修项目，还有一些设备的性能 测试试验( 如励磁系统带发电机空载运行试验，整流柜的交流耐压试验等) ，风机、 风道的检修除尘等。 另外还有i 临时检修、事故抢修和特殊检修。临时检修是指危及设备正常安全运行 而导致励磁系统设备必须停电检修的项目。励磁系统的事故抢修是指凡因励磁系统事 故，强迫发电机组停运所进行的励磁系统设备的检修工作。特殊检修是指反事故措施、 调整设备结构、改进设备的功能和性能以及换旧更新所进行的检修项目。 这种以定期检修为主，事后检修为辅的检修制度，虽然能定期对状态不佳的设备 进行必要的维修，但同时对运行情况良好的设备也按部就班修理。这会增加设备的检 修费用，提高设备事故发生率，而且少数状况不好的设备因检修周期末到而得不到及 时检修，会降低设备运行的安全性。所采用的i 临时检修、事故抢修的事后检修方式并 不能减小系统设备事故所带来的损失。葛洲坝拥有2 l 台机组，每年的检修任务繁重， 电厂必须设置一整套检修人员，工种齐全，而且因工期太紧，人数必然要多一些。 这种以定期检修为主的“到期必修”的检修安排原则，其主要弊端是检修的针对 性不强，没有充分考虑设备的具体状况，造成人力和物力的浪费很大，既不科学也不 经济，不能适应当今市场经济的要求。 据对我国发电机和励磁系统事故的相关统计数据显示】，1 9 7 4 年4 月至1 9 8 2 年 2 月共发生了励磁系统事故1 4 0 次，平均每月4 2 次，超过发电机本体事故率( 3 7 次 月) ；1 9 8 4 年至1 9 8 8 年发生的励磁系统事故中，主回路2 9 1 次，调节器部分4 0 8 次， 其他2 3 次。由此可见，在发电机系统中，最易发生故障的环节是励磁主回路和调节 器。因此改善励磁系统的检修维护体系是提高发电质量和发电机组可靠性的重要手段 ? 一。 1 2 励磁系统状态监测与诊断 121 状态监测和诊断，是开展状态检修的前提 随着电力体制的进一步改革，“厂网分丌，竟价上网”已成为大势所趋，降低运 行、维护、检修成本成为各大发电厂之间竞争的焦点。并且电力系统逐渐向大容量、 远距离输电方向发展，对电力系统的可靠性提出了更高的要求。 华中科技大学硕士学位论文 的绝缘检查( 如整流柜阳极刀闸、直流刀闸检查，一、二次回路的绝缘检查) ，还有 磁场断路器、氧化锌电阻的检测：大修不仅包括所有小修项目，还有一些设备的性能 测试试验( 如励磁系统带发电机空载运行试验，整流柜的交流耐压试验等) ，风机、 风道的检修除尘等。 另外还有i 临时检修、事故抢修和特殊检修。临时检修是指危及设备正常安全运行 而导致励磁系统设备必须停电检修的项目。励磁系统的事故抢修是指凡因励磁系统事 故，强迫发电机组停运所进行的励磁系统设备的检修工作。特殊检修是指反事故措施、 调整设备结构、改进设备的功能和性能以及换旧更新所进行的检修项目。 这种以定期检修为主，事后检修为辅的检修制度，虽然能定期对状态不佳的设备 进行必要的维修，但同时对运行情况良好的设备也按部就班修理。这会增加设备的检 修费用，提高设备事故发生率，而且少数状况不好的设备因检修周期末到而得不到及 时检修，会降低设备运行的安全性。所采用的i 临时检修、事故抢修的事后检修方式并 不能减小系统设备事故所带来的损失。葛洲坝拥有2 l 台机组，每年的检修任务繁重， 电厂必须设置一整套检修人员，工种齐全，而且因工期太紧，人数必然要多一些。 这种以定期检修为主的“到期必修”的检修安排原则，其主要弊端是检修的针对 性不强，没有充分考虑设备的具体状况，造成人力和物力的浪费很大，既不科学也不 经济，不能适应当今市场经济的要求。 据对我国发电机和励磁系统事故的相关统计数据显示】，1 9 7 4 年4 月至1 9 8 2 年 2 月共发生了励磁系统事故1 4 0 次，平均每月4 2 次，超过发电机本体事故率( 3 7 次 月) ；1 9 8 4 年至1 9 8 8 年发生的励磁系统事故中，主回路2 9 1 次，调节器部分4 0 8 次， 其他2 3 次。由此可见，在发电机系统中，最易发生故障的环节是励磁主回路和调节 器。因此改善励磁系统的检修维护体系是提高发电质量和发电机组可靠性的重要手段 ? 一。 1 2 励磁系统状态监测与诊断 121 状态监测和诊断，是开展状态检修的前提 随着电力体制的进一步改革，“厂网分丌，竟价上网”已成为大势所趋，降低运 行、维护、检修成本成为各大发电厂之间竞争的焦点。并且电力系统逐渐向大容量、 远距离输电方向发展，对电力系统的可靠性提出了更高的要求。 华中科技大学硕士学位论文 加前面分析，电厂现行的到期必修的检修制度存在多种弊端，已经不适应电力工 业的l i 殳革和发展形势。设备检修间隔应主要决定于设备的技术状况。为了提高企业的 效益，电厂的检修制度逐渐向状态检修发展【1 ”。状态检修就是以设备技术状态为基础 的预测性维修。具有专项的励磁系统状态监测与诊断专家系统是励磁系统开展状态检 修的基础。根据运行维护人员日常巡检、定期检查和励磁系统状态监测单元提供的信 息，经统计分析处理，来判断设备的劣化程度，指导维护人员在故障发生前有计划地 进行适当的维修，可以有效的提高设备的使用率和系统的可靠性。 在发电厂陆续实现“无人值班，少人值守”的时候逐步实行设备状态监测和诊断， 是电力生产现代化的一项系统工程，是生产技术和生产管理工作中的重大举措。 1 2 2 励磁系统的状态监测与诊断现状 由于数字励磁调节器的应用，新型的励磁系统基本上都利用计算机软件开发集成 r 部分的状态监测与故障诊断功能 7 j 【1 3 】【1 4 】。所以现行的数字励磁系统的状态监测包括 在线监测和离线监测两种，诊断则包括计算机在线诊断和励磁运行维护人员事后检测 诊断。 在线监测是利用现代传感技术、信息技术和计算机技术来实时追踪系统设备的状 况。离线监测是通过定期对运行中的设备或停止运行的设备进行规定项目的检查，发 现设备的问题和隐患。励磁系统的在线监测是指微机型励磁调节器通过传感器，将部 分发电机电气信号和励磁系统的状态信号经过信号的隔离、调理送入微机采集板，进 行处理、存储和在线显示。例如能达通用电气公司生产的m e c 系统励磁调节器【13 1 通 过测量发电机机端电压、电流、励磁电流等模拟量以及出口断路器的位置、灭磁开关 的位胃、歼机令、停机令等开关量，实时监视励磁系统的运行状态。在线监测得到的 数据能连续反映设备的运行变化情况。离线监测则主要是运行维护人员在日常巡检中 通过观察和利用仪器检查励磁系统设备的发热情况、绝缘、各表计指示等情况，将实 际系统的运行数据记录下来，备以后查用。离线监测得到的数据是不连续的，只能反 映系统在某个时候的运行状况。 确磁系统数字调节器的在线诊断是根据采集到的数据，判断系统的运行状况是否 超出i f 常范围，若发生故障则及时报警指示。如m e c 系列的微机型励磁调节器在程 序中添加了过流限制、过无功限制、起励失败、同步断线、p t 断线等诊断模块，并 且通过将诊断结果送往l c u 监控单元进行报警显示，间接控制发电机设备的运行状 华中科技大学硕士学位论文 态，在保护电厂设备上起到了一定的作用。事后检测诊断则是指当励磁系统发生故障 后，运行维护人员根据现场运行数据显示进行判断或停机检查，确定发生故障的励磁 设备。 数字励磁系统的使用在一定程度上提高了励磁系统的可靠性，监测存储的数据能 有效的帮助运行维护人员进行系统的故障诊断。但是由于数字励磁调节器的主要功能 是进行励磁调节，采集的设备状态信息有限，故微机中进行的诊断分析只是励磁系统 所有故障诊断中的小部分，大量的工作还需要运行维护人员完成。而且在运行过程 中，励磁系统故障都是随机发生，运行维护人员无法及时、直接监测到；靠工作人员 的个人经验来查找故障发生的原因及部位，有一定的主观性和局限性；对于工作人员 无法直接确定的故障以及事后判断的故障一般都要停机检测来查找故障，这样就不可 避免地会造成经济效益的损失。 数字励磁调节器的信息监控和附加限制诊断功能以及运行维护人员的事后检测 诊断工作都是以设备的运行状态控制和设备保护为目的，并不是以提高系统的可靠 性，降低维护成本为最终目的。在故障发生和设备损坏之后采取一定的措施，不能有 效提高电厂的经济效益，防范于未然。相对现有的励磁系统状态监测与诊断状况，实 施专项的励磁系统状态监测与诊断可随时掌握设备的技术状况和劣化规律，避免突发 性事故和控制渐发故障，减少设备的不必要停役、降低维修成本、增加设备可利用时 问，从而提高设备运行维修效益。 12 3 励磁系统状态监测与诊断的要求 实施有效的励磁系统状态检修，要求监控系统和运行维护人员能够及时发现设备 故障和判断系统性能降低的程度，并且准确定位到具体的故障设备，提出有效的维护 方案。高可靠性的计算机监控、诊断系统以及实用化的管理信息系统的有机结合，将 为设备状态检修提供一个高效、智能的自动决策环境。 如前所述，现行励磁系统设备故障的检测手段主要有两种。一是数字调节器的在 线监测诊断。二是当系统运行功能不能正常满足时，由维护人员通过离线监测，依靠 个人经验确定故障发生的部位。第一种途径诊断出的故障数量有限，第二种途径具有 很大的主观性，并且通常需要停机检测。这两种手段都只停留在故障模式的检测上 不能准确判断出故障机理，找出导致设备故障的最终根源，容易产生故障重发，而且 对于系统设备的渐变性故障不能及时反映出来，不能满足电厂状态检修的要求。 华中科技大学硕士学位论文 为了真正提高系统的可靠性和降低维修成本，研究开发励磁系统的状态监测与诊 断系统时需要注意以下两点： 1 、在进行设备状态信号监测方案设计时，要在保证系统可靠性的基础上，确定 出所需信息量的最小组合，采用最佳的监测方式。 对于大型的复杂系统，若要准确判断出系统性能的降低、故障的发生并且定位到 设备故障，需要采集大量的设备状态信息。河北潘家口水电站的励磁系统曾具有4 个 并行的整流桥，每个桥臂都串联有两个晶闸管。曾使用过的励磁系统功率单元在线监 测诊断系统 15 】对每个桥臂的电流和每个晶闸管两端的电压以及触发脉冲电压都进行 了监测，一共用了1 2 0 个传感器。对所增加传感器的可靠性分析占据了系统诊断专家 知识中的绝大部分，导致专家系统的诊断集中在自身所附加的传感器上，效率低下。 故实施大量设备状态信息的在线采集不是很现实。这主要有以下几点原因：( 1 ) 信号 的采集主要通过传感装置，若要采集大量的信息则必须安装大量的信号传感器，甚至 会出现某些传感装置的费用大于设备本身费用的情况，这在经济上不合理；( 2 ) 有些 信号在现今的技术条件下还是不可测的，没有办法实现监测；( 3 ) 对传感器的可靠性 要求高，大量传感器的安装会导致系统的可靠性降低。 针对以上问题，对于励磁系统的状态采集，可以遵循充分利用现有的监测信息， 尽量少附加传感设备的原则来进行开发设计。由于数字励磁系统的广泛应用，励磁系 统状态监测与诊断单元可以充分利用现代信息技术，通过网络通信将励磁系统状态信 息从调节器微机中取出为己所用。其余的设备信息可以分为两类。对于那些用于判断 危害性比较小的故障的设备状态信息和技术上暂时不能实现在线监测的设备信息可 以采用离线监测，人工定期或不定期通过巡检将采集到的信号输入励磁系统状态监测 与诊断单元的数据库中；还有一些必需采集的并且在技术上可以实现在线监测而不降 低系统可靠性的重要状态信息，则附加传感装置，通过信息技术实时输入诊断单元的 数据库中。 2 、准确定位到设备故障，能对设备进行运行状态趋势分析，判断出设备性能降 低的原因。这需要在对系统进行充分研究分析的条件下，掌握系统的故障模式和故障 机理，了解状态信息所表示的含义，进行诊断推理。 综上，我们需要对机组零部件的故障模式、故障机理以及各种故障模式对机组运 动舭律的影响和故障表征进行研究，确定出所需采集状态信息的最小集和适当的检测 疗式优化测点布罨，防止状态分析和故障诊断的盲目性：采用合适的诊断方法和推 华中科技大学硕士学位论文 理机制，精确定位到故障根源。 1 3 诊断方法综述 近年来，随着计算机及人工智能的发展，为了满足复杂系统的诊断要求，诊断技 术进入以知识处理为核心的发展阶段1 1 “1 7 】。智能故障诊断方法的应用基础是具有比较 完整的专家知识库和数据库。根据诊断分析的专家知识和推理知识来源的不同，可以 将诊断方法分为三大类。 1 3 1 基于人类专家知识和经验的诊断方法 领域专业知识是指解释该领域问题的各种知识和解决问题所使用的一些经验技 巧。专业知识包括“公有知识”( 公开的定义和事实，教科书和文献中的理论) 和“私 有知识”( 人类领域专家的经验) 两部分。基于人类专家知识和经验的诊断方法就是 通过调查和总结，将专业领域的公有知识和人类专家的经验知识形式化表达，形成规 则的专家知识和诊断数据，编码存入计算机，备专家系统调用，进行设备诊断。 利用人类专家知识和经验进行设备故障诊断是最主要也是最常用的诊断方法，主 要因为： 1 、人类在实践中积累了大量的实际问题处理经验，将其施加整理形成逻辑性语 言，可以有效的充实专家知识库； 二、故障诊断领域的问题非常复杂，从理论上人类对系统还不能完全掌握，大多 数发现故障和处理故障的经验没有办法从系统理论分析中得到，只能依靠人类的实践 摸索： 3 、通过对人类经验知识的不断提炼，再生产，可以使人类对系统的认识从感性 认识过渡到理性认识。 但是这种方法也有它的弊端，主要表现在以下几个方面： 1 、专家的水平主要取决于他所拥有的知识和灵活应用知识的能力，所以专家个 人的领域知识和实际处理问题的方法带有很强的主观性； 二、一个专业领域有很多专家，每个专家的实际处理问题的看法可能不相同： 3 、大多数人类专家只擅长于列举事例，没有办法从理论上分析系统，对系统的 认识停留在感性的层次上，主要是对系统的逻辑推理和诊断数据少。 华中科技大学硕士学位论文 理机制，精确定位到故障根源。 1 3 诊断方法综述 近年来，随着计算机及人工智能的发展，为了满足复杂系统的诊断要求，诊断技 术进入以知识处理为核心的发展阶段1 1 “1 7 】。智能故障诊断方法的应用基础是具有比较 完整的专家知识库和数据库。根据诊断分析的专家知识和推理知识来源的不同，可以 将诊断方法分为三大类。 1 3 1 基于人类专家知识和经验的诊断方法 领域专业知识是指解释该领域问题的各种知识和解决问题所使用的一些经验技 巧。专业知识包括“公有知识”( 公开的定义和事实，教科书和文献中的理论) 和“私 有知识”( 人类领域专家的经验) 两部分。基于人类专家知识和经验的诊断方法就是 通过调查和总结，将专业领域的公有知识和人类专家的经验知识形式化表达，形成规 则的专家知识和诊断数据，编码存入计算机，备专家系统调用，进行设备诊断。 利用人类专家知识和经验进行设备故障诊断是最主要也是最常用的诊断方法，主 要因为： 1 、人类在实践中积累了大量的实际问题处理经验，将其施加整理形成逻辑性语 言，可以有效的充实专家知识库； 二、故障诊断领域的问题非常复杂，从理论上人类对系统还不能完全掌握，大多 数发现故障和处理故障的经验没有办法从系统理论分析中得到，只能依靠人类的实践 摸索： 3 、通过对人类经验知识的不断提炼，再生产，可以使人类对系统的认识从感性 认识过渡到理性认识。 但是这种方法也有它的弊端，主要表现在以下几个方面： 1 、专家的水平主要取决于他所拥有的知识和灵活应用知识的能力，所以专家个 人的领域知识和实际处理问题的方法带有很强的主观性； 二、一个专业领域有很多专家，每个专家的实际处理问题的看法可能不相同： 3 、大多数人类专家只擅长于列举事例，没有办法从理论上分析系统，对系统的 认识停留在感性的层次上，主要是对系统的逻辑推理和诊断数据少。 华中科技大学硕士学位论文 132 模型参考分析方法 对系统的动态特性( 运动特性和健康状态) 进行分析和研究时，对于比较简单的 系统或辅助系统，可以依靠经验或在实际系统上进行试验来获得特征数据。然而对于 复杂的系统，人类经验往往不能满足实际开发的要求，在工业生产中考虑到安全性、 经：齐性及进行试验研究的可能性等等，往往不易做现场试验，甚至根本不允许这样做。 这时，就需要把实际系统建立成物理模型或数学模型进行研究，然后把模型试验研究 的结果应用到实际系统中去。 随着计算机技术和仿真学的迅速发展，利用模型进行设备故障诊断成为诊断学中 的蘑要分支【1 ”0 1 ，被广泛地应用到电力系统、航天、物理、化学等各个研究领域。适 用于故障诊断的建模理论方法主要有b o n dg r a p h 、p e t r i 网、神经网络、模糊辨识、 分布式物理图网【2 2 】等。通过建立能反映系统运动特性和健康特性的模型，搭建系统 结构，将实际系统的运动过程在模型仿真上得到体现，然后分析归纳仿真结果，获得 系统的特征量，形成诊断分析知识，写入专家知识库和数据库，用于故障诊断。 这种采用理性分析的方法，所获得的诊断知识主要以定量为主，为诊断专家数据 库提供了大量的定量依据。但是模型参考分析方法的有效性在很大程度上取决于模型 的i f 确与否和模型描述的精确性，所以要获得准确的诊断分析数据，首先需要对所研 究的对象进行详细地研究分析，掌握前人已经确立的研究结果和当前的系统需求。 133 综合方法 基于人类专家知识和经验的诊断方法为设备诊断提供了大量的逻辑推理知识，模 型参考分析方法则提供了充足的定量依据。专家知识和经验是建立模型的基础，模型 分析结果是对人类专家知识的有益补充。综合应用这两方面技术进行的信息融合故障 诊断技术【2 3 】为解决复杂对象诊断提供了解决思路。 应用综合诊断分析方法的前提是做好现有人类专家知识和经验的调查整理与设 备模型的建立和仿真分析。利用现有的人类专家知识和经验来了解系统运动特性和诊 断i 后求，建立反映设备内部机n i , o 精确模型，然后进行仿真试验，并对仿真结果运用 现代的特征信号提取方法进行特征量获取，为系统故障提供定量的诊断依据，补充人 类专家知识和经验的不足，以便更好地指导人类对设备的运行维护，构成一个良性循 环体系，不断地加深对研究对象的了解和掌握。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 论文框架 图卜2 综合诊断方法应用关系 本文结合“葛洲坝电厂最优检修信息系统”下的“同步发电机励磁系统状态监测 与诊断单元”的研究开发，对可控硅静止整流励磁系统的状态监测与诊断进行了分析 研究。针对开发状态监测与诊断专家系统的关键技术问题诊断专家知识的获取， 采用了调查领域专家，收集多方面的实际经验与模型参考分析相结合的研究方法。 全文共分六章。 第一章描述同步发电机励磁系统在电力系统中的地位及其发展特点，阐述了目前 电厂励磁系统检修、维护的现状。针对电厂状态检修的发展趋势需求，通过综述常用 的设备诊断方法，引出了本论文的主要研究工作。 第二章介绍了利用系统树形列表、性能指标和系统参数的归纳总结与f m e c a 设 计相结合的方法，来收集领域专家的经验知识和人类公开知识。描述了实施这种方法 的具体步骡和流程。 第三章侧重介绍了分布式物理图网的建模方法，描述了用于诊断分析的勖磁系统 全状态建模要点和模型库的建立方法。 第四章结合具体事例描述励磁系统仿真模型的建立和仿真环境的设置选择，给出 了仿真结果，并且通过仿真结果来获取了诊断分析知讨 。 第五章设计了葛洲坝可控硅静止整流励磁系统状态监测与诊断单元的结构框架 和功能体系给出了励磁系统状态监测的信息与诊断内容。 第六章全面系统地总结了全文的工作和研究成果并提出了需要进一步砰鼹的工 作和研究成果的应用展望。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 论文框架 图卜2 综合诊断方法应用关系 本文结合“葛洲坝电厂最优检修信息系统”下的“同步发电机励磁系统状态监测 与诊断单元”的研究开发，对可控硅静止整流励磁系统的状态监测与诊断进行了分析 研究。针对开发状态监测与诊断专家系统的关键技术问题诊断专家知识的获取， 采用了调查领域专家，收集多方面的实际经验与模型参考分析相结合的研究方法。 全文共分六章。 第一章描述同步发电机励磁系统在电力系统中的地位及其发展特点，阐述了目前 电厂励磁系统检修、维护的现状。针对电厂状态检修的发展趋势需求，通过综述常用 的设备诊断方法，引出了本论文的主要研究工作。 第二章介绍了利用系统树形列表、性能指标和系统参数的归纳总结与f m e c a 设 计相结合的方法，来收集领域专家的经验知识和人类公开知识。描述了实施这种方法 的具体步骡和流程。 第三章侧重介绍了分布式物理图网的建模方法，描述了用于诊断分析的勖磁系统 全状态建模要点和模型库的建立方法。 第四章结合具体事例描述励磁系统仿真模型的建立和仿真环境的设置选择，给出 了仿真结果，并且通过仿真结果来获取了诊断分析知讨 。 第五章设计了葛洲坝可控硅静止整流励磁系统状态监测与诊断单元的结构框架 和功能体系给出了励磁系统状态监测的信息与诊断内容。 第六章全面系统地总结了全文的工作和研究成果并提出了需要进一步砰鼹的工 作和研究成果的应用展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 同步发电机励磁系统专家知识与经验描述 提要：知识的获取被公认为是专家系统研究开发中的瓶颈问题本章主要研究如何把励磁系统诊 断知识从人类公有知识和领域专家大脑中提取和总结出来，并且保证所获取知识间的一致性它 是同步发电机励磁系统状态监测与诊断专家系统开发过程中的一道关键工序 2 1 专家知识与经验 同步发电机励磁系统状态监测与诊断单元是具有自动诊断和趋势预测功能的智 能体系。拥有知识是智能系统有别于其它计算机系统的重要标志，而知识的质量和数 量又是决定智能系统性能的关键因素。如何将励磁系统专业领域的大量概念、事实、 关系和方法，包括人类专家处理问题的各种启发性知识，从专家头脑中或其它知识源 ( 如文献资料) 中提取出来成为同步发电机励磁系统状态监测与诊断专家系统开发研 究的一个重要课题【2 。 2 1 1 专家知识和经验的分类及其主要内容 在励磁系统状态监测与诊断专家系统中，诊断知识主要来源于两个方面：1 ) 领 域专家的经验，包括领域专家在问题求解过程中所利用的结构知识、因果知识、行为 知识等：自然语言文献，包括专业书籍、期刊、产品出厂文件、设计施工总结、安装 调试记录以及设备运行历史资料等。2 ) 励磁系统的建摸和仿真分析。前者我们称之 为人类专家知识和经验，后者则称为分析知识。 我们可以将检测、诊断励磁系统功能故障和设备故障所用到的诊断知识划分为以 f 几种： 1 、结构与功能知识 表示同步发电机励磁系统的结构和性能的描述知识，主要包括励磁设备的结构层 ；父、功能层次和相互问的输入、输出行为关系以及设备本身的工作原理等。 这部分知识主要来源于人类的自然语言文献，如励磁系统的电气原理图、结构布 置阁、端子配线图：发电机组及主变压器的有关技术参数；励磁系统及所属设备的设 备规范，使用说明书，用户手册及参数整定计算书，运行、检修规程，实验报告；微 华中科技大学硕士学位论文 2 同步发电机励磁系统专家知识与经验描述 提要：知识的获取被公认为是专家系统研究开发中的瓶颈问题本章主要研究如何把励磁系统诊 断知识从人类公有知识和领域专家大脑中提取和总结出来，并且保证所获取知识间的一致性它 是同步发电机励磁系统状态监测与诊断专家系统开发过程中的一道关键工序 2 1 专家知识与经验 同步发电机励磁系统状态监测与诊断单元是具有自动诊断和趋势预测功能的智 能体系。拥有知识是智能系统有别于其它计算机系统的重要标志，而知识的质量和数 量又是决定智能系统性能的关键因素。如何将励磁系统专业领域的大量概念、事实、 关系和方法，包括人类专家处理问题的各种启发性知识，从专家头脑中或其它知识源 ( 如文献资料) 中提取出来成为同步发电机励磁系统状态监测与诊断专家系统开发研 究的一个重要课题【2 。 2 1 1 专家知识和经验的分类及其主要内容 在励磁系统状态监测与诊断专家系统中，诊断知识主要来源于两个方面：1 ) 领 域专家的经验，包括领域专家在问题求解过程中所利用的结构知识、因果知识、行为 知识等：自然语言文献，包括专业书籍、期刊、产品出厂文件、设计施工总结、安装 调试记录以及设备运行历史资料等。2 ) 励磁系统的建摸和仿真分析。前者我们称之 为人类专家知识和经验，后者则称为分析知识。 我们可以将检测、诊断励磁系统功能故障和设备故障所用到的诊断知识划分为以 f 几种： 1 、结构与功能知识 表示同步发电机励磁系统的结构和性能的描述知识，主要包括励磁设备的结构层 ；父、功能层次和相互问的输入、输出行为关系以及设备本身的工作原理等。 这部分知识主要来源于人类的自然语言文献，如励磁系统的电气原理图、结构布 置阁、端子配线图：发电机组及主变压器的有关技术参数；励磁系统及所属设备的设 备规范，使用说明书，用户手册及参数整定计算书，运行、检修规程，实验报告；微 华中科技大学硕士学位论文 机型励磁调节器的用户应用程序流程框图、最终软件文本等。另外还有一些介绍励磁 系统工作原理的书籍。在本章的2 2 1 和222 对葛洲坝水电厂可控硅励磁系统的 结构层次划分和功能分析进行了详细地描述。 2 、专家启发式经验知识 专家启发式经验知识是领域专家的经验总结，常以规则形式存在于专家的头脑而 被专家非常灵活地应用。 这类知识主要采用与励磁系统领域专家( 包括制造、安装、运行、维护、管理人 员) 会谈和调查、阅读他们所撰写的文章和经验总结报告的方法，收集有关的实践知 识。本章下一节对收集专家启发式经验知识的方法进行了详细地介绍。 3 、工况状态知识 表示同步发电机励磁系统在某一工况下( 停机、起励、空载、负载等) 正常工作 时应具备的性能参数指标，如同步发电机在起励工况下起励时间、振荡次数和超调量 等。这类知识反映当前同步发电机励磁系统的整体性能。不仅需要了解国家标准对励 磁系统各个工况和试验条件下的性能指标| 2 7 】，还需要了解特定的研究对象在不同工况 下的性能设计指标。 4 、信号特征知识 依据电厂状态检修的趋势发展，励磁系统的状态监测与诊断单元必需进行不解体 的在线监测与诊断。由于许多参数是无法在线监测的( 如励磁灭磁开关的主触头的接 触匣积以及动触头杆主动轴间隙、滑环的弹簧性能等) ，故大量使用的是励磁设备运 行过程中可直接监测的信号( 如励磁电流、励磁电压、风机电源信号等) ，通过对这 蝗特征参数信号的分析，准确地诊断设备故障。产生这类诊断知识的方法，一种是依 靠已有的人类实践经验中的定量信息，另- - , e e 是进行励磁系统设备的仿真建模，进行 故障反演，找出对喧故障的特征量。本文的第三章和第四章对后面- - , e e 方法进行了阐 述。 5 、_ ；i = 境知识 表示与同步发电机励磁系统诊断有关的外围知识。如励磁设备的使用时问、大修 问隔与大修总次数、工作环境、故障频率及敞障类型分布等。这类知识主要来自励磁 没备出厂醴明书和电厂检修规程【2 8 】以及维护人员检修报告、统计等。 收集、总结人类专家知识和经验时，主要需回答f 面几个问题： ( 1 ) 励磁系统主要由哪些设备、部件组成，各自的工作原理和相互之m 的连接关 华中科技大学硕士学位论文 系、影响： ( 2 ) 励磁系统的工况类别，以及各个工况下的系统、设备的性能指标； ( 3 ) 哪些励磁系统设备的功能故障经常丧失，各自的故障特征、故障程度 ( 4 ) 对于某一个确定的功能故障主要由哪些设备故障或外围故障引起的； ( 5 ) 怎样检测，确诊到设备故障； ( 6 ) 是什么原因引起设备故障的发生； ( 7 ) 故障的影响后果； ( 8 ) 预防故障的措施。 2 1 2 专家知识和经验的特点 励磁系统状态监测与诊断专家系统的人类专家知识和经验，主要来自两个方面： 有关励磁系统的自然语言文献和励磁系统设计、制造、运行、维护各领域专家的实践 经验。前一种主要用于介绍同步发电机励磁系统的工作原理、自然结构、设计参数等， 没有对怎么发现、处理励磁系统的设备故障进行描述。只能在诊断时根据这类知识确 定的励磁系统正常工作状态参数，对监测设备实时采集到的数据进行比较，检查系统 的工况与设备的性能参数是否超出了正常范围。后一种主要是领域各类专家在实际工 作中形成的一套自己对励磁系统设备运行工况、健康状态的判断标准，能够用于在实 际中发现设备故障、处理故障、改进设备性能等。由于这种知识常常缺乏对对象的本 质性认识，是启发式的，在很多情况下，即使专家本人也难以清楚地表达出来，通常 是善于提供事例而不习惯提供知识，因此这种知识很难获取。经验知识作为诊断知识 的一个重要组成部分虽然缺乏充分的理论依据，但在解决复杂的实际问题时往往十 分有效。 2 2 专家知识和经验的获取与描述 研究开发励磁系统状态监测与诊断智能单元的过程可以表述为：诊断知识的获 取、诊断知识的表示和诊断知识的应用。获取诊断知识是整个智能活动的基础和关键。 在此之前，我们必须对反映系统和设备故障特性的术语加以解释。 故障是指产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态，可以分 为设备故障和功能故障。设备故障是指具体设各发生物理、化学上的变化，使之不能 华中科技大学硕士学位论文 3 同步发电机励磁系统全状态建模 提要：介绍了全状态建模方法的建模思想及其特点；以同步发电机励磁系统为例，描述了全状 态建模的具体步骤和方法，并给出了全状态模型的分类方法和建库思想。 仅仅依靠人类专家经验知识和实验数据，励磁系统状态监测与诊断系统不能完 全做到精确定位故障、及时感知系统和设备的性能降低。需要我们加大对系统零部 件故障模式和故障机理及各种故障模式对机组运动规律的影响和故障表征方面的基 础研究力度。为验证某一重要的故障机理，即验证其表现出的故障模式、后果，或 者未查明的一些重要故障模式的故障先兆，都需要再现故障模式，并实施跟踪分析。 建立系统以及设备的数学模型和定性模型 3 2 1 来进行仿真试验，可以对设备的故障模 式进行再现。故障模式再现试验和跟踪分析是为了取得致信度高的数据，为改进产 品的可靠性和自动监测故障提供依据。它是同产品的可靠性试验和维修性试验结合 在一起进行的。通过模型仿真获取系统的各种表现特征是进行系统故障诊断分析的 重要手段 3 3 - 3 6 1 之一，极大地丰富了状态监测与诊断系统的专家知识库和数据库。 如果模型不仅能够准确描述实际物体的结构、正常运动规律，而且模型内部运行 机制能够随着环境、工况的变化而相应地改变，真实地反映实际物理系统的运动状态 和健康状态的变化，则这种模型我们称之为全状态模型。 对励磁系统进行分析和设计时人们经常采用建模和仿真的方法【3 。”j 。不管是进行 稳态性能分析还是动态特性分析，目前常采用的建模分析手段是利用传递函数和状态 疗程p 。“】，很少考虑设备内部机理的变化，停留在模型端口信号的分析研究上，而且 住往是对特定的励磁系统进行建模，模型不能自由组合，可重用性差。为了提高模型 的利用率，同时准确反映研究对象的设备状态，就需要对建模的思想和方法进行改进。 这罩采用分布式物理图网框架下的全状态建模方法对励磁系统进行分析建模。 31 励磁系统分布式物理图网模型框架 3 1 1 分布式物理图网的描述及其特点 分布式物理图网是在对研究对象进行深入的机理分析的基础上，基于b o n dg r a p h l 4 3 1 华中科技大学硕士学位论文 3 同步发电机励磁系统全状态建模 提要：介绍了全状态建模方法的建模思想及其特点；以同步发电机励磁系统为例，描述了全状 态建模的具体步骤和方法，并给出了全状态模型的分类方法和建库思想。 仅仅依靠人类专家经验知识和实验数据，励磁系统状态监测与诊断系统不能完 全做到精确定位故障、及时感知系统和设备的性能降低。需要我们加大对系统零部 件故障模式和故障机理及各种故障模式对机组运动规律的影响和故障表征方面的基 础研究力度。为验证某一重要的故障机理，即验证其表现出的故障模式、后果，或 者未查明的一些重要故障模式的故障先兆，都需要再现故障模式，并实施跟踪分析。 建立系统以及设备的数学模型和定性模型 3 2 1 来进行仿真试验，可以对设备的故障模 式进行再现。故障模式再现试验和跟踪分析是为了取得致信度高的数据，为改进产 品的可靠性和自动监测故障提供依据。它是同产品的可靠性试验和维修性试验结合 在一起进行的。通过模型仿真获取系统的各种表现特征是进行系统故障诊断分析的 重要手段 3 3 - 3 6 1 之一，极大地丰富了状态监测与诊断系统的专家知识库和数据库。 如果模型不仅能够准确描述实际物体的结构、正常运动规律，而且模型内部运行 机制能够随着环境、工况的变化而相应地改变，真实地反映实际物理系统的运动状态 和健康状态的变化，则这种模型我们称之为全状态模型。 对励磁系统进行分析和设计时人们经常采用建模和仿真的方法【3 。”j 。不管是进行 稳态性能分析还是动态特性分析，目前常采用的建模分析手段是利用传递函数和状态 疗程p 。“】，很少考虑设备内部机理的变化，停留在模型端口信号的分析研究上，而且 住往是对特定的励磁系统进行建模，模型不能自由组合，可重用性差。为了提高模型 的利用率，同时准确反映研究对象的设备状态，就需要对建模的思想和方法进行改进。 这罩采用分布式物理图网框架下的全状态建模方法对励磁系统进行分析建模。 31 励磁系统分布式物理图网模型框架 3 1 1 分布式物理图网的描述及其特点 分布式物理图网是在对研究对象进行深入的机理分析的基础上，基于b o n dg r a p h l 4 3 1 华中科技大学硕士学位论文 建模思想，以系统内信号流、能量流和事件流为线索，用物理图网形式，分布地描述 1 耍际对象系统的状态运动规律。模型在结构上虚拟对象系统物理构造或功能框架，系 统自然单元化，综合反映单元体的物理健康状态与运动状态，单元间的作用均具有明 确的物理意义。 分布式物理图网建模的主要思路是： 1 、按实际对象系统的构成，合理地将对象系统( 包括物体部分和信息部分) 拆 分成设备或模块或零部件，统称为单元。 2 、建立单元对应的元素模块。模型综合描述单元的运动状态和健康状态及其相 。问的联系。 3 、建立单元对应的元素模块的可视化模型，形象地描述单元的物体特征以及运 动状态和健康状态。 4 、按能量流、信息流和事件流，参照真实系统构建系统仿真模型。 在逐渐实现电厂状态检修的发展趋势中，采用分布式物理图网思想进行研究对象 的全状态建模，对设备的状态监测与诊断具有重要的指导意义。同其他的建模方法相 比较，主要体现在以下几个方面： 1 、分布式物理图网建模方法与b o n dg r a p h 建模方法都是对系统进行拓扑建模， 而且都基于能量流。但是分布式物理图网还综合考虑了实际系统运行时存在的信号流 和事件流，符合实际设备的环境条件，能够反映环境对设备的影响。 2 、传统的建模方法( 如传递函数) 着重于系统的端口特性，主要反映整个系统 的运动特性；分布式物理图网则着重于设备内部物理结构建模，反映模型外部变化 科没备内部的影响，即设备健康状态的变化，能够进行设备的故障重演。 3 、传统的建模方法( 如状态方程) 对模型端口变量和内部变量的定义往往缺乏 实际意义与之对应，不利于工程人员进行仿真分析，难以将得来的数据与实际监测的 信息相对应：分布式物理图网则要求模型外部端口的能量变量与系统、设备的实际输 入输出相对应，内部的状态变量也具有实际意义，有利于将仿真得到的数据用束指导 设备的自动监测与故障诊断。 、模型本身虚拟研究对象物理结构，按对象结构自然单元化，模型与建模对象 之间具有直观的联系，物理概念清晰。 j 、按物理结构将系统内能量分布、控制信息和物件流及由其决定的状