基于知識庫的水電機(jī)組故障診斷專家系統(tǒng)

毛成，劉洪文，李小軍，武晉輝，潘華，王江淮，錢華東

(1.貴州電力試驗研究院，貴陽 550005;2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

0 引言

隨著水電行業(yè)的發(fā)展，水電機(jī)組的容量不斷增大，自動化程度和智能化程度不斷提高，需要監(jiān)測的參數(shù)也越來越多，機(jī)組運行時會產(chǎn)生大量的報警信息，機(jī)組故障狀態(tài)下，運行人員在短時間內(nèi)觀察和理解大量報警信息的含義是非常困難的，從而會影響事故處理的速度和準(zhǔn)確性。引發(fā)故障的因素多種多樣，相同故障表現(xiàn)出的癥狀也不會完全相同，因此，如果有一套可靠的輔助工具對故障進(jìn)行預(yù)測，將大幅提高機(jī)組運行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性［1－3］。

本文提供了一種利用專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的方法。專家系統(tǒng)是一種智能計算機(jī)程序，它借助人類的知識，按一定的搜索策略并通過推理手段去解決某一特定領(lǐng)域的困難問題。本文所實現(xiàn)的診斷專家系統(tǒng)通過與北京四方繼保自動化股份有限公司的Cybercontrol平臺相結(jié)合，實現(xiàn)了在線監(jiān)測和實時診斷。

1 基于知識庫的專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一種智能計算機(jī)程序，它根據(jù)已有的知識進(jìn)行一系列的推理運算來解決一些問題［4］。一個專家系統(tǒng)通常由知識庫、推理機(jī)、解釋器、數(shù)據(jù)庫和人機(jī)接口等幾部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 建立知識庫

知識庫是專家系統(tǒng)的核心，主要存儲和管理專家系統(tǒng)中用于進(jìn)行故障診斷的知識［5］。知識的表示形式有規(guī)則、框架、語義網(wǎng)絡(luò)、謂詞邏輯等，本文運用的是應(yīng)用比較廣泛的基于規(guī)則的知識表示形式。

本文建立的專家系統(tǒng)是針對水輪機(jī)典型故障的故障診斷系統(tǒng)，通過與多家水電廠的各位專家以及現(xiàn)場維護(hù)人員交流，創(chuàng)建該故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫，它以xml文件的形式存儲于指定目錄下，可以進(jìn)行手動配置。

圖1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

知識庫中的內(nèi)容為診斷依據(jù)，即診斷規(guī)則，每條規(guī)則包括若干前提條件和1個診斷結(jié)論，還有針對該故障的分析及處理建議。

1.2 推理機(jī)制

推理機(jī)也是一組計算機(jī)程序，是整個專家系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制中心，它可以根據(jù)知識庫中的知識和用戶提供的征兆進(jìn)行故障診斷，最終返回診斷結(jié)論、故障分析結(jié)果及處理建議。

本文采用的是基于規(guī)則的推理機(jī)制，即IF＜前提條件……＞THEN＜故障結(jié)論及解釋……＞模式，推理機(jī)工作結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 推理機(jī)工作結(jié)構(gòu)

1.3 解釋接口

解釋接口包括解釋器和人機(jī)界面:解釋器可以給出故障診斷的詳細(xì)依據(jù)以及診斷的邏輯推理過程;人機(jī)界面是專家及用戶與專家系統(tǒng)進(jìn)行交互的接口，用戶可以通過它對知識庫進(jìn)行維護(hù)，專家系統(tǒng)可以將診斷結(jié)論、分析結(jié)果、處理建議等信息通過人機(jī)界面展示給用戶，如圖3所示。

圖3 解釋接口結(jié)構(gòu)

1.4 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫存儲了用于故障診斷的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，它可以為推理機(jī)提供故障征兆、為解釋器提供故障分析所需要的信息。本文采用的數(shù)據(jù)庫是北京四方繼保自動化股份有限公司CSPA－2000分布式自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，由組態(tài)軟件CyberControl提供數(shù)據(jù)接口。

數(shù)據(jù)庫是專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的征兆來源，同時也存儲了所需診斷數(shù)據(jù)的描述、名稱、來源等信息，因此，數(shù)據(jù)庫的管理是專家系統(tǒng)的關(guān)鍵。

由于本文采用了CSPA－2000分布式自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，而且可以通過CyberControl組態(tài)軟件進(jìn)行維護(hù)，所以無需另外進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，只需完成專家系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的接口方法即可。

數(shù)據(jù)庫中用來診斷的數(shù)據(jù)主要存儲于實時數(shù)據(jù)庫的模擬量點表中(如圖4所示)，數(shù)據(jù)采集于現(xiàn)場設(shè)備，即水輪機(jī)。

圖4 模擬量點表

2 水電機(jī)組典型故障分析

水電機(jī)組的故障大部分是由振動引起的，水電機(jī)組振動的原因又可分為機(jī)械、水力、電氣等3個方面。下面以一些典型故障為例說明故障分析過程，作為建立故障診斷系統(tǒng)規(guī)則庫的基礎(chǔ)。

目前，本文所建知識庫是針對水輪機(jī)運行過程中所采集到的上機(jī)架、上導(dǎo)擺度以及負(fù)荷變化等情況進(jìn)行的分析。

假定機(jī)組在運行過程中發(fā)出報警或超標(biāo)信號(多次出現(xiàn)):上機(jī)架超標(biāo)同時擺度超標(biāo)。根據(jù)數(shù)據(jù)征兆分析機(jī)組是否處于振動區(qū)域運行，若在振動區(qū)，則給出避開振動區(qū)的處理建議，若未在振動區(qū)，則需要再判斷機(jī)組是否甩過負(fù)荷;若甩過負(fù)荷，則檢查瓦間隙和瓦架支撐，若未甩過負(fù)荷，需做動平衡調(diào)整，給出第1次動平衡建議(質(zhì)量和方位)，此時再對擺度超標(biāo)值進(jìn)行計算比較;如果擺度值超標(biāo)25%以上，則是擺度間隙有問題，需要調(diào)瓦。

通過以上分析最終形成多條規(guī)則，存儲于規(guī)則庫中形成診斷知識庫，而且在每條規(guī)則中加入一個標(biāo)志數(shù)字以便于推理時調(diào)用。當(dāng)系統(tǒng)運行時會實時地從數(shù)據(jù)庫中獲取現(xiàn)場設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，然后與限定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果由推理機(jī)調(diào)用規(guī)則進(jìn)行診斷并給出相應(yīng)的分析和處理建議。

3 故障診斷模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

診斷功能的實現(xiàn)方法是多種多樣的，可以利用C++，Java等編程語言創(chuàng)建專家系統(tǒng)，也可以用Matlab，LabView等工具來實現(xiàn)診斷功能。本文利用Java語言實現(xiàn)診斷功能中數(shù)據(jù)處理功能、推理功能和故障分析解釋功能，利用CyberControl平臺的實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)診斷數(shù)據(jù)的獲取以及存儲，并利用其畫面組態(tài)功能實現(xiàn)人機(jī)界面的設(shè)計。

圖6 基于電流變化量的母線保護(hù)快速CT斷線邏輯

(3)圖4為CT斷線時的錄波圖，圖4中母線I5 A相斷線，A相為大電流CT斷線，斷線時產(chǎn)生的差流大于斷線閉鎖定值且還大于母線保護(hù)動作定值。利用上面的公式則可以算出:N1=0，N2=1，N3=1，N4=0。此時差流產(chǎn)生的相別與電流變化的相別一致，電流變化的單元與零序存在的單元一致，C相的電流斷線后降到了無流門檻以下，A和B相電流的幅值遠(yuǎn)大于C相電流且A和B相電流大小相差不大。故此判據(jù)很快地判出第1單元C相斷線并閉鎖母線保護(hù)。如果無此判據(jù)，母線保護(hù)由于差流滿足條件會誤動作。

3 結(jié)束語

綜上所述，利用基于電流變化量的母線保護(hù)的快速CT斷線判斷方案，能準(zhǔn)確地判斷出CT斷線單元及其斷線相，能及時閉鎖母線保護(hù)，防止母線保護(hù)誤動。尤其對沒有電壓閉鎖的母線保護(hù)，此判據(jù)能夠有效地防止其大電流CT斷線引起的母線保護(hù)誤動。電流變化量的快速CT斷線有效地解決了母線保護(hù)大電流CT斷線誤動的難題，該技術(shù)可用于母線保護(hù)裝置，提高母線保護(hù)的安全性。

［1］GB/T 14285—2006繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］周玉蘭.1999—2003年全國電網(wǎng)元件保護(hù)運行情況分析［J］.中國電力，2005，38(5):13 －19.

［3］周玉蘭，許勇，王俊永，等.2000年全國電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動裝置運行情況［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(8):63－75.

［4］朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理與技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，1995.

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［9］汪覺恒，唐衛(wèi)華.國內(nèi)外各類母線保護(hù)技術(shù)特性分析［J］.電力自動化設(shè)備，2000，20(1):43 －45.

［10］王梅義.電網(wǎng)繼電保護(hù)應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［11］DL/T 587—2007微機(jī)繼電保護(hù)裝置運行管理規(guī)程［S］.