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大型發電機狀態監測和故障診斷專家系統

大型發電機狀態監測和故障診斷專家系統

 

史家燕    趙肖敏    史源素    胡山昂

北京伏安基業電氣技術有限公司

一、概述

電力行業是關系國計民生的基礎產業,電力系統運作的好壞,直接影響到國民經濟的發展和人民生活。

隨著當代發電設備向高參數、大容量、超高壓遠距離輸電的發展,其對安全性的要求越來越高。同時,隨著電力體制改革的進行,發電廠將實行競價上網。在發電廠的運營上,如何保證安全并降低發電成本,對設備實行更先進、更科學的管理、運行和檢修體制,無論從發電廠的自身利益還是從社會的要求出發,都勢在必行。

為提高設備的安全可靠性,降低檢修成本,解決以往計劃檢修模式下存在的欠修、過修、缺乏成本核算的問題,狀態檢修/優化檢修作為一種先進的檢修模式,正逐步得到電力企業的認可和推廣。

一般來說,設備狀態檢修/優化檢修由設備狀態監測系統、對監測數據進行分析、診斷的專家系統和決策系統三大部分組成,目前絕大多數的發電廠都具有一套比較完整的監測系統,但能夠根據監測數據對設備狀況做出診斷的專家系統,相對而言,則比較難于實現。因此對電力設備故障診斷專家系統的研究工作已引起國內、外諸多專家的關注。

發電機是發電廠的重要設備之一,對電力系統的安全生產起著至關重要的作用。多年來的事故統計結果表明,發電機事故的發生往往是由于對故障的早期先兆缺乏認識或沒有給予足夠的重視,未能及時處理,消滅故障于萌芽階段;有時甚至會因故障的發展而導致惡性事故的發生,給電力生產乃至國民經濟帶來巨大的損失。因此,提高發電機的安全運行水平、實現發電機的狀態檢修/優化檢修具有十分重要的意義。但由于發電機故障特有的復雜性,給發電機故障診斷專家系統的研究工作帶來較大的困難,目前國內尚多屬理論研究及論證的階段。

基于這樣一個背景,鑒于生產的迫切需要,北京伏安基業電氣技術有限公司研究、開發了以“發電機故障診斷專家系統”為技術核心的系列軟件,其中包括水氫氫冷卻方式、雙水內冷冷卻方式、全氫冷冷卻方式及空冷冷卻方式的汽輪發電機故障診斷專家系統和定子水內冷和其它冷卻方式的水輪發電機故障診斷專家系統。

本專家系統根據國內通用的監測手段和技術條件,可對汽輪發電機可能發生的100多種故障、水輪發電機的60余種故障進行診斷,并針對故障的診斷方法、發展趨勢、處理方法及預防措施給出相關的專家建議。本專家系統是集在線實時、在線非實時和離線數據的采集與分析、狀態監測、故障診斷、故障處理于一體的多任務、多客戶端、多信息處理的故障診斷專家系統。

二、用計算機實現發電機故障診斷專家系統的作用和優點

㈠ 專家系統的主要作用

發電機故障診斷專家系統的主要作用是:實現“把專家請到你身邊來!”的目的。根據對發電機的各種監測數據和其它試驗、檢查等診斷信息,來識別發電機的狀態,早期發現故障并及時采取有效的技術、組織預防和處理措施,做到防患于未然,在保證發電機可靠運行的基礎上實現合理檢修。

對發電機故障診斷功能的主要要求就是要做到

◆不漏判。

◆不錯判。

㈡ 基于計算機技術的專家系統的優勢

與人工方式相比,基于計算機技術的發電機故障診斷專家系統具有如下優勢:

⒈可診斷故障的種類多,范圍廣。

⒉可以做到博采眾長,集中多名一流專家的經驗,避免局限性,考慮問題更周密、準確。

⒊分析問題客觀、全面、邏輯清楚,能迅速提出故障處理和預防措施的專家建議。

⒋實時監視發電機狀態和參數的變化,能抓住運行中每一個異,F象和故障先兆,用一流發電機專家群體的知識、經驗和智慧進行分析診斷,及時提出處理意見和預防措施建議,快速形成故障診斷意見和處理方案。

⒌不受環境、時空條件的限制,不受人為因素影響,可長期保存并易于傳播。

三、發電機故障診斷專家系統的物理模型及其實現

㈠ 發電機故障的特點

發電機故障具有如下特點:

⒈隱蔽性。

多年生產實踐經驗表明,發電機故障具有隱蔽性(漸進性)的特點。表面上看來,發電機的事故常常是突發的,但實際上,在一個突發事故的背后早有故障存在,甚至有一個比較長的發展過程。因此,發電機事故的發生往往是由于對故障的早期先兆缺乏認識或沒有給予足夠的重視,未能及時處理消滅故障于萌芽階段;因故障的發展而導致惡性事故的發生,給電力生產乃至國民經濟帶來巨大的損失。

⒉誘發性。

發電機的某些故障與故障之間具有誘發性和依從性。也就是說,某種故障可能是由另一種故障所引起,而其本身又可能誘發出其它的故障。因此,對這些故障發生、發展規律的物理描述,只依賴于先兆、先兆組合或故障與先兆、先兆組合之間的關系是不夠的。還必須涉及到故障與故障之間的關系。

⒊并發性。

發電機的故障有時會出現兩種或兩種以上同時并發的情況,亦即發電機故障具有并發性。

⒋故障發展規律的不確定性。

在實際生產中,發電機的運行工況千變萬化,運行條件也各不相同,而且運行人員對發電機狀態監視的注意集中點也有很大的隨機性。因此,對同一種故障,首先出現的原發性先兆可能不同,過程性先兆出現的次序也各不相同。亦即,發電機故障的發生和發展的過程具有不確定性。

⒌故障與先兆或先兆組合之間關系的復雜性。

發電機故障與先兆或先兆組合之間不是一一對應的簡單關系,而是多對多的復雜關系,一個先兆或一個先兆組合,可能預示著多個故障存在的可能,一個故障的存在,又可能出現多個先兆或多個先兆組合,這是發電機故障所具有的復雜性。

以上這些特點,都給發電機故障診斷專家系統的推理、診斷帶來很大的困難,如果考慮不當將會造成錯判或漏判。

㈡ 物理模型及其實現

發電機故障診斷的主要目的是,根據對發電機的各種監測數據和其它試驗、檢查等診斷信息,來識別發電機的狀態,早期發現故障并及時采取有效的技術、組織措施,做到防患于未然,在保證發電機可靠運行的基礎上實現合理檢修。

本系統的物理模型是在對我國近20年來100MW及以上容量發電機事故統計、分析及預防對策的分析研究的基礎上,參照國內外的相關資料,運用發電機運行、檢修、試驗、設計結構和制造工藝等諸多學科領域知識,尤其是領域專家幾十年的實踐經驗和理論功底,參照國標、部標及發電機有關規程的規定,對各不同類型(汽輪發電機、水輪發電機)、不同型號(各種不同冷卻方式)發電機故障的機理、發生的原因、發展規律、故障先兆、故障后果及預防對策進行了深入的分析研究,同時考慮了多因素、多類型故障的耦合,故障間的主從聯系及可能并發的基礎上制定的。是目前實現診斷內容最全面、診斷故障最多的發電機故障診斷專家系統。在實現的過程中針對發電機故障的特點和診斷過程中的難點,采取了如下有效措施,使物理模型的內容得以全部實現。

⒈采用多種數據源進行綜合診斷,由于發電機故障具有隱蔽性(漸進性)的特點。發電機故障的早期診斷必須通過對在線實時監測、在線非實時監測、離線試驗、檢查等診斷信息所獲得的故障先兆進行綜合分析,方能得出正確的診斷結論。在本系統的推理機制中,除有在線實時先兆和在線非實時先兆作為原發性先兆的推理過程之外,同時還考慮了由離線先兆做為原發性先兆(而這些先兆往往都是故障的早早期先兆)的診斷方法。

⒉在線和離線兩種診斷方式相結合。一方面,由于發電機的結構比較復雜,同時受到現有監測手段的限制,對某些故障,僅依靠在線實時和在線非實時先兆,只能得出階段性診斷結果,只有結合停機后通過試驗、檢查所得到的離線先兆,才能得出診斷的最終結論。另一方面,通過離線試驗、檢查得到的先兆往往都有助于故障的早期發現,而這些早期故障通過安全、經濟的全面考慮后,可能不必急于處理,而監視運行。據此,本系統采用了在線和離線兩種診斷方式相互繼承、相互啟發的方法實現對故障的綜合診斷。亦即,一方面根據在線先兆(包括在線實時和在線非實時先兆)得出當前發電機狀態的階段性診斷意見,并給出關于加強監視和防止故障進一步發展的運行措施的專家建議;同時還給出進一步確診故障的試驗、檢查方案,并根據由此得出的先兆做出最終的診斷結果,反之亦然。

⒊多入口、多維的網狀結構和推理過程中自適應解網功能。由于發電機故障發展的不確定性和發電機故障與先兆或先兆組合之間關系的復雜性,給專家系統的推理、診斷帶來很大的困難,而且很容易造成漏判或錯判。針對這一問題,本系統在故障的推理分析和判斷上,采用了多入口、多維的網狀結構和推理過程中自適應解網功能,從而使本系統具有人類專家面對不同情況時,解決實際問題的思維能力。

⒋提出多級故障與故障類先兆的概念,解決故障的誘發和依從性問題。發電機的某些故障與故障之間具有誘發性和依從性。對這些故障發生、發展規律的物理描述,只依賴于先兆、先兆組合或故障與先兆、先兆組合之間的關系是不夠的,還必須研究故障與故障之間的關系。為解決這一問題,本系統特提出多級故障與故障類先兆的概念,并將其融入到推理、診斷的過程之中,使這個難題得到了解決。

⒌解決了故障的并發性問題。由于發電機故障具有并發性,很容易導致漏判。針對這一問題,本系統用知識規則、算法或通過專家建議來實現對并發性故障的正確診斷。

⒍提出事故類先兆的概念,解決外界原因導致發電機事故的診斷問題。發電機運行中有時會由外界原因導致事故,如發電機外部兩相短路、三相短路或由開關故障引發的非全相運行等。雖然這些事故不是由發電機本身的缺陷或故障所引起的,但卻可能給發電機留下隱患并引發出其它故障。為此,本系統提出事故類先兆的概念,并將其作為原發性先兆觸發推理機運行,以便及早發現由事故帶來的隱患、避免被誘發故障的發生,并對事故后發電機的狀態做出診斷并提出處理意見和預防的措施。

⒎結合實際科學地確定故障先兆的門檻值。先兆是專家系統的診斷依據,因此先兆門檻值的確定是保證專家系統做出正確診斷的關鍵。本系統中先兆的門檻值是根據國標、部標、部頒規程、制造廠家關于產品的各種規定、發電廠發電機運行規程、氫油水運行規程、預防性試驗規程、檢修工藝規程及其它有關規程及國內近年來相關的經驗總結、兩部的有關文件等經過認真的考慮最終確定的,符合現場的實際需要。

尤其需要提到的是,采用定子繞組溫度指紋計算和動態門檻值的方法,對定子繞組熱故障進行判斷,做到了不漏判、不錯判和早期發現故障。

四、發電機故障診斷專家系統軟件的功能 

本專家系統是一個“集在線實時、在線非實時和離線數據的采集與分析、狀態監測、故障診斷、故障處理、信息管理于一體的多任務、多客戶、多信息處理的故障診斷專家系統。

發電機故障診斷專家系統的主要功能分故障診斷、狀態監測和信息管理三大部分。

 診斷功能。

⒈故障診斷功能。

本專家系統采用多種數據源、在線和離線兩種運行方式相互繼承、相互啟發的綜合診斷方法,實現對各種型號汽輪發電機100余種故障和水輪發電機60余種故障的診斷,并對故障的診斷方法、發展趨勢、處理方法及預防措施給出相關的專家建議。

⒉故障分級處理功能。

本系統按照故障的嚴重程度將故障分為四級。

◆一級故障:應安排停機處理的故障。

◆二級故障:應立即降低發電機負荷的故障。

◆三級故障:應立即向領導匯報,考慮降低發電機負荷或采取其它必要措施的故障。

◆四級故障:運行中加強監視的一般故障。

當同時發生兩個或兩個以上不同等級的故障時,系統將提醒用戶優先處理故障級別更高的那一個故障。

⒊故障預警功能。

當有故障發生時,系統以聲、光的方式向用戶發出警報。對發電機定子繞組熱故障的定子繞組溫度、定子鉄芯溫度等一些發電機關鍵的監測量,不僅可以聲光報警,而且這些監測量的位置上同時發生閃爍,改變顏色,提示故障發生的部位,使用戶能直觀地、一目了然地了解故障發生的具體位置和情況。

⒋推理回溯功能。

為避免用戶因一時疏忽,在處理故障與計算機進行人機交互時出現錯誤而導致錯誤的診斷結果,系統具有回溯功能,為用戶提供修正錯誤的機會。

⒌監測量識別和屏蔽功能。

當某個監測元件發生故障或進行檢查、修理時,用戶可自行將其屏蔽,恢復正常后,用戶可自行解除屏蔽,令其恢復正常運行。

 狀態監測。

⒈監測發電機定子繞組熱狀態。

多年來,全國發電機事故統計、分析的結果表明;定子采用水內冷冷卻方式的發電機(包括汽輪發電機和水輪發電機),因發電機定子繞組漏水、斷水、堵塞而引發的熱故障,在200MW及以上容量的發電機事故中所占比例較大,而且所造成的經濟損失都比較嚴重。由于定子繞組溫度是該類故障的關鍵性先兆,因此,無論是運行部門還是制造部門,都對定子繞組溫度的監測手段給予了格外的關注。發電機出廠時,預埋的測溫元件,為定子繞組熱狀態的監測提供了硬件基礎。

本專家系統為使用戶能夠時時刻刻一目了然的了解發電機定子繞組當前的熱狀態,并協同用戶對當前熱狀態進行分析,提供了強大的狀態監視功能和趨勢圖功能。

⒉監測發電機運行工況。

為協同用戶了解和掌握發電機運行工況及變化趨勢,系統提供對發電機主要運行工況參數的狀態監視功能和趨勢圖功能。

1。 定子繞組熱狀態監測屏

⒊趨勢圖功能。

⑴在線實時顯示與發電機運行工況有關的監測量的變化趨勢的趨勢圖。

⑵協同用戶對發電機狀態進行比較、分析的趨勢圖。

⑶歷史趨勢圖。

 信息管理。

本系統具有強大的查詢、統計、分析功能。其中包括,故障追記、故障查詢、故障統計、根據用戶的需要自動生成報表等功能。

圖2。故障查詢窗體

⒈故障追記。

本系統對所發生的全部故障的發生、發展、診斷、處理的全過程進行詳細的記錄,以備用戶隨時進行查詢。

⒉故障查詢。

⑴故障的劃分:

為適應診斷、查詢、統計的需要,特將故障進行分類和分級。

①故障分類

從故障管理的角度出發,將故障分為待處理故障、遺留故障、已結束故障和被忽略故障等四類故障。

◆待處理故障:待處理故障是指故障已經發生但還沒有完成最終診斷、或尚未進行處理、或還沒有處理完的故障。

◆遺留故障:遺留故障是指故障已經由運行(檢修)狀態進行處理到轉換節點,以下必須進行專家系統狀態的轉換,移交至檢修(或運行)狀態進行處理的故障。

◆已結束故障:已結束故障是指已作出最終診斷或已經處理完的故障。

◆被忽略故障:被忽略故障包括因各種原因被用戶所忽略的故障。忽略的原因有‘表計指示錯誤’、‘原發性先兆消失’和其它用戶認為可以忽略的故障。

◆全部故障:包括全部發生過的故障。(應為以上四種故障的總和)。

②故障分級。

如前所述,本專家系統按嚴重程度將故障分為四級。

⑵故障查詢。故障查詢窗體如圖2

本系統提供以下幾種查詢功能。

①按故障類別查詢。

②按故障級別查詢。

③按故障發生的時間查詢。

④按故障發生的部位查詢。

⑤按故障關系查詢。

⒊故障統計。

⑴按時間進行統計。

⑵按故障等級進行統計。

⑶按故障部位進行統計。

全部統計結果均可按照用戶給定的格式生成月報、季報和年報。

⒋自動生成各種報表。

本系統可根據用戶的需要及用戶提供的格式生成運行報表、檢修記錄、預防性試驗等各種報表。

五、軟件結構

㈠ 體系結構

發電機故障診斷專家系統之軟件結構完全遵從符合工業標準的N-Tier多層體系,徹底實現Browser/Server計算模式,完整實現標準/非標準數據及數據結構交換,并且實現多平臺、跨平臺的部署能力。

㈡ 技術優點:

將業務規則集中到易于創建、使用和重用的組件中,從而方便了開發和維護。 

提供了高級語言以開發業務規則,代替使用存儲過程和有限的 SQL 語言來檢查業務規則。

將數據訪問集中到組件中,從而減少了應用程序中的重復代碼,每個需要訪問特定表的窗體都使用相同的組件。 

如果使用類型化數據集,則可以使用智能感知功能來查詢列名稱,而不必記住它們。 

集中式數據訪問例程有助于維護工作,因為對任何數據訪問例程的更改都只需進行一次即可。

可以隨時將組件分離到不同的物理計算機上。這種靈活性使代碼具有更好的可縮放性和集中性。

圖3。技術框架體系結構圖

圖4。業務框架體系結構圖

 基本特征

徹底的開放式工業標準體系。

遵循開放的標準與協議,如TCP/IP、XML、SOAP、HTML等。遵循開放的標準使得N-Tier多層體系的計算方式可以跨平臺進行,突破原來不同的操作系統、不同的數據庫/數據倉庫系統、不同的硬件平臺對應用系統的限制;而應用系統的開發,也可以專注于算法的優化和集成度的提高。

低廉的應用運行、開發和管理成本。

客戶機只需要運行瀏覽器軟件和一些簡單的系統級基礎組件,無需太高的配置和不斷的升級;所有應用一旦部署完成,就可以適應不同用戶各種多樣化的運行環境,無論安裝和升級均只需要在少量的主干節點上進行。

簡單而一致的訪問方法。

無論訪問共享信息或運行應用程序,用戶所面對的都是統一的瀏覽器界面,用戶所有操作就一如日常的業務執行方式,這將可以大大降低用戶的培訓費用和維護費用。 

高度的安全性與可靠性。

所有應用和數據均放置在單一而可靠的主干節點之上,良好的架構級安全特性以及完善的軟件結構,將可以保證系統在軟硬件故障等諸方面具備得天獨厚的可靠保障,從而保證了發電機故障診斷專家系統運行的安全可靠性。

六、北京伏安基業電氣技術有限公司在發電機故障診斷方面的獨有技術:

 定子繞組溫度指紋計算及動態門檻值。

如前所述,采用定子繞組水內冷冷卻方式的發電機(包括汽輪發電機和水論發電機,因各種原因引發的定子熱故障,不僅在發電機事故中所占比例較大而且帶來的經濟損失十分巨大,因此對定子繞組溫度的監測和報警閾值的確定方法是一個重要的研究課題。北京伏安基業電氣技術有限公司基于生產的需要研究、開發了‘定子繞組溫度指紋計算及動態門檻值’的新方法,現就此做一簡要介紹。

⒈目前通用的溫度閾值的確定方法及其不足之處。

⑴目前通用的溫度閾值的確定方法。目前確定溫度閾值的主要依據是:

①根據發電機定子線圈所能承受的允許溫度并按照發電機處于額定工況下所能達到的溫度,再考慮留有一定的裕度確定溫度閾值。

②為彌補以定子線圈所能承受的允許溫度確定溫度閾值的不足,用橫向比較的方法確定溫度閾值。即以定子線棒定冷水出口溫度最高與平均值之差、定子線棒定冷水出口溫度最高與最低之差、定子線棒檢溫計指示溫度最高與平均值之差、定子線棒檢溫計指示溫度最高與最低之差確定門檻值。

⑵目前通用確定溫度閾值方法的不足之處。

現有方法對提醒運行人員緊急處理故障、避免更為嚴重的事故發生,起到了關鍵的作用,但存在以下幾點不盡合理之處。

①無助于早期發現故障。由于溫度閾值是根據定子線圈所能承受的溫度和在額定工況下所能達到的溫度而確定的,因此不能起到早期發現故障、防患于未然的作用。

②當發電機處于非額定工況下運行時,現有閾值不足為故障診斷的判椐。由于報警閾值是根據發電機定子線圈所能承受的最高溫度而確定的,因此它只是說明發電機不允許在超過規定閾值的情況下運行,否則將可能發生嚴重事故。但當發電機處于非額定工況下運行時,由于沒有對應于各不同運行工況下發電機定子繞組溫度的正常值這個判椐,盡管定子繞組溫度沒有超過閾值也不能充分說明發電機不存在故障。尤其是在有故障發生、采取了降負荷措施、將故障線棒的溫度降低到規定的閾值或閾值以下時,表面上看來,溫度已經降低到允許值以下,但實際上故障是否已經消除卻無法進行判斷。

③通過橫向比較確定閾值的方法缺乏嚴格的科學依據,因此,有可能導致漏判或錯判。由于線棒結構的不同(如有的線棒帶有引線部分)、材質及加工工藝的不盡完全相同、測溫元件安裝工藝的差異等各種因素的影響,使得在正常運行情況下,各個線棒(或各個分支)的溫度就各不相同,其差值還隨運行工況的不同而不同(這一點,已通過對多臺發電機定子繞組溫度試驗和實際運行數據的采集、分析得到了充分的證明)。因此,實際上存在著對不同線棒(或不同分支)溫度閾值標準的不一致性。這樣很容易導致漏判或錯判,即對原有溫度低的線棒(或分支)造成漏判,對溫度高的造成錯判。

⒉發電機定子線圈溫度指紋計算和動態閾值。

⑴發電機定子線圈溫度指紋計算。

發電機定子線圈溫度指紋計算方法是計算在各種運行工況下每個水支路(或每個定子線棒)的定子冷卻水出口溫度和定子槽內檢溫計溫度的正常值(即指紋)。用實測值與其進行比較,判定定子線圈熱狀態。

實現的方法是,通過對發電機結構設計、制造工藝等理論的深入研究,結合對發電機大量的實際運行數據的分析,以熱平衡理論為基礎,構建指紋計算數學模型。模型中幾個相關系數的數值,隨發電機及其線棒位置(或分支位置)的不同而不同?刹捎贸墒斓纳窠浘W絡或最小二乘曲線擬合的方法確定之。從而得到發電機定子線棒(或分支)定冷水出口溫度和槽內檢溫計溫度的計算公式。在線實時計算定子線圈(或分支)定冷水出口溫度和槽內檢溫計溫度的正常值。

⑵動態閾值。

用以上方法可以在線實時計算出在該工況下發電機定子線圈(或分支)定冷水出口溫度和槽內檢溫計溫度的正常值。通過與實測值的比較便可看出當前發電機的熱狀態。我們稱溫度實測值與計算值之比為溫升比,顯然溫升比的大小將直接反映該線圈(或分支)的熱狀態是否正常、和故障的嚴重程度。因此,可以溫升比為限制條件確定溫度閾值,并將其稱之為動態閾值。

顯然,采用動態閾值作為診斷依據可以避免上述不足之處。不僅可以作到即不漏判也不錯判,尤其有利于在低負荷的情況下早期發現故障。

⒊應用情況:

北京伏安基業電氣技術有限公司于2001年初,在國內、外率先提出汽輪發電機定子溫度指紋計算數學模型及其參數的確定方法。并先后在上海外高橋發電廠、河北馬頭發電廠及天津軍糧城發電廠得到了應用。并達到了較高的計算精度(計算定冷水出口溫度的最大誤差不高于1℃、計算檢溫計溫度時最大誤差不高于2℃)。在實際應用過程中,曾早期發現定子線棒部分堵塞故障,為發電廠創造了巨大的經濟效益。

㈡ 發電機變參數數學模型及其在轉子電流指紋計算和進相運行靜穩儲備計算中的應用。

⒈發電機變參數數學模型。

⑴發電機穩態運行行為計算的通用數學模型。

通用計算方法采用的數學模型為:

式中:

E:發電機定子感應電勢(kV),

I:發電機定子電流(kA),

U:發電機定子電壓(kV),

COSφ:發電機力率,

φ:發電機力率角(度)

φ= COS-1φ

Xd:發電機同步電抗(為一常數)。

Xd =Xad+ Xs

Xs:發電機定子漏抗,

式中:

If:轉子電流。

K:系數(為一常數)。

通用算法中的發電機同步電抗XD和定子感應電勢與轉子電流之比K,均采用制造廠給定的數值或常規試驗測得的結果進行計算。但它們都是不飽和值。而實際運行中發電機內的電磁場均處于飽和狀態。并且,運行工況不同時,飽和程度也不相同。因此這種算法將帶來很大的誤差。例如,對某臺TQN-100-2型發電機的實測結果表明,在多個不同運行工況下實測到的XadK的值,其變化范圍分別是1.12 ∽1.42和892 ∽ 789,并且各個工況互不相同。這恰恰表明:由于飽和的非線性影響,發電機參數應是工況的函數,為此,當采用恒定參數的數學模型分析計算發電機各種不同的運行行為時,將不可避免的帶來較大誤差。

⑵發電機變參數數學模型。

與通用模型不同的是,式中XdK不再是常數,而是發電機運行工況的函數。

XdK的表達式如下:

式中:

、、  為待定系數。

、、  為待定系數。

用發電機變參數數學模型計算發電機各不同工況下的運行行為,由于充分考慮了發電機在不同運行工況下不同的飽和影響,計算結果可以達到較高的精度,根據以往對300MW、200MW、100MW、50MW、25MW、1.25MW多種容量、多種型號發電機的計算結果表明,其計算值與實測值相比,計算轉子電流的最大誤差不超過2%,平均誤差在1%左右。計算功角的最大誤差不超過2度平均誤差小于1度。

⑶發電機變參數數學模型在發電機故障診斷專家系統中的應用。

①發電機轉子電流指紋計算及其在轉子匝間短路故障診斷中的應用。

發電機轉子匝間短路故障是發電機轉子頻發性故障之一,測試、診斷發電機匝間短路故障的方法很多,在診斷有、無匝間短路故障中起到了很好的作用。但做為是否需要進行徹底大修決策的判據均尚顯不足,據有關規程規定,決定對轉子匝間短路是否需要進行徹底大修的判據有二,一是振動超過規定數值,一是在同一運行工況下轉子電流超過正常值的5%10%。這就需要對各運行工況的正常值作出準確的計算,方能實現。通過多種型號發電機的實測結果均表明,用通用的模型計算方法其精度不能滿足這一需求,而變參數數學模型的計算精度完全可以滿足工程的需要,因此,可采用變參數數學模型在線實時計算發電機轉子電流的正常值(指紋),與實測值對比的方法,為檢修決策提供判據。

②發電機P-Q容量圖及靜穩儲備系數的計算。

用發電機變參數數學模型可以在線實時準確的計算發電機P-Q容量圖,和靜穩儲備系數,在專家系統中協同用戶對進相運行能力和靜穩儲備作出準確的判斷。

七、發電機故障診斷專家系統在我國電力系統中的應用。

◆本專家系統于200012月率先在外高橋發電廠#2發電機上投入試運行(后升級為Ver2.0版)。三年多的實際運行結果表明,本系統運行情況良好、性能穩定、并在運行中發現了一些早期故障,且及時得到了處理,僅#10槽上層線棒空心銅線輕微堵塞和壓差閥失靈/調整不當兩項早期發現、早期得到處理的故障所避免的經濟損失就高達780萬元。因此,本系統受到電廠各級有關人員的一致好評。

◆本系統于20021月通過國家電力公司的成果鑒定,鑒定委員會全體委員一致認為“該系統填補了國內空白、達到國際先進水平!辈⒔ㄗh在我國電力系統中進一步推廣應用。

◆本項目于2002年獲上海電力局科技進步一等獎,2003年獲上海市科技進步三等獎。 

200210月,發電機故障專斷專家系統2.0版在河北馬頭發電廠投入運行,至今運行情況良好、性能穩定,在協同用戶更好的了解發電機運行狀態、為檢修決策提供科學依據等方面起到了良好的作用。

20025月發電機定子溫度預警系統在天津軍糧城發電廠投入運行,2003年該系統通過天津電力局的成果鑒定。并獲2003年天津電力局科技進步一等獎。

2003年繼而開發了發電機故障診斷專家系統2003版,其中包括:

上海外高橋發電廠1、3、4號發電機的發電機故障診斷專家系統。

三峽水力發電廠#1號水輪發電機水冷狀態監測及故障診斷專家系統。

河北西柏坡電廠#1、2、3、4號汽輪發電機故障診斷專家系統。

以上專家系統將分別于20044、6、8月份投入運行。

八、前景

本項研究工作源于生產的需要,開發出的產品 “發電機故障診斷專家系統”是一個應用于實際生產的智能系列軟件,以發電廠的需求為依據,設計軟件功能,結合發電廠現有的技術、監測條件,在不增加任何硬件設施的前提條件下實現了發電機可能發生的各種故障的診斷功能,內容全面且具有較大的實用價值,并具有較大的通用性。作為一個為實現發電機狀態檢修應運而生的“發電機故障診斷專家系統”必將隨著狀態檢修工作的進一步深入、推廣而得到廣泛得應用。

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