物理模型的实现方法优化

故障诊断的技术核心是诊断模型。系统建立诊断模型的基本理念是采用多种数据源，以系统在线、离线两种运行方式相互继承、相互启发的综合诊断方法对故障进行综合诊断。

系统的诊断模型是运用发电机运行、检修、试验、设计和制造工艺等诸多学科知识，结合我国近20年发电机事故统计、分析及预防对策研究分析的结果，尤其是多名业内著名专家几十年的宝贵经验，参照国标、部标及发电机有关规程的规定，并对发电机有关图纸、资料及水力发电厂的各种规程进行认真分析、研究的基础上建立的。实现了水力发电厂水轮发电机可能发生的100余种故障的诊断。在实施的过程中针对发电机故障的特点和诊断过程中的难点，采取了有效措施，使诊断模型的内容得以全部实现。

1.发电机故障的特点

发电机故障具有隐蔽性、诱发性、并发性、故障发展规律的不确定性、故障与先兆或先兆组合之间关系的复杂性等特点。多年生产实践经验表明，发电机故障具有隐蔽性（渐进性）的特点。表面上看来，发电机的事故常常是突发的，但实际上，在一个突发事故的背后早有故障存在，甚至有一个比较长的发展过程。发电机事故的发生往往是由于对故障的早期先兆缺乏认识或没有给予足够的重视，未能及时处理最终导致恶性事故的发生。发电机的某些故障与故障之间具有诱发性和依从性的因果关系。某种故障可能是由另一种故障所引起，而其本身又可能诱发出其他的故障。发电机有时会出现两种或以上故障同时发生的情况，亦即发电机故障具有并发性。在实际生产中，发电机的运行工况千变万化，运行条件也各不相同，而且运行人员对发电机状态监视的注意集中点也有很大的随机性。因此，对同一种故障，首先出现的原发性先兆可能不同，过程性先兆出现的次序也不相同。即发电机故障的发生和发展的过程具有不确定性。发电机故障与先兆或先兆组合之间不是一一对应的简单关系，而是多对多的复杂关系，一个先兆或一个先兆组合，可能预示着多个故障存在的可能，一个故障的存在，又可能出现多个先兆或多个先兆组合，这是发电机故障所具有的复杂性。这些特点都给发电机故障诊断专家系统的推理、诊断带来很大的困难。

2.诊断模型的实现

针对发电机故障的特点和诊断过程中的难点，系统采取了有效措施，使诊断模型的内容得以全部实现。

（1）采用多种数据源生成的先兆或先兆组合对故障进行诊断。由于发电机故障具有隐蔽性（渐进性）的特点，发电机故障的早期诊断必须综合在线实时监测、在线非实时监测、离线试验、检查等诊断信息所获得的故障先兆或先兆组合进行分析，方能得出正确的诊断结论。在系统的推理机制中，除有在线实时先兆和在线非实时先兆作为原发性先兆的推理过程之外，同时还考虑了由离线先兆作为原发性先兆（而这些先兆往往都是故障的早期先兆）的诊断方法。

（2）系统采用在线和离线两种运行方式相互继承、相互启发的综合诊断方法对故障进行诊断。一方面，由于发电机的结构比较复杂，同时受到现有监测手段的限制，对某些故障，仅依靠在线实时和在线非实时先兆，只能得出阶段性诊断结果，只有结合停机后通过试验、检查所得到的离线先兆，才能得出诊断的最终结论;另一方面，通过离线试验、检查得到的先兆往往都是故障的早期征兆，而这些早期故障通过安全、经济的全面考虑后，可能不必急于处理，而监视运行。据此，系统采用了在线和离线两种诊断方式相互继承、相互启发的方法实现对故障的综合诊断。即一方面根据在线先兆（包括在线实时和在线非实时先兆）得出当前发电机状态的阶段性诊断意见，并给出关于加强监视和防止故障进一步发展的运行措施的专家建议;同时还给出进一步确诊故障的试验、检查方案，并根据由此得出的先兆做出最终的诊断结果，反之亦然。

（3）采用多入口、多维的网状结构和推理过程中自适应解网技术。针对发电机故障发展的不确定性和发电机故障与先兆或先兆组合之间关系的复杂性，系统在故障的推理分析和判断上，采用了多入口、多维的网状结构和推理过程中自适应解网功能，从而使系统具有人类专家面对不同情况时，解决实际问题的思维能力。

（4）提出多级故障与故障类先兆的概念，解决故障的诱发性和依从性问题。发电机的某些故障之间存在因果关系。对这些故障发生、发展规律的物理描述，只依赖于故障与先兆或先兆组合之间的关系是不够的，还必须研究故障与故障之间的关系。为此，系统特提出多级故障与故障类先兆的概念，并将其融入到推理、诊断的过程之中，使这个难题得到了解决。

（5）利用知识规则、算法和专家建议解决故障的并发性问题。

（6）结合实际科学确定生成先兆的阈值。先兆是专家系统的诊断依据，因此先兆阈值的确定是专家系统做出正确诊断的保证。系统中先兆的阈值是根据国标、部标、部颁规程、制造厂家关于产品的各种规定、发电厂各种相关规程及国内近年来相关的经验总结、两部（原电力部、原机械部）的有关文件等经过认真考虑最终确定的。尤其需要提到的是，采用定子绕组温度指纹计算和动态阈值对定子绕组热故障进行判断的方法，做到了不漏判、不错判和早期发现故障。

3.故障诊断功能(www.xing528.com)

（1）系统实现了对定子水内冷的水轮发电机可能发生的100余种故障的诊断功能，并针对故障的诊断方法、发展趋势、运行措施、处理方法给出了相关的专家建议。面对发电机故障诊断这一难度较大的实际应用领域，通过百余万条的推理规则，将诊断模型完全应用到实际问题的求解中去，无论是深度上还是广度上都达到一流专家的水平。

（2）为使用户在处理故障时能分清轻重缓急，专家系统根据有关规程规定和运行经验将发电机故障按照严重程度分为4级，必须立即停机进行处理的为第1级，应立即降低负荷的为第2级，应向领导汇报降低负荷的为第3级，一般故障为第4级。当发生故障时，分别按照故障级别的高低给出不同的提示，以提醒用户的注意。如果有两个或以上的故障同时存在，系统将提醒用户首先处理更高级别的故障。

（3）为避免用户因一时疏忽，在进行人机交互时出现错误而导致误诊断。专家系统的推理机具有回溯功能，为用户提供改正失误的机会。

（4）当识别出并确认某监测系统工作异常时，可屏蔽其监测量，使其不再介入推理、诊断过程，直至恢复正常时为止。

（5）专家系统具有强大的解释功能。

4.定子绕组指纹计算及动态阈值

多年来，对全国发电机事故的统计结果表明，采用定子绕组水内冷冷却方式的发电机，因各种原因引发的定子绕组热故障，不仅在发电机事故中所占比例较大，而且经济损失惨重，因此对定子绕组温度的监测和报警阈值的确定方法就显得格外的重要。

（1）目前通用的温度阈值的确定方法及其不足之处。目前通用的确定温度阈值的原则是：根据发电机定子绕组所能承受的允许温度并按照发电机处于额定工况下所能达到的温度，再考虑留有一定的裕度确定温度阈值以避免发生严重事故。但当发电机存在早期轻微的故障，尤其是处于非额定工况下运行时，由于正常温度值就比较低，即便有故障存在也不一定能够超过规定的阈值。因此这种判断方法容易对早期故障或处于非额定工况时所发生的热故障产生漏判。为弥补上述方法的不足，相关规程中规定用横向比较的方法确定温度阈值，即以定子绕组水支路出水温度（和槽温度）最高与平均值之差、最高与最低之差确定阈值。但由于定子绕组水支路结构不同，定子绕组材质及加工工艺、测温元件特性、安装工艺均不尽相同，使得在正常运行情况下，各个不同线棒或水支路的温度不尽相同，其差值还随运行工况的变化而异。因此采用这种确定温度阈值的方法，实际上存在着对不同线棒或不同水支路温度阈值标准的不一致性。即对原有温度低的线棒（或水支路）阈值偏高容易造成漏判，对原有温度高的线棒（或水支路）阈值偏低可能发生错判。

（2）部颁规程和《发电机反事故技术措施》中提出的新理念。针对上述问题，在现行国标、《汽轮发电机运行规程》（国电发[1999]579号）和《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中都要求，“运行人员应将发电机温度（绕组、铁芯、冷却介质的温度和温升）与正常值比较，要注意监视相应的温差、温升，并且要按照制造厂的规定或相应的限额进行报警或停机”，这种以每个测点的实测值与自身的正常值比较的结果作为诊断判据的理念，从根本上解决了以上两种方法的不足之处，但在执行中缺乏可操作性。众所周知，发电机定子温度与有功、无功、定子电流、纯水进水温度、冷风温度等多个运行参数有关，而在实际生产中发电机运行工况千变万化，因此，在线实时提供与之对应的温度正常值是多年来未能解决的技术难关。也只有攻克这个难点，才能真正贯彻《发电机反事故技术措施》精神，对定子热状态实现最合理的监测和诊断，做到不错判、不漏判。

（3）定子绕组指纹计算及动态阈值。基于上述原因，研究、开发了大容量水轮发电机判断定子绕组热故障的定子绕组温度指纹计算及动态阈值的新方法。发电机定子绕组温度指纹计算的目的是计算在各种运行工况下每个水支路出水温度和槽温度的正常值（即指纹）。

温度指纹计算的数学模型是通过对发电机结构设计、制造工艺等理论的深入研究，结合对发电机大量的实际运行数据分析，以热平衡理论为基础构建的，模型中的几个相关系数，是采用成熟的参数辨识方法确定的。用此模型参数可在线实时计算出每个运行工况下发电机每个出水温度（温升）和槽温度（温升）的正常值。温升实测值与计算值之比称为温升比，显然温升比的大小将直接反映定子绕组的热状态是否正常或故障的严重程度。因此，可以将温升比作为限制条件确定温度阈值，并将其称为动态阈值。