應(yīng)用模糊集判斷水輪發(fā)電機軸承溫度升高

孔大明

（國網(wǎng)新源控股有限公司豐滿發(fā)電廠，吉林省 吉林市 132108）

應(yīng)用模糊集判斷水輪發(fā)電機軸承溫度升高

孔大明

（國網(wǎng)新源控股有限公司豐滿發(fā)電廠，吉林省 吉林市 132108）

水輪發(fā)電機組的各部軸承作為機組的重要組成部件，軸承溫度升高保護是其重要的保護。以往軸承溫度升高保護是采取溫度越限的方法來進行判斷，造成發(fā)生故障時不能及時判斷。本文分析了水輪發(fā)電機軸承溫度升高的原因，闡述了保護回路動作的過程，嘗試采用模糊集，結(jié)合現(xiàn)有溫度越限的判斷方法，加入了軸承溫度變化趨勢的判斷條件，建立了3輸入1輸出的邏輯模型，創(chuàng)建了4條邏輯規(guī)則，并應(yīng)用Matlab程序?qū)υ撃Ｐ瓦M行了仿真分析，可以提前判斷出軸承溫度升高故障。

模糊集；軸承溫度；Matlab

0 引言

對于水電廠來說，軸承溫度是機組的重要參數(shù)，根據(jù)材質(zhì)不同，規(guī)定了不同的限制溫度。水電廠的現(xiàn)地監(jiān)控單元LCU采集軸承實際溫度，值班人員按時進行巡視檢查，一般一天數(shù)次。由于軸承溫度隨著負荷變化而變化，如果值班人員巡視檢查時發(fā)現(xiàn)軸承溫度異常，需要進行判斷；如未發(fā)現(xiàn)異常，則只有當(dāng)軸承溫度超過限定溫度時，軸承溫度過高保護動作停機。生產(chǎn)實際中如果軸承發(fā)生問題，軸承溫度已經(jīng)超過限定溫度并處于上升過程中，此時保護動作停機有可能已經(jīng)過晚，會給軸承造成較大傷害。所以，應(yīng)該改變軸承溫度的判斷方式，當(dāng)發(fā)現(xiàn)軸承溫度變化有異常時，可以提前判斷出來，然后采取措施并加以處理。

1 水輪發(fā)電機組軸承溫度升高分析

立式水輪發(fā)電機一般包括4部軸承：推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承。推力軸承常見的支撐形式有：剛性支柱式、彈性油箱、多點支撐式、平衡塊支柱式。導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)采用浸油分塊瓦式、筒式、楔子板式。水導(dǎo)軸承按軸承結(jié)構(gòu)不同分為：橡膠瓦導(dǎo)軸承、分塊瓦導(dǎo)軸承和筒式瓦導(dǎo)軸承[1]。

水輪發(fā)電機在正常運行工況下，其軸承的最高溫度采用埋置檢溫計測量，應(yīng)不超過下列數(shù)值：推力軸承巴氏合金瓦，80℃；推力軸承塑料瓦體，55℃；導(dǎo)軸承巴氏合金瓦，75℃；導(dǎo)軸承塑料瓦體，55℃；座式滑動軸承巴氏合金瓦，80℃[2]。

因各部軸承允許運行溫度不一致，本文結(jié)合某水電廠機組推力軸承溫度升高加以分析。由于該水電廠機組投運較早，為保障機組安全，故軸承溫度運行范圍較低。

推力瓦為巴氏合金瓦運行時，溫度控制在50～60℃之間，達到65℃即發(fā)出故障信號，到70℃時事故停機。推力瓦為塑料瓦，則當(dāng)瓦體溫度不超過55℃時，允許塑料推力瓦長期運行；瓦體溫度達55℃時報警，達60℃時停機。[3]

推力瓦溫偏高原因大致如下：

（1）各塊瓦受力調(diào)整不均勻。

（2）推力瓦刮瓦質(zhì)量不良。

（3）某些推力瓦的靈活性受卡阻。

（4）推力瓦擋塊間隙變小。

（5）瓦變形過大。

（6）Pv值偏大。

現(xiàn)地監(jiān)控單元LCU機組軸承溫度升高保護動作流程如圖1所示，當(dāng)機組冷熱風(fēng)溫度、主變壓器溫度、卷線溫度升高動作，同樣動作該流程；機組軸承過高保護動作流程如圖2所示，當(dāng)機組過速度、電氣保護動作，同樣動作該流程。

圖1 軸承溫度升高等動作原理

圖2 軸承溫度過高動作原理

當(dāng)推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承、冷風(fēng)、熱風(fēng)、主變壓器、卷線等任一部位發(fā)生溫度升高時，1WJ-11WJ接通，此時發(fā)出軸承溫度升高警報光示牌5XJ-10XJ，同時動作故障繼電器28ZJ發(fā)出機械故障。

當(dāng)推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承任一軸承發(fā)生溫度過高時，1WJ-4WJ接通，22LP投入，此時發(fā)出軸承溫度過高警報4XJ，同時動作27ZJ事故停機繼電器，動作事故停機。

2 模糊集介紹

模糊集是一種邊界不分明的集合，模糊集與普通集合既有區(qū)別又有聯(lián)系。一個元素可以是既屬于該集合又不屬于該集合，邊界不分明或界限模糊。

建立在模糊集基礎(chǔ)上的模糊邏輯，任何陳述或命題的真實性只是一定程度的真實性，與建立在普通集合基礎(chǔ)上的布爾邏輯相比，模糊邏輯是一種廣義化的邏輯。在布爾邏輯中，任何陳述或命題只有兩種取值，即邏輯真和邏輯假。在模糊邏輯中，陳述或命題的取值除真和假外（“1”和“0”）外，可取0～1之間的任何值。模糊性反映了事件的不確定性，但這種不確定性不同于隨機性。隨機性反映的是客觀性，即人們對有關(guān)事件定義或概念描述在語言意義理解上的不確定性。

Matlab是美國Mathworks公司推出的適用于多種學(xué)科的大型仿真軟件。盡管Matlab并不是為控制理論與控制系統(tǒng)的設(shè)計者編寫的，但它語言化的數(shù)值計算，強大的矩陣處理及繪圖功能，以及靈活的可擴充性和產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)思路，具有各類實用的工具箱、模糊邏輯工具箱可以靈活地加以使用。

在模糊推理系統(tǒng)工程中，模糊規(guī)則以模糊語言的方式描述人類的經(jīng)驗和知識，規(guī)則是否正確反映人類專家的經(jīng)驗和知識更新，是否能反映對象的特征，直接決定了模糊推理系統(tǒng)的性能，通常通過模糊規(guī)則的形式是if then，前提是由對模糊語言變量的語言描述構(gòu)成，如“溫度較高”、“壓力較低”等，結(jié)論由對輸出模糊語言變量表示成輸入量的精確的組合，模糊規(guī)則的這種形式化表示符合人們通過自然對許多知識的描述和記憶習(xí)慣。

模糊規(guī)則的建立是構(gòu)造模糊推理系統(tǒng)的關(guān)鍵，其建立方法主要有以下3種：[4]

（1）總結(jié)操作人員、專家的經(jīng)驗和知識。操作人員在長期從事儀表設(shè)備的操作中，積累了大量的經(jīng)驗，這些經(jīng)驗都有具有模糊性的特點。總結(jié)這些經(jīng)驗對構(gòu)造模糊規(guī)則有重要的指導(dǎo)意義；某個領(lǐng)域的專家則對該領(lǐng)域的各種過程機理有較深刻的認識，對過程的運行特性能夠通過理性分析給出定性的結(jié)論以幫助建立模糊規(guī)則。

（2）基于過程的模糊模型。被控過程的動態(tài)特性可以用模糊模型來描述，稱作過程的模糊模型。基于過程的模糊模型可以產(chǎn)生一組模糊控制規(guī)則來使被控過程到達期望的性能。這種方法存在的困難就是難于獲得能夠充分反映被控過程特性的模糊模型及其參數(shù)。

（3）基于學(xué)習(xí)的方法。當(dāng)被控過程存在時變的特性或難以直接控制模糊控制器時，可以通過設(shè)計具有自學(xué)習(xí)能力的模糊控制器來自動獲得模糊規(guī)則。

其中，第一種方法是最基本的，也是應(yīng)用最廣泛的方法。在實際應(yīng)用中，初步建立的模糊規(guī)則往往不能獲得良好的效果，必須不斷加以修正和試湊。在模糊規(guī)則的建立、修正和試湊過程中，盡量保證模糊規(guī)則的完備性和相容性。

模糊推理是采用模糊邏輯由給定的輸入到輸出的映射過程。模糊推理包括5個過程：

觀察組給予培美曲塞二鈉聯(lián)合順鉑化療，培美曲塞（國藥準(zhǔn)字H20051288，江蘇豪森藥業(yè)集團有限公司，0.2 g/瓶，批號120902）500 mg/m2，第1天靜脈滴注。

（1）輸入變量模糊化，即把確定的輸入轉(zhuǎn)化為由隸屬度描述的模糊集。

（2）在模糊規(guī)則的前件中應(yīng)用模糊算子（與、或、非）。

（3）根據(jù)模糊蘊含運算由前提推斷結(jié)論。

（4）合成每一個規(guī)則的結(jié)論部分，得出總的結(jié)論。

（5）反模糊化，即把輸出的模糊量轉(zhuǎn)化為確定的輸出。

結(jié)合值班人員積累的歷史經(jīng)驗，嘗試創(chuàng)立判斷水輪發(fā)電機組軸承溫度升高的模糊規(guī)則：

（1）如果軸承溫度超過同等出力最高溫度2℃，溫度變化趨勢平穩(wěn)，則軸承溫度升高。

（2）如果軸承溫度升高超過同等出力最高溫度2℃，溫度變化趨勢突變，則軸承溫度需要再次確認，不一定升高。

（3）如果軸承溫度升高未超過同等出力最高溫度2℃，則軸承溫度未升高。

注：溫度變化趨勢采用計算軸承溫度斜率來判斷，軸承溫度斜應(yīng)用式（1）計算，即軸承溫度斜率k值是否大于等于2，如果大于等于2是突變，否則不是突變。

式中Tx——軸承現(xiàn)在溫度；

Tq——軸承前一小時溫度。

3 應(yīng)用Matlab的仿真分析

應(yīng)用Matlab中的邏輯工具箱，設(shè)計一個3輸入、1輸出的邏輯，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

第一個輸入為軸承目前溫度與同等出力最高溫度的差值，軸承溫度差值低于2℃的隸屬度函數(shù)選擇trapmf，參數(shù)選擇為[0 0 1.99 1.99]；軸承溫度差值高于2℃的隸屬度函數(shù)選擇為trapmf，參數(shù)選擇為[2 2 10 10]。

第二個輸入為軸承目前溫度與前一個小時溫度的斜率，斜率值小于2，表示溫度未突變，隸屬度函數(shù)選擇為trapmf，參數(shù)選擇為[0 0 1.99 1.99]；斜率值大于2，表示溫度突變，隸屬度函數(shù)選擇為trapmf，參數(shù)選擇為[2 2 10 10]。

第三個輸入為軸承目前溫度是否超過規(guī)定極限，軸承溫度超過規(guī)定極限隸屬度函數(shù)選擇trapmf，參數(shù)選擇為[0 0.1 10 10]。

輸出為軸承溫度是否升高。軸承溫度未升高，函數(shù)類型為trimf，參數(shù)選擇為[0 5 10]；軸承溫度懷疑升高，函數(shù)類型為trimf，參數(shù)選擇為[10 15 20]；軸承溫度升高，函數(shù)類型為trimf，參數(shù)選擇為[20 25 30]。

創(chuàng)建軸承溫度升高判斷邏輯規(guī)則如圖4所示。

規(guī)則1：If （input1 is zwd） then （output1 is zwd）（權(quán)重選擇為0.5）；

規(guī)則2：If （input1 is zwg） and （input2 is zwbtb）then （output1 is zwg） （權(quán)重選擇為0.5）；

規(guī)則3：If （input1 is zwg） and （input2 is zwtb） then（output1 is zwm） （權(quán)重選擇為0.5）；

圖3 軸承溫度升高判斷模型結(jié)構(gòu)

圖4 軸承溫度升高判斷邏輯規(guī)則

圖5 軸承溫度升高判斷仿真結(jié)果

規(guī)則4：If（input3 is zwgx） then （output1 is zwg）（權(quán)重選擇為1）。

zwd——軸承溫度低；

zwg——軸承溫度高；

zwgx——軸承溫度過限；

zwm——軸承溫度需要確認；

zwtb——軸承溫度突變；

zwbtb——軸承溫度未突變。

以軸承溫度低、軸承溫度未突變、軸承溫度未過限、仿真結(jié)果為軸承溫度低為例，軸承溫度升高判斷仿真結(jié)果如圖5所示。軸承溫度升高判斷仿真結(jié)果見表1。

表1 軸承溫度升高判斷仿真結(jié)果

4 結(jié)論

應(yīng)用Matlab中的模糊邏輯工具箱，建立了軸承溫度升高判斷的模型。結(jié)合軸承溫度的變化趨勢及歷史最高溫度等因素，建立了4條邏輯規(guī)則。通過仿真分析，可以得到正確結(jié)果，說明創(chuàng)建的仿真模型正確有效，今后可以在生產(chǎn)實際中嘗試使用，可以減輕生產(chǎn)人員勞動強度。

[1]張誠，陳國慶.水輪發(fā)電機組檢修.北京：中國電力出版社，2012.

[2]全國旋轉(zhuǎn)電機標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會發(fā)電機分技術(shù)委員會.GB/T 7894—2009水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[3]電力行業(yè)水輪發(fā)電機及電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.DL/T 622—2012 立式水輪發(fā)電機彈性金屬塑料推力軸瓦技術(shù)條件.北京：中國電力出版社，2012.

[4]王忠禮，段慧達，高玉峰.Matlab應(yīng)用技術(shù)在電氣工程與自動化專業(yè)中的應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

孔大明（1973—），男，碩士學(xué)位，高級工程師，主要研究方向為水電廠電氣工程。E-mail:651149455@qq.com

Application of Fuzzy Sets to Determine the Increasing Temperature of the Hydroelectric Generation’s Bearing

KONG Daming
（State Grid Xinyuan limited company Fengman hydropower plant，Jinlin 132108，China）

Each bearing of the hydroelectric generation is a very important part. And the bearing temperature is a crucial protection. The previous protection of the raising temperature is to adopt the exceed temperature limited approach to judge，thus lead to the misjudgment in time when it comes to failure. In this paper we analyse the reason of the raising bearing temperature and expounds the process of the loop protection. We try to using the fuzzy sets，combining with the existing methods of judgment about the exceed temperature limited，and joining judge conditions about the trends of the temperature’s changing. We also establishing 3 imputs 1 output logic model and creating 4 logic rules. In the end，we use Matlab to analyse the model，thus can we finally determine the bearing temperature failure in advance.

fuzzy sets；bearing temperature；Matlab