冉 力，廖開強，陳艷軍，張曉勇

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.國核電力規(guī)劃設計研究院，北京 100094）

0 引言

汽輪機潤滑油系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機組的重要功能系統(tǒng)，其主要是為汽輪機和發(fā)電機軸承提供潤滑用油及冷卻用油。潤滑油壓低故障報警信號是電廠監(jiān)控的重要故障信號之一，該故障將直接導致汽輪機停機或影響電廠機組的安全運行。以660MW火力發(fā)電廠汽輪機潤滑油系統(tǒng)為研究對象，針對汽輪機潤滑油壓低故障，進行故障建模及診斷分析研究。

Petri網(wǎng)（Petri net，PN）的概念最初是由聯(lián)邦德國的Carl A dam Petri于1962年首次在他的博士論文 《自動機通信》中提出。后經(jīng)過Peterson和Hack等人的不斷研究，發(fā)展成為一種可并發(fā)的狀態(tài)變遷模型，已經(jīng)在許多領域展開了廣泛的研究，并在20世紀80年代后期得到了大量的應用［1］。模糊Petri網(wǎng)（FPN）作為Petri網(wǎng)的一個重要分支，也越來越多地得到了人們的關注。模糊Petri網(wǎng)由于更符合人類的思維和認知方式，在描述和分析許多物理系統(tǒng)乃至社會系統(tǒng)的并行和并發(fā)行為時具有廣泛的意義，特別是應用在人類知識的表示和人工智能中非常合適由于模糊網(wǎng)對知識表示和推理的獨特優(yōu)點［2］。

由于故障的產(chǎn)生和傳播是一個典型的動態(tài)行為過程，基于Petri網(wǎng)的故障診斷方法可將知識表示和診斷推理融為一體，完成描述性知識和過程性的診斷推理。利用模糊Petri網(wǎng)理論，針對汽輪機潤滑油壓低故障，建立汽輪機潤滑油系統(tǒng)模糊Petri網(wǎng)故障模型。經(jīng)過對模型的推理計算，得到了汽輪機潤滑油壓低故障產(chǎn)生的各個原因概率。通過與電廠潤滑油系統(tǒng)故障原因的實際對比，驗證了模型的正確性和有效性，為電廠運行人員的故障分析處理起到了一定的指導，并為電廠系統(tǒng)的故障診斷提供了一種新的方法。

1 汽輪機潤滑油系統(tǒng)

以某火力發(fā)電廠660MW機組汽輪機潤滑油系統(tǒng)為研究對象，針對“汽輪機潤滑油壓低”故障進行建模和分析。

由于汽輪機潤滑油系統(tǒng)中注油器和主油泵只在汽輪機達到額定轉速后投入，其本身故障概率極低，且故障后會有輔助油泵聯(lián)鎖啟動以滿足軸承潤滑油壓力，不會導致“汽輪機潤滑油壓低”故障，故本文模型中將簡化掉注油器和主油泵。汽輪機潤滑油系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 汽輪機潤滑油系統(tǒng)模型

該系統(tǒng)中，主油箱中的油經(jīng)潤滑油泵到達冷油器，經(jīng)冷油器冷卻后進入過濾器，然后到達軸承供油總管。各潤滑油泵之間存在如下聯(lián)鎖關系：當交流潤滑油泵A故障，將自動啟動交流潤滑油泵B；當交流潤滑油泵均故障，潤滑油壓力下降到一定值（未達到低報警值）時，自動啟動危急直流潤滑油泵。

2 模糊Petri網(wǎng)理論

模糊Petri網(wǎng)（FPN）是在 Petri網(wǎng)基礎上發(fā)展而成的，同樣是由庫所、變遷、用于連接庫所和變遷的有向弧及初始標識所構成的［3］。庫所是靜態(tài)的，其用于記錄構成系統(tǒng)的個體及系統(tǒng)本身的狀態(tài)。變遷的作用則是使系統(tǒng)中狀態(tài)改變的規(guī)則動態(tài)化。模糊Petri網(wǎng)相比普通Petri網(wǎng)是在變遷的產(chǎn)生中加入了模糊規(guī)則。

2.1 模糊petri網(wǎng)的定義

模糊 petri網(wǎng)（FPN）可定義為一個六元組［4］：（P，R，I，O，λ，C）。

其中，P＝｛P1，P2，…，Pn｝是模糊庫所節(jié)點的有限集合，表示模糊命題。

R＝｛R1，R2，…，Rm｝是模糊變遷節(jié)點的有限集合，表示規(guī)則的實現(xiàn)。

I：P×R→｛0，1｝，是命題到規(guī)則的 n×m 的有向弧矩陣。

O：P×R→｛0，1｝，是規(guī)則到命題的 n×m 的有向弧矩陣。

λ 表示命題為真的矩陣 λ＝（λ1，λ2，…，λn）T，λi∈［0，1］，命題初始值由 λ0表示。

C＝diag｛C1，C2，…，Cm）｝，C 為置信度矩陣。

2.2 模糊產(chǎn)生式規(guī)則

模糊產(chǎn)生式規(guī)則（fuzzy production rules）通常是描述2個模糊命題之間關系的規(guī)則。令R為模糊產(chǎn)生式規(guī)則的集合，R＝｛R1，R2，…，Rm｝，置信度（confidence）是根據(jù)經(jīng)驗或?qū)＜覕?shù)據(jù)庫對一個事物或現(xiàn)象為真的相信程度，基于置信度Ci的第i條模糊產(chǎn)生式規(guī)則Ri可用如下的形式來描述［5］：

式中：Ci為置信度，Ci∈［0，1］，它表示規(guī)則真實度的強度；Pj和Pk為包含模糊變量命題。

2.3 含模糊規(guī)則的petri網(wǎng)表示

Petri網(wǎng)的庫所中可以包含令牌（token，用一小黑點表示），表示與該庫所相連的條件是否成立。庫所和所含的令牌構成系統(tǒng)的一個標識。如果一個變遷的所有指向它的庫所都至少含有一個令牌，那么該變遷是可以發(fā)生的。如果變遷是可以發(fā)生的，并且使它發(fā)生的外部邏輯條件也得到了滿足，則稱這個變遷是可發(fā)射的。變遷發(fā)射后，從這個變遷的各輸入位置中取出一個令牌，并在這個變遷的各輸出庫所中放入一個令牌，系統(tǒng)進入一個新的標識狀態(tài)。模糊Petri網(wǎng)在變遷上增加了規(guī)則的置信度，圖2表示了幾種基本模糊Petri網(wǎng)（FPN）的結構［6］：

圖2 幾種基本的FPN表示結構

3 潤滑油系統(tǒng)模糊petri網(wǎng)故障建模和分析

3.1 模糊 petri網(wǎng)故障模型

模糊Petri網(wǎng)故障模型的建模方法與故障樹分析法相似。通過分析故障模型的頂事件，給出故障判據(jù)，分別找出事件發(fā)生的直接原因，并確定原因之間的邏輯關系；依此推理，直到找出導致系統(tǒng)故障的最底層故障［7］。

潤滑油系統(tǒng)正常運行壓力范圍為0.096～0.124MPa，當軸承總管壓力低于0.06MPa時，產(chǎn)生“汽輪機潤滑油壓低”故障報警信號。對于一個特定的系統(tǒng)，其系統(tǒng)故障的產(chǎn)生可由底層故障和過程故障導致。 過程故障是由底層故障的產(chǎn)生所引起。潤滑油系統(tǒng)中系統(tǒng)故障P0為 “汽輪機潤滑油壓低”，導致系統(tǒng)故障 P0的底層故障［8］，及其在壽命周期內(nèi)的發(fā)生概率如表1所示。

表1 底層故障及其概率

其中由這些底層故障產(chǎn)生的過程故障狀態(tài)有：

P21：供油泵故障

P22：供油嚴重泄露

P23：潤滑油溫低、黏度高

P24：供油系統(tǒng)阻力大

根據(jù)模糊Petri網(wǎng)的建模原則，分析底層故障、過程故障及系統(tǒng)故障之間的模糊產(chǎn)生式如下：

規(guī)則 R1：if P1 and P2 and P3 then P21

規(guī)則 R2：if P4 or P5 or P6 then P22

規(guī)則 R3：if P7 or P8 then P23

規(guī)則 R4：if P9 or P10 or P11 then P24

規(guī)則 R5：if P12 or P13 or P21 or P22 or P23 or P24 then P0

其中規(guī)則 R1 R3 R4 R5 為復合規(guī)則［9］，分別包含了故障產(chǎn)生的多條規(guī)則信息。

底層故障P12～P13、過程故障與系統(tǒng)故障之間的規(guī)則置信度為：

底層故障P1～P11與過程故障之間的規(guī)則置信度為：

將以上故障庫所、故障產(chǎn)生式規(guī)則以及規(guī)則置信度按相應關系對應，并根據(jù)模糊petri網(wǎng)的建模原則，建立潤滑油系統(tǒng)模糊故障petri網(wǎng)模型，如圖3所示。

圖3 模糊petri網(wǎng)故障模型

3.2 故障分析

根據(jù)模糊Petri網(wǎng)的定義，F(xiàn)PN推理算法如下［10］：

算法推理過程如下①：K=0②根據(jù)式 （2），由λk求 λk+1； ③ 若 λk≠λk+1，令 K=K+1，重復步驟②，若 λk=λk+1，推理結束。

初始狀態(tài)為：

λ0＝（0.003，0.003，0.002，0.000 5，0.000 8，0.6，0.003，0.003，0.026，0.01，0.008，0.015，0.01，0）

C1（1，0.94，0.62，0.85，1，0.73）

C2（1，1，0.98，0.87，0.25，0.12，0.95，0.9，0.3）

代入公式（2），由推理算法計算得：

λ0＝（0.003，0.003，0.002，0.000 47，0.000 7，0.049，0.000 5，0.000 25，0.021，0.008，0.002，0.015，0.007 3）T

λ3＝λ2推理結束。

對以上結果進行歸一化處理，得到各導致汽輪機潤滑油壓低故障的原因的發(fā)生概率分別為：

λ＝（0.027，0.027，0.018，0.004，0.006，0.44，0.004，0.002，0.185，0.07，0.018，0.135，0.064）T

由以上結果可知，汽輪機潤滑油壓低故障產(chǎn)生的最主要原因為系統(tǒng)焊口斷裂（P6），其次是潤滑油過濾器阻塞（P9）及系統(tǒng)壓力開關故障（P12）。

通過對多個電廠汽輪機潤滑油系統(tǒng) “油壓低故障”原因的調(diào)研，得知產(chǎn)生該故障的最主要原因均為系統(tǒng)焊口間存在斷裂或破口。實際調(diào)研結果與模糊petri網(wǎng)故障模型計算結果一致，證明了該方法的正確性和有效性。

4 結論

針對汽輪機潤滑油系統(tǒng)潤滑油壓低故障，利用模糊petri網(wǎng)，建立了汽輪機潤滑油系統(tǒng)的故障petri網(wǎng)模型。經(jīng)過對模型的推理計算，得到了汽輪機潤滑油壓低故障產(chǎn)生的各個原因概率。通過與電廠潤滑油系統(tǒng)故障原因的實際對比，證明了推理結果的正確性和有效性，為電廠運行人員的故障分析處理起到了一定的指導，并為電廠系統(tǒng)的故障診斷提供了一個新的思路。