劉明哲，毛振攀，周桐，李錦云，喬加奇

（中國(guó)三峽新能源（集團(tuán)）股份有限公司，北京 101199）

引言

發(fā)電機(jī)是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)作的設(shè)備，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)成零件較多，且部件之間的連接裝置繁瑣，使其故障率升高。發(fā)電機(jī)故障種類較多，在前期沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障，就會(huì)形成惡性事故，危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行，甚至可能影響到鄰近機(jī)組和電網(wǎng)用戶，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在大電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，繞組因損耗會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，必須配備相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)[1]。如果出現(xiàn)繞組散熱量過大、冷卻系統(tǒng)性能過低或者冷卻系統(tǒng)失效等問題，繞組散熱量就會(huì)隨著時(shí)間累積越來越多，使得繞組周圍溫度短時(shí)間內(nèi)迅速上升，對(duì)繞組、定子、絕緣材料等均會(huì)產(chǎn)生較大的破壞，威脅著發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性。近年來，發(fā)電機(jī)的繞組熱故障已經(jīng)成為制約發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素之一[2]。由此可見，設(shè)計(jì)一個(gè)高效、精準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[3]以比例-積分-微分控制為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了局部過熱故障模擬和檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備自動(dòng)測(cè)控局部過熱溫度、實(shí)測(cè)功率和檢測(cè)氣體分解產(chǎn)物的功能，適用于對(duì)純氣體和氣固絕緣系統(tǒng)的局部過熱故障模擬。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用超像素分割法，將紅外圖像分割成多個(gè)不重疊的超像素區(qū)域，利用低秩表示技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱故障診斷，挖掘空間結(jié)構(gòu)和紅外溫度的信息，提高熱故障診斷的準(zhǔn)確性。但是上述方法的繞組散熱異常監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性與精度較差。

因此，設(shè)計(jì)基于LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提升繞組散熱異常監(jiān)測(cè)整體性能。

1 發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)電機(jī)繞組散熱穩(wěn)態(tài)平衡方程構(gòu)造模塊

為了提升發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)[5]的效率與質(zhì)量，構(gòu)造發(fā)電機(jī)繞組散熱穩(wěn)態(tài)平衡方程，分析發(fā)電機(jī)繞組散熱特性。

在發(fā)電機(jī)正常作業(yè)環(huán)境下，繞組由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量的熱量，使得周圍溫度逐漸升高，因此必須配備適當(dāng)?shù)睦鋮s裝置[6]。若是繞組附近溫度過高，不僅會(huì)影響繞組及其周圍零部件性能的正常發(fā)揮，而且會(huì)影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

常規(guī)情況下，采用ANSYS 模擬發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀況下繞組散熱情況，構(gòu)造繞組散熱平衡矩陣方程，表示為：

式中：

Qt—時(shí)刻t 發(fā)電機(jī)線圈所散發(fā)出的熱量，即熱通率的負(fù)載矢量；

[ζt]—繞組在t 時(shí)刻的比熱矩陣；

{T′}—溫度微分矩陣的時(shí)間；

[αt]—繞組在t 時(shí)刻的熱傳導(dǎo)矩陣；

{T}—溫度矩陣。

由于發(fā)電機(jī)是一個(gè)未封閉裝置，繞組附近也會(huì)存在熱量流入與熱量流出現(xiàn)象，因此發(fā)電機(jī)繞組散熱量滿足公式（2）：

式中：

Q1—流入發(fā)電機(jī)繞組的熱量；

Q2—流出發(fā)電機(jī)繞組的熱量。

若是發(fā)電機(jī)繞組散熱滿足公式（2），表明發(fā)電機(jī)繞組處于熱穩(wěn)態(tài)環(huán)境[7]，繞組溫度保持靜態(tài)不變，隨著時(shí)間的變化，繞組溫度不會(huì)發(fā)生明顯的變化。通過上述描述，獲得發(fā)電機(jī)繞組散熱穩(wěn)態(tài)平衡方程，表達(dá)式為：

上述過程完成了發(fā)電機(jī)繞組散熱穩(wěn)態(tài)平衡方程的構(gòu)造，清晰地展示了繞組散熱特性，為后續(xù)研究的進(jìn)行提供支撐。

1.2 發(fā)電機(jī)繞組溫度模型構(gòu)建模塊

以上述構(gòu)造的發(fā)電機(jī)繞組散熱穩(wěn)態(tài)平衡方程為基礎(chǔ)，基于繞組運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)構(gòu)建發(fā)電機(jī)繞組溫度模型，為后續(xù)發(fā)電機(jī)繞組溫度信號(hào)采集與處理提供依據(jù)。

電流通過繞組會(huì)產(chǎn)生一定的銅損[8]，致使繞組溫度逐漸升高，產(chǎn)生巨大的熱量，再由繞組外的絕緣材料傳遞給相鄰部件與周邊環(huán)境[9]。繞組熱量大部分以熱傳導(dǎo)形式[10]傳遞給定子鐵芯，小部分熱量通過對(duì)流散熱形式傳遞給發(fā)電機(jī)間隙區(qū)域。根據(jù)傳熱學(xué)理論，構(gòu)建發(fā)電機(jī)繞組溫度模型，表達(dá)式為：

式中：

Tr—發(fā)電機(jī)定子繞組溫度；

Q3—繞組對(duì)定子鐵芯傳導(dǎo)的熱量；

Rr—熱傳導(dǎo)熱阻；

Tb0—定子鐵芯初始溫度；

ΔTb—定子鐵芯溫度變化值；

Tb—定子鐵芯溫度；

Q4—繞組向發(fā)電機(jī)間隙區(qū)域傳遞的熱量；

βr—繞組散熱率；

Tq—發(fā)電機(jī)間隙溫度；

通過上述表達(dá)式完成了發(fā)電機(jī)繞組溫度模型的構(gòu)建，明確了繞組溫度計(jì)算方法，為后續(xù)繞組溫度信號(hào)采集與處理提供一定的理論依據(jù)。

1.3 發(fā)電機(jī)繞組溫度信號(hào)采集與處理模塊

以上述構(gòu)建的發(fā)電機(jī)繞組溫度模型為依據(jù)，選擇適合的繞組溫度信號(hào)采集設(shè)備，實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)繞組溫度信號(hào)，并進(jìn)行一定的預(yù)處理，為后續(xù)發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)提供信號(hào)依據(jù)。

依據(jù)發(fā)電機(jī)繞組散熱特性，選取拉曼型光纖溫度傳感器作為數(shù)據(jù)采集裝置，能夠?qū)@組溫度場(chǎng)進(jìn)行獲取，具體如圖1 所示。

圖1 繞組溫度場(chǎng)示例圖

為了方便后續(xù)繞組散熱異常的監(jiān)測(cè)，將溫度場(chǎng)信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的發(fā)電機(jī)繞組溫度信號(hào)，但是，其信號(hào)較為微弱，若是信噪比較低，容易被淹沒在噪聲信號(hào)中[11]。由此可見，采集的發(fā)電機(jī)繞組溫度信號(hào)不能直接應(yīng)用，需要進(jìn)行去噪處理。

此研究應(yīng)用線性累加平均方法消除繞組溫度信號(hào)中的噪聲信號(hào)。設(shè)定繞組溫度信號(hào)表示為：

式中：

ft—時(shí)刻t 采集獲得的發(fā)電機(jī)繞組溫度信號(hào)；

st—繞組溫度信號(hào)中的有效信號(hào)；

εt—噪聲信號(hào)，隸屬于高斯白噪聲。

線性累加平均方法需要以時(shí)間間隔δ 對(duì)繞組溫度信號(hào)進(jìn)行采樣，即繞組i 處第k 次采樣結(jié)果表示為：

由于繞組溫度信號(hào)采樣是在同步狀態(tài)下進(jìn)行的，因此可以將tk作為0。將多次采樣繞組溫度信號(hào)進(jìn)行線性累加，獲得繞組i 處溫度信號(hào)為

式中：

m—繞組溫度信號(hào)采樣次數(shù)；

siδ—tk取0 時(shí)的有效溫度信號(hào)；

—噪聲信號(hào)的有效值。

信噪比是體現(xiàn)繞組溫度信號(hào)中噪聲信號(hào)占比的關(guān)鍵指標(biāo)，也是衡量消噪處理效果的有效參數(shù)[12]。經(jīng)過m次線性累加，將多個(gè)輸入信號(hào)相加并取平均值，減小了噪聲對(duì)信號(hào)的影響，而信號(hào)強(qiáng)度保持不變甚至增加，從而提高了信噪比。為了驗(yàn)證線性累加對(duì)于繞組溫度信號(hào)信噪比的影響，計(jì)算經(jīng)過m次線性累加后的繞組溫度信號(hào)信噪比增益。繞組溫度信號(hào)信噪比增益為經(jīng)過m次線性累加后的繞組溫度信號(hào)信噪比與原始繞組溫度的信噪比的比值，數(shù)值的計(jì)算過程如公式（8）所示：

式中：

SINR—繞組溫度信號(hào)信噪比增益數(shù)值；

sm、εm—經(jīng)過m次線性累加后的繞組溫度信號(hào)中的有效信號(hào)和噪聲信號(hào)；

s、ε分別表示原始繞組溫度信號(hào)中的有效信號(hào)。

通過上述過程完成了繞組溫度信號(hào)的采集與去噪，記為Ft，為后續(xù)研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做好充足的準(zhǔn)備。

1.4 發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)模塊

以上述消噪處理后的繞組溫度信號(hào)Ft為基礎(chǔ)，應(yīng)用LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)制定發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)程序，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)繞組散熱異常的檢測(cè)與預(yù)警，防止繞組熱故障的發(fā)生，保障發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行[13]。

LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2 所示，LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入了“門”結(jié)構(gòu)，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)眾多算法中脫穎而出，能夠解決長(zhǎng)序列問題。由于發(fā)電機(jī)持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，得到的繞組溫度信號(hào)屬于長(zhǎng)序列形式，LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更加有利于繞組散熱異常的監(jiān)測(cè)[14]。

基于LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)程序如圖3 所示。

圖3 發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)程序圖

如圖3 所示，遺忘門主要通過使用激活函數(shù)sigmoid對(duì)輸入繞組溫度信號(hào)Ft進(jìn)行處理，遺忘無用信號(hào)。其輸出結(jié)果為：

式中：H

Wf—遺忘門加權(quán)矢量；

Ht-1—時(shí)刻t- 1隱藏層輸出結(jié)果；

Bf—遺忘門偏差矢量。

輸入門[15]主要是對(duì)繞組溫度信號(hào)流入程度進(jìn)行控制，需要根據(jù)實(shí)際繞組溫度信號(hào)體量來設(shè)置。

通過應(yīng)用激活函數(shù)tanH 衡量繞組溫度信號(hào)是否超過閾值，來決定是否加入候選向量，具體規(guī)則如式（10）所示：

式中：

ξ—發(fā)電機(jī)繞組溫度閾值，需要根據(jù)繞組材料、散熱性能等多個(gè)因素進(jìn)行確定。

輸出門在接收到繞組溫度異常信號(hào)時(shí)，提取精確的溫度信號(hào)，并自動(dòng)生成預(yù)警信息，提醒工作人員對(duì)繞組相關(guān)部件進(jìn)行維修。

通過上述過程實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)繞組散熱異常的監(jiān)測(cè)，為工作人員檢修提供便利，也為繞組、發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提方法的有效性，選取文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法作為對(duì)比系統(tǒng)1 與對(duì)比系統(tǒng)2，設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以此來驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取

選取某型號(hào)發(fā)電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并對(duì)繞組溫度信號(hào)采樣點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)配置，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取提供支撐。實(shí)驗(yàn)對(duì)象及其采樣點(diǎn)配置情況如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及其采樣點(diǎn)配置情況示意圖

如圖4 所示，在實(shí)驗(yàn)對(duì)象上設(shè)置了10 個(gè)采樣點(diǎn)，其間隔幾乎一致，可以完整地采集到繞組溫度信號(hào)，為繞組散熱異常監(jiān)測(cè)提供充足的、準(zhǔn)確的信號(hào)支撐。

2.2 發(fā)電機(jī)繞組溫度閾值確定

發(fā)電機(jī)繞組溫度閾值是繞組散熱異常監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵依據(jù)，其數(shù)值大小直接影響著繞組散熱異常監(jiān)測(cè)的精度。繞組溫度閾值過大，會(huì)對(duì)繞組及其絕緣材料產(chǎn)生極大的不利影響；繞組溫度閾值過小，會(huì)增加預(yù)警信息體量，工作量暴漲，不利于發(fā)電機(jī)的正常應(yīng)用。

通過測(cè)試獲得發(fā)電機(jī)繞組溫度閾值ξ與繞組散熱異常監(jiān)測(cè)誤差之間的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 發(fā)電機(jī)繞組溫度閾值與繞組散熱異常監(jiān)測(cè)誤差關(guān)系示意圖

如圖5 數(shù)據(jù)所示，當(dāng)發(fā)電機(jī)繞組溫度閾值ξ取值為70oC 時(shí)，繞組散熱異常監(jiān)測(cè)誤差達(dá)到最小值3 %。因此，確定發(fā)電機(jī)繞組溫度閾值ξ最佳取值為70oC。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和確定的發(fā)電機(jī)繞組溫度閾值為基礎(chǔ)，進(jìn)行發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過繞組溫度信號(hào)信噪比與繞組散熱異常監(jiān)測(cè)結(jié)果分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

通過實(shí)驗(yàn)獲得繞組溫度信號(hào)信噪比數(shù)值如表1 所示。

表1 繞組溫度信號(hào)信噪比數(shù)值表/dB

根據(jù)表1 可知，設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用后，獲得的繞組溫度信號(hào)信噪比數(shù)值均高于兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)，最大值達(dá)到了97.41 dB，表明設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于繞組溫度信號(hào)的處理更好。通過實(shí)驗(yàn)獲得繞組散熱異常監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 繞組散熱異常監(jiān)測(cè)結(jié)果示意圖

根據(jù)圖6 可知，設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用后，獲得的繞組散熱異常監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果保持一致，而對(duì)比系統(tǒng)1與2 獲得的繞組散熱異常監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果存在著較大的偏差，說明設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠更加精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)繞組溫度的變化，判定繞組散熱異常情況，為發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行提供更有效的保障。

3 結(jié)束語

為了提升發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，設(shè)計(jì)基于LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電機(jī)繞組散熱異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信噪比最大值達(dá)到了97.41 dB，且異常監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)一致，能夠提升繞組溫度信號(hào)信噪比，增大繞組散熱異常監(jiān)測(cè)結(jié)果精確性，為發(fā)電機(jī)的后續(xù)發(fā)展與應(yīng)用提供幫助。