基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水輪機(jī)軸承溫度輸出特性模型研究

楊海燕，韓國松

(河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038)

在水輪機(jī)運行過程中，軸承溫度過高將導(dǎo)致發(fā)生“抬機(jī)”現(xiàn)象或“燒瓦”事故，危及水力機(jī)組的安全穩(wěn)定[1]。如果能比較準(zhǔn)確地掌握水輪機(jī)軸承溫度輸出規(guī)律, 將對水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運行有著重大意義[2]。本文在實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以上下游水位差、導(dǎo)葉開度、漿葉角度作為輸入樣本，推力軸承作為輸出樣本，建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，取得了滿意的結(jié)果。

1 水電站的基本情況

廣西宜州三岔水電站距離宜州市68 km，三岔鎮(zhèn)龍江下游1 km，是龍江干流梯級開發(fā)的第十一個梯級水電站。該電站有3臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量7 MW，額定水頭5 m，最大引流量480 m3/s，設(shè)計為無人值班，少人值守的方式。2006年11月，該水電站開始施工，到2008年11月，3臺機(jī)組全部投入運行。

水電站配備有SJK-8000綜合自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個水電站的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的管理，可以準(zhǔn)確、實時、有效地完成對電站被控對象的安全監(jiān)控。具有數(shù)據(jù)庫管理，AGC、AVC計算和處理，定值修改、語音報警、事故故障信號的分析處理，各圖表、曲線的生成，在線及離線計算功能等，其數(shù)據(jù)采集功能，可以很方便的得到水力發(fā)電過程的各種相關(guān)數(shù)據(jù)。見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)庫維護(hù)系統(tǒng)的一個界面

2 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡介

BP網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最為重要的網(wǎng)絡(luò)之一，也是迄今為止，應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)算法[3-5]。實踐證明，這種基于誤差反傳遞算法的BP網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的映射能力，可以解決許多實際問題，其模型結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)網(wǎng)絡(luò)具有m層，令ymj表示第m層中第j個結(jié)點的輸出 ，而y0j就等于xj，即第j個輸入。令Wmij表示從ym-1i到y(tǒng)mj的連接加權(quán)，θmj表示第m層第j結(jié)點的閾值。BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練步驟如下：

1) 將各權(quán)值和閾值賦予[-1，1]間的隨機(jī)數(shù)。

2) 從訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中選一數(shù)據(jù)對(XK，TK)，將輸入變量加到輸入層(m=0)，使得

y0j=xKi(對所有i點)

式中：k為訓(xùn)練圖形號。

3) 信號通過網(wǎng)絡(luò)向前傳播，利用以下關(guān)系式，即

(1)

計算從第一層開始的各層內(nèi)每個結(jié)點j的輸出y，直至全部完畢。其中F(S)取Sigmoid函數(shù)。

4) 計算輸出層每個結(jié)點的誤差值，即

δmj=ymj(1-ymj)(Tmj-ymj)

(2)

這個誤差由實際輸出值和目標(biāo)要求值之差獲得。

5) 計算前面各層每個結(jié)點的誤差值 ，即

(3)

利用逐層反傳誤差算得(m=m，m-1，…，1)。

6) 反向逐層修正權(quán)值和閾值 ，分別為

Wmij(t+1)=Wmij(t)+ηδmjym-1i+

α[Wmij(t)-Wmij(t-1)]

(4)

θmj(t+1)=θmj(t)+ηδmj+α[θmj(t)-

θmj(t-1)]

(5)

式中：t為迭代次數(shù)；η為學(xué)習(xí)速率，η∈(0，1) ；α為動量因子，α∈(0，1)。

7) 返回到步驟2)，轉(zhuǎn)入到下一個圖形，重復(fù)步驟2)-步驟7)，直至網(wǎng)絡(luò)全局誤差達(dá)到預(yù)設(shè)的精度或達(dá)到最大訓(xùn)練次數(shù)為止。

(6)

3 水輪機(jī)軸承溫度輸出特性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

本文根據(jù)廣西宜州三岔水電站的2#水輪發(fā)電機(jī)組一年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到的水輪機(jī)軸承溫度等的有關(guān)數(shù)據(jù)，隨機(jī)抽取200多組數(shù)據(jù)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)樣本，表1中為部分樣本數(shù)據(jù)。

表1 2號水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算值

因為引水管路的水力損失不易計算，所以用水電站上下游水位差，也就是水電站的毛水頭用作反映水力發(fā)電系統(tǒng)運行工況的一個參數(shù)，用導(dǎo)水機(jī)構(gòu)活動導(dǎo)葉開度反映水輪機(jī)的過流量，所以導(dǎo)葉開度是水力發(fā)電系統(tǒng)運行工況的另一個參數(shù)，另外還得考慮水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪槳葉的角度對水輪機(jī)運行特性的影響。因此，建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入選取3個神經(jīng)元分別為表1監(jiān)測數(shù)據(jù)中的上下游水位差、導(dǎo)葉開度、漿葉角度，選取1個輸出神經(jīng)元為表1監(jiān)測數(shù)據(jù)中的正推3。隱層結(jié)點選為5個，計算程序用Matlab編制[6]。

經(jīng)過數(shù)萬次學(xué)習(xí)以后，網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的能量函數(shù)趨于穩(wěn)定，學(xué)習(xí)結(jié)束，將訓(xùn)練結(jié)果也列在表1中，并求出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)向量W，確定人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

輸出的權(quán)值和閾值分別為：

b2=[-1.918 9]

在此基礎(chǔ)上，還計算出平均相對誤差為1.82%。因為此模型具有較高的計算精度，已經(jīng)將該人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用到該水電站水力發(fā)電機(jī)組優(yōu)化運行系統(tǒng)的開發(fā)中。

4 結(jié) 語

本文在廣西宜州三岔水電站監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了水輪機(jī)軸承溫度輸出特性人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。研究結(jié)果表明，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立水輪機(jī)軸承溫度輸出特性的模型是可行的，有利用于指導(dǎo)水電站中水力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化運行。