船舶电力系统智能化故障诊断及处理研究_王建飞.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言在电力系统的故障诊断和处理中，主要研究的是如何对船舶的状态进行准确、可靠地检测，保证整个工作过程能够顺利完成。随着社会经济水平不断提升，船员对于供电质量要求越来越高。因此，提出了更加严格要求：确保所有发电机组都能安全运行并具有备用容量，在发电机出现故障时可以提供稳定电压和足够大的功率输出等需求；提高系统稳定性与安全性、减少设备损坏，保证电力供应充足可靠。专家故障诊断系统是一种智能化的诊断方法，基本思路是结合专家库对出现的故障问题进行诊断分析，给出一定的解决方案，是目前比较成熟的一种故障诊断方式，也是我国船舶电力系统故障诊断中应用最早的一种诊断方式。其优点比较突出，是基于实际经验进行专家库建设，出现问题时进行专家意见提取，具有较强的实践性和应用性，不过其缺点也比较明显，因为专家的知识和经验有深浅之分，有一些专家经验，系统甚至不能够进行充分的语言识别。当专家库意见超过负载的时候，容易出现“组合爆炸”或者“冲突消解”的现象。不过，专家故障诊断系统仍然是船舶电力故障诊断中应用最广泛的一种形式。根据诊断机理和知识库的不同，可以将诊断系统划分为 5个子系统：即规则化诊断系统、模型化诊断系统、人工神经网络诊断系统、模糊推理诊断系统和实例诊断系统。1 船舶电力系统的故障分类船舶动力系统主要由以下部分组成：1）船用电源装置，把各种能量转换为舰船所需要功率的设备，多指蓄电船舶电力系统智能化故障诊断及处理研究王建飞，陈丽霞（南通象屿海洋装备有限责任公司，江苏 南通 226300）摘 要：随着我国经济的不断发展，船舶运输业得到了迅速地发展。针对实际作业中出现的船舶故障问题不能及时发现并且进行有效解决，本文从船舶供电设备方面分析了目前所面临问题并提出解决方案，针对上述内容总结出相应应对措施，希望能为船员提供参考价值与意义，降低故障发生概率和维修成本，从而提升船东经济效益。关键词：船舶故障；电力系统；故障诊断中图分类号：U665 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.030引用格式 王建飞,陈丽霞.船舶电力系统智能化故障诊断及处理研究 J.船舶物资与市场,2023,31(3):96-98.收稿日期：2022-12-01 作者简介：王建飞（1985-），男，本科，工程师，研究方向为船舶电气控制。池和汽轮机；2）船用供电设备，对电源装置产生的电力网用电负荷进行配置、维护、监测和管理的设备；3）船用电力网，即整个船用电力系统的所承载输电网络的总和；4）其他负载装置，即在船上运营时所需要的电力设备。在舰船运行系统中，船舶动力系统是一种独特快速运转的电力系统，与一般陆上动力系统不同的是，船上动力系统的运行设施冗杂而且工作环境比较恶劣，船舶的速度限制导致了装置数量和线路的集中，装置的相互作用和影响约数较大，问题处理不及时有可能造成二次事故的产生1。所以，船舶电力系统的故障诊断必须迅速且准确。船舶上的电力系统故障诊断与处理是复杂且庞大的过程，智能化的方法需要专家系统、决策分析人员以及其他相关行业人士共同完成。专家方法：对于某个问题有多种可能性时可以采用模糊数学中单目标变换理论进行判断。1）要解决如何将专家们脑中存在发电机、配电设备、电缆、负载等相关信息和知识点用计算机模拟出来，以确定是否出现故障或者发生问题的概率大小；2）通过建立模型来对数据的处理、推理等工作加以实现；3）再根据实际专家经验给出解决方案。它具有将采集到的数据通过计算机处理，转化为能够直接使用语言描述、存储和分析，从而得到与之要求相符的结论或决策信息等功能。船舶电力负荷还要根据状态区分，有航行、进出港、靠港装卸货、停泊、应急等不同状态，不同状态下的电力负荷也不同。1.1 故障诊断电力系统的整体设计针对船舶上的电力系统故障诊断，本文将建立一套第 3 期 97 完整、科学和实用性强的智能化船舶供电服务质量监测体系。该体系以以下先进可靠技术为指导思想：1）由专家对网络中各节点进行评价与分析；2）通过对指标权重系数确定给出了优化方法；3）在满足可靠性要求前提下采用最小二乘法来解决数据融合问题，实现了故障诊断系统的高度集成、快速性和实时性，同时也提高其可扩展能力及抗干扰性能等方面。该系统由专家知识库、故障诊断流程图及状态监控系统等组成。负责船舶航行中的船员不仅要了解发电机的燃料油或者天然气、滑油、冷却水、控制空气、电气回路等各个系路，同时也要掌握该船所在位置，以及在不同水域不同环境下所受到哪些影响。船舶电力系统故障诊断专家系统的设计思路为：1）通过对船用柴油机、发电机等部件进行详细分析，了解其工作过程和特点；并根据这些具体情况，选择合适的诊断方法。同时也要考虑到不同类型故障所产生问题及解决办法，确定了以上研究内容后再制定总体方案。2）建立船舶电联动模型和各部分参数数据库：分别从系统负荷曲线图、转速数据表、频率等方面进行详细介绍分析，并根据船舶的具体情况进行故障诊断试验。3）通过对仿真数据和测试结果分析，得到系统在不同程度上出现问题的情况。针对这些问题提出相关应对措施及方法：建立起电联动模型；加强对发电机组运行状态监测与控制技术等方面研究；提高柴油机、发电机等部件维护质量和可靠性，实现船用各种工况下电力负荷平衡分配的工作。根据船舶运行工况的变化，分析故障发生部位和特征，确定各系统之间不同部件之间相互连接关系。对船舶上重要的电气元件进行检测；利用故障树分析各个断路器技术来预测电网负荷曲线变化趋势，从而判断系统运行状态是否安全可靠。在故障诊断的过程中，1）要对设备进行预检，包括系统状态和压力变化、温度以及湿度等各种参数。2）再根据检测到的信息确定是否有异常。如果发现问题需要采取相应措施，对于故障诊断装置来说其主要功能是能够实现数据采集与传输，对故障信号分析处理后可以通过通信接口将数据传送到电力系统中。3）在进行故障维修时，能够利用上位机显示设备当前状况以及运行状态和相关参数等，为故障问题进行提前预测，提醒船员做好准备，从而降低事故的发生概率。1.2 船舶电力系统故障分类在船舶供电系统中，当供电线路发生短路或者负载过大时，由于某些原因导致了电不能完全从主发电机送到机舱配电板上。这些问题都属于柴油机和柴油发电机组不匹配或柴油发动机无法工作造成的。在船舶电力系统中还存在着许多影响船员安全航行以及人身健康的因素，这些问题在船舶供电系统中严重影响了船员的生活和工作，对船舶电力供应系统故障诊断与处理研究具有十分重要意义2。本文通过分析国内外相关文献资料以及实际案例来介绍柴油机、发电机等关键部件所存在的常见故障并提出相应建议措施。船舶电力系统的主要功能是通过电能来调节整个电网，从而实现对电力能源进行分配。因此，当供电不足或电压波动过大时会导致其供电中断。而在这种情况下需要采用备用发电机和自动控制系统等装置以弥补这一缺陷，船舶术语叫优先脱扣，当配电板负载过大时将与航行无关的一些非重要设备分级脱扣，满足航行要求；同时也要保证用户能够快速恢复正常使用电以及确保用电量充足；此外还应该考虑到船舶的不同的工作状态，比如有航行、进出港、靠港装卸货、停泊、应急等不同的状态，不同状态下的电力负荷也不同，从而对整个电力系统进行合理有效的调整。2 电力专家系统知识库的构建2.1 知识的表示专家知识库主要包含：1）根据发电机、配电设备、电缆、负载等相关信息和知识点建立电联动模型，采用框架结构丰富电力系统结构，以此作为最基本的诊断依据来源；2）根据国内外各个发电机、配电设备、电缆、负载方面厂家遇到的所有故障信息导入知识库，作为重要的补充诊断依据来源。在船舶上，由于柴油机、发电机等部件均存在着一定程度的缺陷，会导致一些问题的出现。例如：当发动机工作时产生大量空气进入到了气缸中，如果不对这些部位进行处理的话，将会导致燃烧室温度过高而引发火灾或者爆炸事故。若是柴油机的高温水或者低温水冷却系统管路中存有水垢或者杂物，柴油机部件会得不到充分的散热和冷却，会产生高温，造成严重后果。船舶电力故障诊断与分类问题的解决办法：1）根据不同方法来研究船舶电网故障类型及原因；2）对不同的情况采取相应措施以提高效率，如改变供电方式、减少负载等。2.2 模糊化规则模糊理论的研究主要是为了解决实际问题，处理故障过程中用到的一些无用信息导致在使用时不能准确判断出具体情况。该方法只能用于模糊性参数难以获取、王建飞，等：船舶电力系统智能化故障诊断及处理研究船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 98 故障数据不精确、诊断难度大等无法确定等问题上。基于特征提取法：根据一定规则将样本集划分成若干个子集并计算其隶属函数；利用这些子集中表示具有类似性质的输入-输出关系式，通过矩阵来进行描述和运算处理，模糊化是一种将语言的非逻辑性和多维性相结合，并通过模拟人脑对事物进行推理，从而实现处理故障问题。当其中一条线发生短路故障时，控制电路和驱动电路都会产生电压，从而导致整条干线出现短路。模糊化的基本思想是根据专家的诊断经验和相关知识，采用语言型规则，在设计中不需要建立精确的数学模型，使复杂问题简单明了、清晰易懂。因此在实际应用中可以根据需要灵活掌握模糊语言规则。3 电力系统的推理机制专家系统中最常见的逻辑推理形式是演绎推理。演绎性推理是指准确逻辑推理，正确推论所使用的已知事实才正确，推导出来的结果才真实、可信。然而对于船舶电力系统来说，已知的数据往往随着外界因素的变化而改变，现象与原因之间的关系含糊、不精确。基于这些不精确的知识推理，并得出结论，称为不精确推理。专家系统中采用的不精确推理方法大多属于数值分析方法，其核心是描述不确定性，并通过传播算法完成推理过程中不确定性的传播。数值方法的基本思路是使用数据来描述对证据和知识的信任程度，以及利用信任度传播计算来产生对结果的信赖程度。目前，最普遍的计算方式有：确定理论方式、主观 BayeS 方式、概率研究方式和 D/S 方式3。3.1 电网模块的推理机制电网模块是指在船舶供电系统中，当出现故障时能够自动地对其进行处理。1）电网的分段开关状态下工作，对于分段的开关状态可以使用 A/D 转换器来完成其功能。2）在故障发生时需要对其进行处理以达到稳定供电效果。当电力系统发生故障时，电网可能会自动启动，并通过对网络进行分析，找出影响整个船舶供电线路的关键因素。3）当电源断开后（即主开关处于断开状态），将该部分电压值与实际情况作比较；若低于当前数值则说明该设备存在问题；如果电源闭合就需要考虑其是否有故障发生，并通过网络分析机制进行诊断和排除故障。3.2 其他模块的推理机制将输入的故障源状态信息与输出结果之间存在某种因果关系，这种逻辑模式可以在系统发生异常时进行恢复。当输入信号强度达到一定值时就会自动检测到该样本是否为正常数据；若低于某一阈值则表示测试对象没有出现错误或者漏检现象，否则就要对其再次采集并重新分析判断再作出处理，直到合格为止。在故障诊断过程中，除了判断结果与原因之间的关系外，还需要进行其他模块推理机制。1）确定并检查所有可能出现的故障。2）对发生过载、电压异常波动或其他原因导致短路等情况时应采用不同方法处理，以便找到问题所在并解决问题；在分析出这些现象后，可使用计算机仿真软件建立相应模型解决所遇到的各种困难。3）根据实际需要确定故障点并进行推理判断。3.3 模糊处理模糊处理通过运用模糊原理，将人类逻辑模糊为逻辑思维，从宏观上实现问题的解决，也可以完成函数的递进功能。船舶电力控制系统中用电装置的特点，其相应接线的电压电流值大小不等，很难用一个给定的阈值来确定其有无出现问题；另外，虽然启发性知识在对输电线路故障的识别中运用较普遍，但风险高，于是日本专家系统地引进了模糊规则，利用从 0 到 1 区间的数据说明了信号的模糊性，将传统集合用非 0 即 1 的关系来说明归属关系，而将模糊理论用 0 到 1 的数据来说明对于集合