孟安波，徐海波

（1.廣東工業(yè)大學(xué),廣東 廣州 510006；2.廣東省現(xiàn)代電力電子工程技術(shù)中心，廣東 東莞 523808）

0 引言

盤車是水輪發(fā)電機組安裝以及大修期間必須進(jìn)行的一道重要軸線修正工序，盤車時間的長短將直接關(guān)系到整個安裝檢修的直線工期控制，盤車質(zhì)量的好壞對機組的運行狀況也有著重要的影響。當(dāng)前絕大多數(shù)水電機組盤車都采用傳統(tǒng)的等角盤車方法，該盤車方法存在布點數(shù)量小、停點不準(zhǔn)確、測量精度差、讀數(shù)主觀性強、盤車耗時長等問題；此外，傳統(tǒng)的盤車數(shù)據(jù)處理方法一般采用手工描圖方式，存在一定的人工誤差。為了提高盤車質(zhì)量與縮短直線工期，研究人員開始對水電機組盤車方式與數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了有效探索與改進(jìn)：一是開始采用自動盤車裝置[1-2]，有效地解決了盤車的動力問題，但仍遇點 （8點或16點）停止讀數(shù)，并沒有實現(xiàn)真正的連續(xù)盤車；二是在盤車數(shù)據(jù)處理方法上，不少研究人員根據(jù)最小二乘擬合法對機組盤車數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計算，克服了傳統(tǒng)盤車數(shù)據(jù)處理方法的主觀誤差，但是其計算過程較為復(fù)雜[3-4]。

針對上述問題，筆者開發(fā)了一套全自動智能盤車系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面在自動盤車裝置的基礎(chǔ)上通過增加傳感系統(tǒng)，解決了任意軸位任意點數(shù)的連續(xù)盤車問題；另一方面，在數(shù)據(jù)處理方法上，依據(jù)擺度曲線的空間圓周分布是一條正弦曲線的理論，擺度正弦波曲線擬合的過程可歸結(jié)為多參數(shù)最優(yōu)化問題，由于遺傳算法對所要求解的問題無連續(xù)性、無可微性等要求，可以以較大的概率收斂到全局最優(yōu)解[5]，為此，本文采用改進(jìn)的遺傳算法提取擺度正弦波曲線的3個參數(shù) （擺度幅值、擺度初相位和擺度直流分量），為任意軸位任意點數(shù)的連續(xù)盤車的數(shù)據(jù)處理提供一個新的思路與方法。

1 擺度正弦曲線求解的遺傳算法模型

1.1 算法流程

結(jié)合牡丹江水電廠智能連續(xù)盤車過程，圖1給出了盤車數(shù)據(jù)處理的遺傳算法流程框圖，圖中參數(shù)p_crossove、 p_mutation、 generations和population分別表示遺傳算法的交叉概率、變異概率、繁殖代數(shù)和種群規(guī)模。

圖1 盤車數(shù)據(jù)處理的遺傳算法流程

1.2 算法分析

1.2.1 初始參數(shù)

初始化參數(shù)主要包括遺傳算法控制參數(shù)：種群規(guī)模、染色體長度、繁殖代數(shù)、交叉概率以及變異概率。

1.2.2 初始種群

擺度曲線理論上應(yīng)該是一個正弦曲線，因此采用正弦擬合是合適的；另外，由于盤車1圈為1個周期，因此振幅、初相位與直流分量是待優(yōu)化的3個決策變量。盡管遺傳算法對它們的初始值沒有限制，為減小遺傳算法的搜索空間，可以根據(jù)上次盤車最大擺度數(shù)據(jù)，初步確定一個基準(zhǔn)點，然后分別向左右兩邊展開，形成遺傳算法的搜索空間。

1.2.3 編碼

本系統(tǒng)采用二進(jìn)制編碼，根據(jù)精度要求，每個參數(shù)可用10位二進(jìn)制位表示，所以，表達(dá)3個參數(shù)擺度振幅A、初相位θ、直流分量D的染色體最終由30位二進(jìn)制位串構(gòu)成。

1.2.4 解碼

解碼時，首先把每條染色體均勻截開，根據(jù)每個參數(shù)的搜索范圍分別進(jìn)行解碼，其解碼公式如下：

式中，p為每個參數(shù)的編碼長度 （本文取p=10）；mini、maxi分別為A、θ、D搜索空間內(nèi)的最小值和最大值；bini是對應(yīng)的二進(jìn)制整數(shù)。

1.2.5 適應(yīng)度函數(shù)的選擇

適應(yīng)度函數(shù)用以評價群體中每個個體的性能，遺傳算法就是根據(jù)適應(yīng)度決定各個個體在下一代中生存的概率。 設(shè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以固定的采樣間隔 ，設(shè)擺度曲線為

選取適當(dāng)幅值、初相位和直流電平參數(shù)使得該正弦波與測量序列對應(yīng)點Y（θi）間的殘差平方和R最小，即

一般而言，適應(yīng)度函數(shù)是由目標(biāo)函數(shù)變換而來的。根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計滿足單值、連續(xù)、非負(fù)和最大化的要求，因此本文將適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計成如下形式

2 試驗仿真研究

本算例以牡丹江鏡泊湖水電廠盤車采樣數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)包括由渦流傳感器測量的水電機組上導(dǎo)、法蘭、水導(dǎo)處的擺度采樣數(shù)據(jù) （鏡板處沒有加裝傳感器）以及由光電傳感器測量的相位數(shù)據(jù)。

遺傳算法參數(shù)如下：繁殖代數(shù)200， 染色體長度24，交叉概率80%，變異概率2%，代溝90%。表1是使用改進(jìn)遺傳算法對上導(dǎo)法蘭水導(dǎo)擺度采樣數(shù)據(jù)正弦擬合優(yōu)化結(jié)果。

根據(jù)表1，便可以很容易得到法蘭與水導(dǎo)處的凈擺度曲線，如圖2所示。

表1 遺傳算法對上導(dǎo)法蘭水導(dǎo)擺度采樣數(shù)據(jù)正弦擬合優(yōu)化結(jié)果

圖2 法蘭靜擺度曲線和水導(dǎo)靜擺度曲線

由圖2可以得出：法蘭處最大擺度121 μm；方位26.4°；水導(dǎo)處最大擺度238 μm；方位43.4°。所得的結(jié)果應(yīng)用在實際軸線校正時效果良好，從而驗證了本文所提出算法的可行性與合理性。

3 結(jié)論

從擺度采樣序列中提取正弦信號參數(shù)是信號處理中一類重要的估計問題，其目的是用被噪聲所污染的數(shù)據(jù)來估計正弦信號。本文提出的基于遺傳算法的正弦波3參數(shù)擬合法，不僅實現(xiàn)了連續(xù)采樣數(shù)據(jù)的正弦擬合，突破了傳統(tǒng)等角8點盤車的局限，提高了精度；同時相對FFT法，基于遺傳算法的正弦曲線擬和求解具有可以實現(xiàn)全局收斂和高精度的優(yōu)點。

［1］ 茍小軍，張建偉，馮鐵成.自動盤車裝置在劉家峽水電廠的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)， 2008， 26（1）:160-163.

［2］ 張建生 李明安.自動盤車裝置在小浪底水力發(fā)電廠的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2002，12:38-40.

［3］ 史恩澤，齊經(jīng)緯.太平灣電廠多點任意角盤車軟件開發(fā)及功能介紹［J］.水電站機電技術(shù)， 2009， 32（5）:22-24.

［4］ 李軍.龍灘水電站5號機組盤車與水導(dǎo)擺度處理［J］.水電站機電技術(shù)， 2009， 32（4）:47-49.

［5］ Wang Q J．Using genetic algorithms to optimize model parameters,［J］.Environmental Modeling and Software,1997， 12（1）:27-34．