潘偉峰，馬程程，朱傳古

（南瑞集團公司/國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇省南京市 210003）

水電廠主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)的設計與開發(fā)

潘偉峰，馬程程，朱傳古

（南瑞集團公司/國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇省南京市 210003）

本文首先介紹了水電廠主設備狀態(tài)檢修技術體系，闡述了水電廠主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)組成，提出了其系統(tǒng)結構、業(yè)務流程、軟件業(yè)務框架及軟件功能模塊實現(xiàn)，并以此為基礎重點探討了水電廠主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)所涉及的關鍵技術，為水電廠發(fā)變電主設備狀態(tài)檢修決策評估相關技術系統(tǒng)的設計開發(fā)及應用工作的開展提供了較為完整的技術實現(xiàn)思路。

全壽命周期管理；狀態(tài)檢修；決策支持系統(tǒng)；IEC 61850/ IEC 61970；狀態(tài)評價

0 引言

作為現(xiàn)代水電運維企業(yè)設備全壽命周期管理[1]制度實施的具體化要求及設備檢修管理技術創(chuàng)新的發(fā)展方向，水電廠主設備狀態(tài)檢修決策評估技術[2]是隨著現(xiàn)代化的計算機技術、網(wǎng)絡通信技術、人工智能技術及信息融合技術的飛速進步而發(fā)展起來的一門新興學科，通過獲取來自于機組在線監(jiān)測系統(tǒng)、計算監(jiān)控系統(tǒng)及生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的發(fā)電機、水輪機等設備臺賬數(shù)據(jù)、實時/歷史數(shù)據(jù)等反映機組健康狀態(tài)的特征參數(shù)，實現(xiàn)狀態(tài)信息的采集、特征計算、實時監(jiān)測、故障錄波、性能試驗記錄及技術診斷，構筑機組狀態(tài)主題數(shù)據(jù)中心，實施機組全壽命周期管理，充分運用統(tǒng)一設備建模、歷史趨勢數(shù)據(jù)挖掘、分析診斷專家系統(tǒng)、可靠性檢修策略等高級應用算法及模型實現(xiàn)狀態(tài)評估、故障診斷及檢修決策，從而提高設備狀態(tài)監(jiān)測管理的效率和效益，提高運行安全性及可靠性，提升電廠設備檢修管理及綜合生產(chǎn)管理集約化水平，減少設備非計劃停運檢修頻次，避免突發(fā)事故發(fā)生及防止設備出現(xiàn)過修、失修，為水電設備定修向狀態(tài)檢修過渡提供技術保證。

1 水電廠主設備狀態(tài)檢修技術體系

水電廠主設備狀態(tài)檢修[3]是一門涵蓋技術、管理等多專業(yè)多學科領域知識的設備檢修模式，本文僅重點探討其技術組成，不涉及其管理體系內(nèi)容。以某智能化水電廠為例，基于一體化管控平臺[4]的水電廠狀態(tài)檢修技術組成包括：處于水電廠安全I區(qū)[4]的機組振擺保護系統(tǒng)、處于安全Ⅱ區(qū)的機組、變壓器、斷路器等主設備狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)，處于安全Ⅲ區(qū)的狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)，以及作為全廠狀態(tài)檢修重要數(shù)據(jù)來源之一的處于安全I區(qū)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)、進行設備檢修計劃及人員物資管理的處于安全Ⅲ區(qū)生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)。可以說，水電廠一體化管控平臺I、Ⅱ、Ⅲ區(qū)的數(shù)據(jù)中心及其數(shù)據(jù)傳輸總線為整個水電廠化狀態(tài)檢修各子系統(tǒng)的功能實現(xiàn)搭建了完整的高速數(shù)據(jù)公路及海量數(shù)據(jù)應用倉庫，系統(tǒng)上下層之間采用水電廠智能化IEC 61850[5]標準數(shù)據(jù)通信接口。其系統(tǒng)技術組成如圖1所示。

圖1 基于一體化管控平臺的水電廠狀態(tài)檢修技術組成Fig.1 Technology Composition of Condition Based Maintenance in Integrated Management and Control Platform of Hydropower Plant

2 水電廠主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)結構

對于獨立設備的水電廠主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)服務器、應用服務器、接口服務器、維護工作站、中心交換機和網(wǎng)絡安全裝置等硬件設備組成，布置在安全Ⅲ區(qū)（生產(chǎn)管理區(qū)）。對于基于智能化水電廠一體化管控平臺高級應用組件的布置方式，系統(tǒng)的硬件設備可以與一體化管控平臺Ⅲ區(qū)的硬件進行合并統(tǒng)一。

系統(tǒng)網(wǎng)絡結構應滿足電監(jiān)安全管理規(guī)定規(guī)范要求，可采用星形網(wǎng)絡（共享式以太網(wǎng)或交換式以太網(wǎng)）或以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡結構（邏輯總線結構），其典型系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2 水電廠主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)典型網(wǎng)絡結構Fig.2 Typical Network Structure of Condition Based Maintenance Decision Support System for Primary Equipments in Hydropower Plants

2.2 系統(tǒng)業(yè)務流程

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取、分析、處理和決策管理的業(yè)務流程如圖3所示。

圖3 水電廠主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)軟件業(yè)務流程Fig.3 Typical Software Operation Flow of Condition Based Maintenance Decision Support System for Primary Equipments in Hydropower Plants

2.3 系統(tǒng)軟件業(yè)務框架

水電機組狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)軟件業(yè)務功能框圖如圖4所示。

一個完整的水電機組狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)功能模塊應包括：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測預警、狀態(tài)分析、狀態(tài)診斷、狀態(tài)評價、狀態(tài)預測、風險評估及決策建議。

圖4 狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)軟件業(yè)務框圖Fig.4 Software Functional Block Diagram of Condition Based Maintenance Decision Support System

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)服務總線技術實現(xiàn)對外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)的訪問調用，并完成與監(jiān)控系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等其他外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)從生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)獲取水電機組設備資產(chǎn)的基礎數(shù)據(jù)、運行巡視、檢試、缺陷、故障等數(shù)據(jù)，同時向生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)提供機組狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)視預警信號、狀態(tài)評價結果、故障診斷結論及維修決策建議等信息；生成的狀態(tài)分析診斷報告可以作為機組健康檔案管理的一部分自動被生產(chǎn)管理系統(tǒng)等外部信息系統(tǒng)查閱調用，從而實現(xiàn)狀態(tài)檢修決策評估相關信息的有效互通互聯(lián)。

3 水電廠主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)功能

3.1 數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)獲取模塊為系統(tǒng)的輸入和外部接口模塊。依據(jù)狀態(tài)評價導則和設備相關規(guī)程，通過相關接口設計與配置，本模塊的主要任務是通過通信數(shù)據(jù)服務總線有效獲取生產(chǎn)管理系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)地在線監(jiān)測系統(tǒng)（裝置）中反映設備健康狀態(tài)指標的各類基礎數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、人工檢查數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)，為進一步的數(shù)據(jù)處理與判斷提供完整的信息資源。

數(shù)據(jù)處理模塊是對數(shù)據(jù)獲取層獲得的分析對象原始數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測、分析診斷等業(yè)務需要進行必要的過濾、換算、組合等數(shù)據(jù)加工和處理過程，使其成為反映設備健康狀況的狀態(tài)量數(shù)據(jù)，以供監(jiān)測預警和狀態(tài)評價使用。某電站典型系統(tǒng)狀態(tài)量數(shù)據(jù)獲取及處理展示界面見圖5。

圖5 某電站典型系統(tǒng)狀態(tài)量數(shù)據(jù)獲取及處理展示界面Fig.5 Typical State Variable Acquisition and Processing Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.2 監(jiān)測預警

監(jiān)測預警模塊實時監(jiān)控狀態(tài)量指標變化，對于超出狀態(tài)評價導則和設備相關規(guī)程規(guī)定閾值范圍的劣化指標，根據(jù)不同的類別和等級及時向外部系統(tǒng)傳輸告警和預警信息，同時啟動設備狀態(tài)診斷模塊，輔助分析故障位置和原因。該功能模塊需和前端在線監(jiān)測設備監(jiān)測預警軟件功能進行協(xié)調管理，實現(xiàn)功能的同一化，同時需確定設備的相關故障診斷導則。某電站典型系統(tǒng)監(jiān)測預警功能參考界面見圖6。

圖6 某電站典型系統(tǒng)監(jiān)測預警功能參考界面Fig.6 Typical Monitoring and Early Warning Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.3 狀態(tài)分析

狀態(tài)分析模塊是對監(jiān)測預警模塊判斷后，可采用狀態(tài)分析方法分析設備當前運行狀態(tài)，為隨時掌握設備健康狀況提供參考。某電站典型系統(tǒng)相關分析功能參考界面見圖7。

圖7 某電站典型系統(tǒng)相關分析功能參考界面Fig7.Typical Correlation Analysis Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.4 狀態(tài)診斷

狀態(tài)診斷模塊是對監(jiān)測預警模塊發(fā)出預警信息或狀態(tài)評價結果表明健康狀態(tài)明顯下降（可靠性下降狀態(tài)、缺陷狀態(tài)、危急狀態(tài)）的設備，采用狀態(tài)診斷方法診斷設備可能存在的故障原因和故障部位，為故障處理或狀態(tài)恢復提供參考。某電站典型系統(tǒng)故障診斷功能參考界面見圖8。

圖8 某電站典型系統(tǒng)故障診斷功能參考界面Fig.8 Typical Fault Diagnosis Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.5 狀態(tài)評價

狀態(tài)評價模塊依據(jù)發(fā)變電設備狀態(tài)特征量和狀態(tài)評價相關導則標準，對反映設備健康狀態(tài)的各指標項數(shù)據(jù)進行分析評價，并最終得出設備總體健康狀態(tài)等級。某電站典型系統(tǒng)狀態(tài)評價結果查詢參考界面見圖9。

圖9 某電站典型系統(tǒng)狀態(tài)評價結果查詢參考界面Fig.9 Typical State Evaluation Results Querying Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.6 狀態(tài)預測

狀態(tài)預測模塊利用設備當前和歷史狀態(tài)指標數(shù)據(jù)，采用時間序列算法對各類連續(xù)數(shù)據(jù)進行趨勢預測，預測和評價設備今后某一時期健康狀態(tài)發(fā)展趨勢，并得出將來狀態(tài)的評價結果。某電站典型系統(tǒng)狀態(tài)預測結果查詢參考界面見圖10。

圖10 某電站典型系統(tǒng)狀態(tài)預測結果查詢參考界面Fig.10 Typical State Prediction Results Querying Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.7 風險評估

風險評估模塊依據(jù)狀態(tài)評價導則和設備相關規(guī)程標準，通過識別設備潛在的內(nèi)部缺陷和外部威脅，分析設備遭到失效威脅后的資產(chǎn)損失程度和威脅發(fā)生概率，通過風險評估模型得出設備的風險等級。某電站典型系統(tǒng)風險評估功能參考界面見圖11。

圖11 某電站典型系統(tǒng)風險評估功能參考界面Fig.11 Typical Risk Assessment Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.8 決策建議

決策建議模塊以設備狀態(tài)評價結果為基礎，綜合考慮風險評估結論，建立設備狀態(tài)和設備失效風險度二維關系模型，綜合優(yōu)化水電機組檢修次序、檢修時間和檢修等級安排。并依據(jù)狀態(tài)檢修導則確立的分級維修標準，確定具體的檢修項目和檢修時間，最終將建議結果遞交設備管理人員或傳送到相關的外部生產(chǎn)管理系統(tǒng)實施安排。某電站典型系統(tǒng)決策建議報告查詢功能參考界面見圖12。

圖12 某電站典型系統(tǒng)決策建議報告查詢功能參考界面Fig.12 Typical Decision Suggesting Report Querying Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.9 其他功能

具有對系統(tǒng)搜集到的相關試驗數(shù)據(jù)進行分類管理的能力，具有高級功能的接口和處理能力，具有（第三方）二次數(shù)據(jù)挖掘等功能。某電站典型系統(tǒng)發(fā)電機試驗數(shù)據(jù)查詢及錄入功能參考界面見圖13。

4 系統(tǒng)關鍵技術

（1）水電機組狀態(tài)檢修評價體系建模技術。

系統(tǒng)需構建面向對象的設備狀態(tài)檢修建模體系，包括合理構建及劃分適用于水電廠的設備類型、設備部件、設備編碼、表征設備健康狀態(tài)的參數(shù)及其評價體系，設備模型可靈活配置，設備庫可積累和復用，設備參數(shù)、業(yè)務類型可靈活擴展，便于業(yè)務邏輯組態(tài)及用戶級二次開發(fā)。

圖13 某電站典型系統(tǒng)發(fā)電機試驗數(shù)據(jù)查詢及錄入功能參考界面Fig.13 Typical Generator Experimental Data Querying and Inputting Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

（2）智能化變電站/水電廠自動化設備/系統(tǒng)標準數(shù)據(jù)通信技術。

系統(tǒng)應全面兼容智能化變電站自動化設備/系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信標準協(xié)議及數(shù)據(jù)訪問接口，采用IEC 61850標準MMS協(xié)議實現(xiàn)與機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，采用IEC 61970標準的WebService協(xié)議實現(xiàn)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)及計算機監(jiān)控系統(tǒng)等其他第三方外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互。

（3）水電機組故障診斷及專家輔助決策技術。

系統(tǒng)應研究基于專家系統(tǒng)、故障樹、案例診斷的水電機組故障診斷算法，基于D-S證據(jù)理論（Dempster/Shafer證據(jù)理論）的多元信息融合技術，融合專家系統(tǒng)法、故障樹法、基于案例診斷法三種診斷結果，形成最終診斷結論。

（4）水電設備狀態(tài)評價依據(jù)及狀態(tài)檢修策略研究。

深入研究水電機組狀態(tài)檢修策略、狀態(tài)檢修導則及相關標準體系，充分調研國內(nèi)外在發(fā)電設備診斷、檢修管理方面具有豐富經(jīng)驗的研究機構、企業(yè)等，吸收世界上先進的設備故障診斷和檢修管理思想、方法和技術；研究水電機組狀態(tài)檢修的標度，確定水電機組狀態(tài)評價的依據(jù)，建立水電設備狀態(tài)好壞的標準，并建立設備狀況標準庫。

（5）基于可靠性的設備狀態(tài)評估及設備全壽命周期資產(chǎn)管理技術。

系統(tǒng)應按照基于設備可靠性及故障后果評價分析的可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance，簡稱RCM）[6]模式來制訂設備維修策略，按照資產(chǎn)全壽命周期管理設備建模標準構筑以水輪發(fā)電機為主的水電站主設備臺賬模型、試驗數(shù)據(jù)模型、缺陷信息模型、狀態(tài)數(shù)據(jù)模型、存儲訪問及調用處理接口規(guī)范，參考主設備生產(chǎn)廠家對其設計壽命、有效運行壽命、最大允許壽命的規(guī)定及其實際使用壽命的樣本統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基于全壽命周期管理設計思想的水電站主設備狀態(tài)檢修輔助決策。

5 結束語

作為水電廠主設備狀態(tài)檢修技術應用的創(chuàng)新性嘗試，以水輪機、發(fā)電機為主的水電廠主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)已在松江河和白山發(fā)電廠投入實際運用。從狀態(tài)檢修自動化及信息化的技術層面來看，系統(tǒng)已為這兩個電廠構建了較為完整的狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)檢修決策支持平臺，但在與現(xiàn)場機組運行及檢修實際相結合，更好地提升系統(tǒng)的實用性方面，則是關系到機組是否能真正從定修向狀態(tài)檢修發(fā)展的核心問題。應該說，水電廠主設備狀態(tài)檢修技術的發(fā)展是一項任重而道遠的過程，其涉及的技術及管理的專業(yè)面之廣，其面對的學科領域之多，已超出了任意一家單位獨立承擔的范圍。狀態(tài)檢修核心的技術問題如各類水電機組狀態(tài)評價依據(jù)的建立，相關狀態(tài)檢修導則及其標準體系的建立，流域性、集團化的遠程診斷中心及水電機組狀態(tài)評價中心的建立等都需要設備生產(chǎn)單位、設備運維單位、設計院相關科研院所等行業(yè)內(nèi)各領域的專家學者攜手合作，各方群策群力來共同推動我國水電機組狀態(tài)檢修技術在目前基礎上的根本性突破。

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Design and Development on Condition Based Maintenance Decision Support System of Primary Equipments in Hydropower Plants

PAN Weifeng1，MA Chengcheng，ZHU Chuangu1
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing，210003，China）

Firstly，this paper introduces the condition based maintenance technique architecture of primary equipments in hydropower plant，elaborates the composition of condition based maintenance decision support system of primary equipments in hydropower plant，then bring up its system structure，work flow，software operation framework and software function module implementation.Finally，based on above-mentioned，it focus on discussing key technologies involved of condition based maintenance decision support system of hydropower primary equipments.Thus，it also provides a complete technology realization thought for research，development and application on condition based maintenance and health decision evaluation related technology system of primary power generating and transformer equipments in hydropower plants.

Life Cycle Management； Condition Based Maintenance ； Decision Support System ； IEC 61850/ IEC 61970； State evaluation

TV222 文獻標識碼：A 學科代碼：570.25 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.017

2014-08-08

潘偉峰（1977—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：水電廠主設備狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)檢修、水電廠自動化的運用研究工作。Email：panweifeng@sgepri.sgcc.com.cn

馬程程（1987—），女，本科，助理工程師，長期從事水電廠自動化的運用研究工作。Email：machengcheng@sgepri.sgcc.com.cn

朱傳古（1982—），男，碩士，工程師，主要研究方向：水電廠自動化及水電機組狀態(tài)監(jiān)測檢修的運用研究工作。