潘偉峰，麻志成，朱傳古

水電主設備狀態(tài)評價建模關鍵技術研究

潘偉峰，麻志成，朱傳古

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

設備狀態(tài)評價建模指標體系的建立用來實現(xiàn)基于設備管理的設備狀態(tài)檢修決策評估。本文在闡述水電主設備狀態(tài)檢修技術系統(tǒng)組成及狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)狀態(tài)評價功能需求特性分析的基礎上，重點探討設備狀態(tài)評價體系建模這一關鍵技術，為相關水電主設備狀態(tài)檢修決策評估系統(tǒng)的研制及應用闡明了清晰的技術路徑。

狀態(tài)檢修；決策評估；狀態(tài)監(jiān)測；設備管理對象；狀態(tài)評價

1　引言

由于缺乏可靠的水電主設備狀態(tài)評價技術支撐，傳統(tǒng)水電廠采用“計劃檢修”或“事后檢修”的主設備檢修模式，無法根據(jù)設備健康狀態(tài)適時開展檢修，通常會導致水電主設備過度維修，影響其運行性能，有時亦導致機組狀況劣化時未及時維修，造成電力安全生產(chǎn)重大隱患。

水電主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)[1]可提供反映電站各主要設備狀態(tài)分析、診斷、評估結(jié)果的綜合報告，根據(jù)各主要設備狀態(tài)量的數(shù)值和變化趨勢，對各主要設備進行診斷分析、狀態(tài)評價和狀態(tài)評估，并最終得出設備的狀態(tài)評價、風險評估[2]、趨勢分析、故障診斷及維修決策結(jié)果，對設備當前的健康狀態(tài)進行多維度在線量化評估，從而構建滿足于電廠全壽命周期[3]資料管理體系的設備健康檔案，對正常狀態(tài)的設備提供延遲維修的建議，對異常狀態(tài)的設備提供針對性的及時檢修及缺陷處理策略，為水電設備檢修建議及設備檢修維護計劃的制定提供決策支持，最大限度地改善水電主設備檢修過度和不足的問題，為設備定修向狀態(tài)檢修的過渡提供全面技術支撐。

2　水電主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)狀態(tài)評價功能需求特性分析

2.1水電主設備狀態(tài)檢修技術系統(tǒng)組成

水電主設備狀態(tài)檢修立足建立水電站統(tǒng)一的設備狀態(tài)監(jiān)測檢修決策信息平臺，采用狀態(tài)檢修輔助決策模式，構筑設備狀態(tài)主題數(shù)據(jù)中心，通過平臺共享的數(shù)據(jù)匯總及存儲接口，充分運用分析診斷專家系統(tǒng)、可靠性檢修策略等高級應用算法及模型實現(xiàn)全站運行設備狀態(tài)數(shù)據(jù)的聯(lián)合歷史趨勢分析及故障診斷等高級功能，通過狀態(tài)檢修決策評估實現(xiàn)對設備健康狀態(tài)的分析、診斷、評估、推理及預測，并在此基礎之上制定科學合理的設備檢修維護策略。其完整技術系統(tǒng)包括：設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（含機組和變電設備）、狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、以及狀態(tài)檢修生產(chǎn)管理系統(tǒng)，如圖1所示。其中設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)為設備狀態(tài)檢修兩大關鍵技術系統(tǒng)。

圖1　設備狀態(tài)檢修完整技術系統(tǒng)組成

（1）設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

設備的狀態(tài)監(jiān)測是實施狀態(tài)檢修的基礎，通過對設備狀態(tài)監(jiān)測信息的收集和科學有效的管理與運用，為狀態(tài)檢修決策評估提供關鍵數(shù)據(jù)來源。

（2）狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)

實現(xiàn)狀態(tài)檢修的關鍵是根據(jù)設備的狀態(tài)來決定何時修，修什么和如何修，顯然，對于水電機組這樣復雜的大型設備，僅依靠運行管理人員的知識、經(jīng)驗和直覺難以作出有效判斷，這就需要一個完整、功能強大的決策支持系統(tǒng)（DecisionSupportSystem）來支撐其決定。

2.2水電主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)狀態(tài)評價模

塊設計

水電主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)主要包括8大功能模塊：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，其軟件業(yè)務框架如圖2所示。

圖2　水電設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)軟件業(yè)務框架

系統(tǒng)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，模塊功能簡圖如圖3所示。

圖3　狀態(tài)評價模塊功能簡圖

狀態(tài)評價模塊需實現(xiàn)功能如下：

（1）維護設備評價標準

依據(jù)設備狀態(tài)評價標準，建立設備健康狀態(tài)評價算法模型。結(jié)合設備狀態(tài)量橫向（同類型設備）和縱向（歷史數(shù)據(jù)）比較結(jié)果，對影響設備各主要組成部件健康狀態(tài)的狀態(tài)量逐項評價，量化評價設備及其各部件健康狀態(tài)。

（2）評價部件和整體健康狀態(tài)

根據(jù)部件狀態(tài)評價結(jié)果，結(jié)合其對設備整體功能影響程度，采用適當算法得出設備整體健康狀態(tài)等級。

（3）評價信息查詢

查詢設備及各部件健康評價結(jié)果，并可詳細了解評價過程及各狀態(tài)量評價信息。

3　水電主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)狀態(tài)評價建模關鍵技術

3.1設備管理對象建模

設備管理是設備開展狀態(tài)檢修的基本環(huán)節(jié)，水電主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)主要面向設備管理對象展開設備狀態(tài)評價及其檢修決策評估工作，系統(tǒng)首要任務：圍繞設備健康狀態(tài)評價要求展開設備對象建模。

水電機組主要由發(fā)電機、水輪機兩大類設備構成，設備又由各種部件組成。為方便系統(tǒng)對機組各設備部件的統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)關聯(lián)及診斷分析，應構建設備管理對象模型，有效管理設備信息。系統(tǒng)在構建設備管理模型時，應采用面向?qū)ο笏枷脒M行建模。

設備管理模型的構建包括設備模型定義、設備對象分類模型的建立及設備對象模型的管理。

設備對象分類模型（設備臺帳模型）是對系統(tǒng)設備和信息參數(shù)分層次、分類別建立的樹狀模型，用于設備管理，其建立原則如下：

首先按系統(tǒng)將設備進行分類（如分成發(fā)電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)等），再在每個系統(tǒng)中劃分大類（如：發(fā)電系統(tǒng)有一次設備、二次設備、輔助設備等）。每個大類都由不同功能類型設備組成，同類型設備又細分為不同的結(jié)構類型。設備分類圖可參考圖4。

通過設備對象模型的管理可以實現(xiàn)設備模型樹的構建、設備與狀態(tài)量之間的關聯(lián)等功能：

（1）設備模型樹

根據(jù)設備模型定義及設備臺賬模型，構建系統(tǒng)中設備的關系結(jié)構模型及其相應設備模型樹，根據(jù)設備在設備關系結(jié)構模型中的位置，對應在設備模型樹中建立相應的節(jié)點。

（2）設備與狀態(tài)量關聯(lián)

在設備模型樹中，系統(tǒng)的每個設備對應設備模型樹的一個節(jié)點。通過設備模型樹的管理功能，將設備與狀態(tài)量進行關聯(lián)配置。對于在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)，通過映射，能夠成為評價相應設備的特征參數(shù)；對于離線數(shù)據(jù)，通過映射，也可以成為評價相應設備的特征參數(shù)。根據(jù)特征參數(shù)值，即可對設備的狀態(tài)進行評價。

3.2設備狀態(tài)檢修評價體系建模

系統(tǒng)設備狀態(tài)檢修評價體系建模主要研究面向?qū)ο蟮臓顟B(tài)檢修建模體系，包括合理構建及劃分適用于抽水蓄能電站的設備類型、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)。

系統(tǒng)狀態(tài)評價模塊通過建立設備狀態(tài)評價模型，并依據(jù)系統(tǒng)知識庫和專家系統(tǒng)推理機，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。

3.3設備狀態(tài)評價模型

設備上功能相對獨立的單元稱為部件。設備狀態(tài)評價模型由“設備－設備部件－部件狀態(tài)量－判斷依據(jù)”4層體系組成，其計算流程如下：搜集積累設備部件狀態(tài)量特征數(shù)據(jù)->計算部件狀態(tài)量值->評價部件健康狀態(tài)->評價設備健康狀態(tài)。該模型將設備及其部件分為“正常、注意、異常、嚴重”這4個狀態(tài)，每種狀態(tài)分別對應不同的設備維修策略。設備的狀態(tài)評價分為部件評價和整體評價兩部分，設備整體評價綜合其部件的評價結(jié)果：當所有部件評價為正常狀態(tài)時，整體評價為正常狀態(tài)；當任一部件狀態(tài)為注意狀態(tài)、異常狀態(tài)或嚴重狀態(tài)時，整體評價應為其中最嚴重的狀態(tài)。

圖4　水電站設備管理對象分類圖

圖5　設備狀態(tài)評價模型示意圖

采用正向推理的設備狀態(tài)評價推理機模型如圖6所示。系統(tǒng)推理機解析加載知識庫規(guī)則，并根據(jù)知識庫中所引用的設備狀態(tài)量數(shù)據(jù)和判斷依據(jù)進行推理，從而得出設備及設備部件的當前狀態(tài)。系統(tǒng)知識庫規(guī)則提供了一個規(guī)則定義的統(tǒng)一界面和接口，用于狀態(tài)評價規(guī)則的定義和規(guī)則的解析。

圖6　設備狀態(tài)評價推理機模型

系統(tǒng)利用該模型構建電站的設備狀態(tài)評價體系，結(jié)合具體設備狀態(tài)評價導則可最終計算得出可量化的設備健康狀態(tài)及其對應的檢修策略，作為設備狀態(tài)維修的決策依據(jù)。

4　結(jié)語

水電主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)狀態(tài)評價建模主要包括設備管理對象建模和設備狀態(tài)檢修評價體系建模這兩大關鍵技術，以實現(xiàn)設備狀態(tài)檢修決策評估為目的，是基于設備管理模型實現(xiàn)系統(tǒng)各功能模塊的根本保證。

考慮水電設備應用特點，將振動、擺度、壓力脈動、氣隙、磁通量、局放、能量效率等水電機組狀態(tài)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，水輪機、發(fā)電機、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、輔助設備運行狀態(tài)參數(shù)等水電設備生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，與巡檢、試驗、缺陷、臺帳等生產(chǎn)管理信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一融合，建立基于多元狀態(tài)量量化判斷依據(jù)的水電主設備狀態(tài)評價指標體系，是水電主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)實現(xiàn)的首要關鍵技術。

同時，水輪機、發(fā)電機等水電主設備狀態(tài)評價依據(jù)及其相應狀態(tài)檢修策略的確立將是一項長期艱巨的過程，需行業(yè)各方專家聯(lián)合研究確定。因此，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，研究水電機組狀態(tài)檢修的標度，確定機組狀態(tài)評價的依據(jù)，建立設備狀態(tài)好壞的標準，并建立設備狀況標準庫，將是水電主設備狀態(tài)檢修決策評估技術下一步的重點研究方向。

[1]潘偉峰，趙連輝，朱傳古.水電廠在線監(jiān)測分析診斷與狀態(tài)檢修決策評估應用研究[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2012，36 （05）：1.

[2]郭壁壘，李冰，常禹.基于狀態(tài)評價的水電廠設備風險評估系統(tǒng)[J].計算機應用，2013，33（S2）：105-107.

[3]高峰.葛洲壩水電站設備檢修項目管理模塊[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2010（05）：31-33.

TV738

A

1672-5387（2016）08-0052-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.015

2016-06-29

潘偉峰（1977-），男，高級工程師，從事水電廠主設備狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)檢修、水電廠自動化的運用研究工作。