(西安翻譯學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，西安 710105)

0 引言

根據(jù)我國電廠實(shí)際需求，DCS失電故障分散控制系統(tǒng)需從一個特殊角度設(shè)計出發(fā)，發(fā)展成為一個與外界連接接口較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)[1]。DCS網(wǎng)絡(luò)通訊與控制器都會出現(xiàn)分散處理單元故障現(xiàn)象，如果故障比較簡單，那么DCS失電故障分散控制系統(tǒng)只會出現(xiàn)局部死機(jī)情況，整個機(jī)組仍然可以安全穩(wěn)定運(yùn)行；如果故障比較復(fù)雜，那么分散控制系統(tǒng)會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊癱瘓情況，整個機(jī)組停止運(yùn)行。基于此，對DCS失電故障分散控制系統(tǒng)的維護(hù)便成為了目前急需考慮的一個問題[2]。作為火電安全運(yùn)行的主要因素，熱控自動化設(shè)備DCS控制系統(tǒng)起到了積極作用，尤其是在近幾年得到了廣泛應(yīng)用[3]。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，控制系統(tǒng)的使用數(shù)量呈爆炸式增長，使系統(tǒng)的安全性和可靠性受到了威脅，且控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)各種各樣的故障，給整個企業(yè)造成了不同程度的經(jīng)濟(jì)損失，因此相關(guān)專家和學(xué)者對DCS失電故障分散控制系統(tǒng)的維護(hù)問題極為關(guān)注，通過深入研究已取得一些有效成果[4]。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)維修平臺沒有對失電故障的風(fēng)險進(jìn)行分析，導(dǎo)致分散控制準(zhǔn)確率較低，系統(tǒng)不可靠[5]。為解決以上問題，提出設(shè)計一種DCS失電故障分散控制系統(tǒng)維修平臺。對DCS失電故障分散控制系統(tǒng)中常出現(xiàn)的失電故障問題進(jìn)行分析建立風(fēng)險評價指標(biāo)，并以該指標(biāo)為基礎(chǔ)構(gòu)建失電故障風(fēng)險評估模型，依據(jù)評估模型的評估結(jié)果，完成控制系統(tǒng)維護(hù)平臺的設(shè)計。實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知，該維護(hù)平臺中的失電故障風(fēng)險評估模型所得的風(fēng)險值與標(biāo)準(zhǔn)值更為接近，風(fēng)險值波動范圍較小，不同負(fù)荷點(diǎn)處的風(fēng)險值不同，由此可知，改進(jìn)的維護(hù)平臺比傳統(tǒng)維護(hù)平臺對風(fēng)險分析的準(zhǔn)確率更高，可為自動化控制儀器提供有效故障風(fēng)險分析，實(shí)現(xiàn)DCS失電故障分散控制系統(tǒng)的有效維護(hù)。

1 DCS失電故障分散控制系統(tǒng)失電故障分析

我國工業(yè)自動化生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高，針對控制器控制要求就變得極為復(fù)雜，一種在大數(shù)據(jù)環(huán)境下的DCS失電故障分散控制系統(tǒng)應(yīng)用而生[6]。由于目前我國各個火電廠對于系統(tǒng)應(yīng)用水平存在局限性，導(dǎo)致控制在運(yùn)行過程中難免會出現(xiàn)失電故障，為此需對故障進(jìn)行風(fēng)險評估，分別為：電源故障、系統(tǒng)故障、通信系統(tǒng)故障。按照控制器斷電情況一般可分為故障斷電和預(yù)安排斷電，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 停電性質(zhì)分類

1.1 電源故障

DCS失電故障分散控制系統(tǒng)電源故障是失電故障的主要原因，一旦出現(xiàn)電源故障，會危及到整個運(yùn)行狀態(tài)，而且還可能導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，造成故障發(fā)生[7]。電源故障出現(xiàn)的主要原因就是電源問題較多，一般是備用電源不能與原電路結(jié)構(gòu)吻合，而且采用雙路備用供電方式在轉(zhuǎn)換時會出現(xiàn)瞬間失電，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)跳閘；還有可能是保險配置不合理導(dǎo)致內(nèi)部故障出現(xiàn)電源中斷，導(dǎo)致電源發(fā)生故障；最后一個可能是穩(wěn)壓電源引起的插頭接觸不良導(dǎo)致電源無法正常輸出。

1.2 系統(tǒng)故障

1.2.1 硬件故障

DCS失電故障分散控制系統(tǒng)硬件組件包括：處理器組件、I/O組件和通訊組件，這三部分硬件功能各不相同，常見故障位置為通道接口，硬件故障發(fā)生主要原因?yàn)椋?/p>

1)通道故障也就是I/O組件發(fā)生故障，引起故障原因就是因系統(tǒng)長時間工作出現(xiàn)部分組件老化和損壞，造成故障原因一般是具有隱藏性的，只有參數(shù)出現(xiàn)才會出現(xiàn)異常；連接線發(fā)生松動也是因?yàn)镮/O組件與主機(jī)發(fā)生通信中斷才導(dǎo)致斷電事故發(fā)生；外界強(qiáng)信號電磁干擾導(dǎo)致故障發(fā)生。

2)控制操作如果出現(xiàn)失靈或者失效，那么操作工作站就會出現(xiàn)死機(jī)和打印不正常現(xiàn)象，操作失靈主要原因就是系統(tǒng)因長時間發(fā)生老化導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到了浮塵污染，導(dǎo)致接觸點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)自行連接，出現(xiàn)通信斷路。控制操作出現(xiàn)失效事故主要原因就是操作信號不能改善通道狀態(tài)，其中導(dǎo)致這種狀態(tài)出現(xiàn)主要可能有三種，分別是過程硬件故障、操作工作站存在缺陷、設(shè)備超負(fù)荷[8]。操作工作站死機(jī)的原因是與控制操作出現(xiàn)分歧，由于鍵盤組出現(xiàn)錯誤、接觸不良導(dǎo)致鍵盤不能正常工作，打印機(jī)出現(xiàn)故障原因就是配置不合理或者打印機(jī)實(shí)時屏蔽而造成的。

1.2.2 軟件故障

DCS失電故障分散控制系統(tǒng)軟件部分發(fā)生故障的主要原因就是：在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，軟件本身不完善是發(fā)生故障主要原因。

1.3 通信系統(tǒng)故障

通信網(wǎng)絡(luò)是DCS失電故障分散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)線連接樞紐，通常情況下在節(jié)點(diǎn)總線和接地總線上發(fā)生故障，由于地標(biāo)發(fā)生錯誤導(dǎo)致斷電情況發(fā)生，造成該部分發(fā)生的原因是：

1)節(jié)點(diǎn)處故障：當(dāng)總線任意一處發(fā)生中斷時，都會導(dǎo)致饋線上所有設(shè)備通信連接線發(fā)生故障。

2)連地處故障：由于連接設(shè)備與生產(chǎn)過程會發(fā)生聯(lián)系，即使在良好工作環(huán)境下，發(fā)生故障可能性較高，容易受到維修工作人員的影響而造成斷電事故發(fā)生。

3)地標(biāo)標(biāo)記錯誤：無論是接地組件還是連線接口，如果發(fā)生標(biāo)記錯誤，那么控制處就會發(fā)生通信紊亂。

2 失電故障風(fēng)險評估

DCS失電故障分散控制系統(tǒng)是由設(shè)備和設(shè)施構(gòu)成的，控制設(shè)備可分為三個電壓等級，即為高、中、低，按照功能可進(jìn)行一次設(shè)備連接和二次設(shè)備連接，控制器設(shè)施主要是由饋線連接而成的，如圖2所示。

圖2 DCS失電故障分散控制系統(tǒng)饋線結(jié)構(gòu)

由圖2可知：該饋線結(jié)構(gòu)是由變電站處的10 KV母線組成的，該饋線上主要包括斷路饋線、分支饋線、變壓器饋線和用電饋線等。

1)斷路饋線風(fēng)險評估是在大數(shù)據(jù)環(huán)境下對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)?，?shù)據(jù)采集主要通過設(shè)備數(shù)據(jù)包經(jīng)過分布式進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)包實(shí)時隊列化發(fā)送到大數(shù)據(jù)處理平臺進(jìn)行風(fēng)險評估。

2)分支饋線風(fēng)險評估是在大數(shù)據(jù)處理平臺下對數(shù)據(jù)包進(jìn)行實(shí)時處理，將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，通過協(xié)議特征庫進(jìn)行數(shù)據(jù)特征匹配，將匹配確認(rèn)為異常故障數(shù)據(jù)發(fā)送給平臺進(jìn)行存儲。

3)變壓器饋線和用電饋線風(fēng)險評估是在大數(shù)據(jù)平臺下針對存儲數(shù)據(jù)機(jī)性能能夠聚類分析并進(jìn)行動態(tài)更新，為風(fēng)險評估指標(biāo)進(jìn)行特征收集。

基于大數(shù)據(jù)風(fēng)險評估指標(biāo)：

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下構(gòu)建的風(fēng)險評估指標(biāo)主要包括：失負(fù)荷風(fēng)險指標(biāo)、過負(fù)荷風(fēng)險指標(biāo)和電壓過負(fù)荷風(fēng)險指標(biāo)。構(gòu)建風(fēng)險評估指標(biāo)體系，包括運(yùn)行風(fēng)險、系統(tǒng)風(fēng)險和設(shè)備風(fēng)險，其中運(yùn)行風(fēng)險包括季度故障率、季度修檢率、平均故障間隔時間；系統(tǒng)風(fēng)險包括平均斷電間隔時間、平均斷電持續(xù)時間和客戶平均斷電次數(shù)；設(shè)備風(fēng)險包括線路負(fù)載情況、供電可靠情況和用戶平均電量損失情況。針對DCS失電故障分散控制系統(tǒng)失電故障風(fēng)險評估都在單一數(shù)據(jù)環(huán)境下對某一點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險指標(biāo)構(gòu)建的，在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，綜合各個風(fēng)險值指標(biāo)進(jìn)行研究的。

從失電故障概率和故障斷電損失；兩個方面進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)構(gòu)建，能夠充分反映控制器發(fā)生故障的可能性，也能客觀衡量發(fā)生故障斷電給整個控制系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟(jì)損失[9]。將DCS失電故障分散控制系統(tǒng)失電故障風(fēng)險評估指標(biāo)體系分成兩大類，分別是故障斷電概率和故障斷電損失，從控制器發(fā)生故障原因分析故障斷電概率指標(biāo)，其中包括自然災(zāi)害、設(shè)備停運(yùn)和管理水平；而從故障斷電損失角度出發(fā)，其中包括客戶斷電損失和企業(yè)斷電損失[10]。無論是故障斷電概率指標(biāo)還是故障斷電損失，其發(fā)生故障原因都是起源于設(shè)備發(fā)生故障所引起的，導(dǎo)致故障斷電損失的原因主要是故障斷電持續(xù)時間、故障斷電缺供電量和故障斷電用戶數(shù)量，具體體系結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 故障斷電風(fēng)險評估指標(biāo)體系

3 基于風(fēng)險評估模型的維護(hù)平臺實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述建立的失電故障風(fēng)險評估模型，對失電故障風(fēng)險進(jìn)行評估，依據(jù)評估結(jié)果對DCS失電故障分散控制系統(tǒng)進(jìn)行有效維護(hù)，實(shí)現(xiàn)維護(hù)平臺的建立。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，對DCS失電故障分散控制系統(tǒng)失電故障風(fēng)險進(jìn)行分析，目的就是為了評估失電故障對于發(fā)生的故障事故造成DCS失電故障分散控制系統(tǒng)停止工作風(fēng)險程度[11]，其中包括故障斷電可能性和斷電概率，風(fēng)險值就是故障斷電概率的斷電損失的乘積，即故障斷電風(fēng)險評估模型為：

f=k(p×d)

(1)

由公式(1)可知：f為DCS失電故障分散控制系統(tǒng)的故障斷電風(fēng)險；k為故障斷電風(fēng)險模型函數(shù)。

p為故障斷電概率，如果控制器中含有m個負(fù)荷點(diǎn)，各個負(fù)荷點(diǎn)的故障斷電概率為p1，p2，…，pn，…，pm，那么控制器故障斷電概率為p=1-(1-p1)(1-p2)…(1-pm)，各個負(fù)荷點(diǎn)斷電概率主要是由DCS失電故障分散控制系統(tǒng)中的組件故障所決定的。

d為故障斷電損失，該損失是由客戶斷電損失d1和供電企業(yè)斷電損失d2這兩部分構(gòu)成的，供電企業(yè)的斷電損失包括故障斷電所導(dǎo)致的工作量下降造成的收入損失和對設(shè)備維修的費(fèi)用，而客戶斷電損失包括故障斷電持續(xù)時間和故障斷電供電量和斷電次數(shù)，d1和d2之間關(guān)系為：

式(2)中,Snh為負(fù)荷點(diǎn)n在第h次斷電的缺供電量；b為負(fù)荷點(diǎn)n在第h次的斷電損失；Ih為企業(yè)在第h次失電事故中收入損失；Sn為負(fù)荷點(diǎn)n的缺供電量；Jn為負(fù)荷點(diǎn)n的電價；Eh為企業(yè)在第h次失電故障后對設(shè)備維修的費(fèi)用。

根據(jù)故障斷電風(fēng)險評價指標(biāo)和導(dǎo)致控制器故障的內(nèi)部原因，從故障斷電概率和斷電損失兩方面出發(fā)，根據(jù)構(gòu)建的風(fēng)險評估模型對DCS失電故障分散控制系統(tǒng)失電故障風(fēng)險進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果，完成了DCS失電故障分散控制系統(tǒng)維護(hù)平臺的設(shè)計。

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證DCS失電故障分散控制系統(tǒng)失電故障風(fēng)險評估的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，由于風(fēng)險是具有不確定性的，其發(fā)生后果是難以估量的，故障一旦發(fā)生，那么經(jīng)濟(jì)情況、社會影響和環(huán)境影響都會受到一定危害，為此需給定失電故障風(fēng)險評估基本假設(shè)條件，并設(shè)計評估流程，將上述圖2中的DCS失電故障分散控制系統(tǒng)饋線結(jié)構(gòu)作為研究對象，估算故障斷電概率和損失，最后計算故障斷電風(fēng)險期望值。

4.1 實(shí)驗(yàn)基本假設(shè)

由于DCS失電故障分散控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包含器件數(shù)量，種類繁多，并且影響控制系統(tǒng)故障斷電因素也非常多，并且具有不確定性，故障發(fā)生的隨機(jī)性較大，為此需要對控制系統(tǒng)失電故障風(fēng)險評估設(shè)定假設(shè)條件：

1)評估器件都是具有可修復(fù)性的，器件停運(yùn)是在強(qiáng)迫條件下獨(dú)立運(yùn)行的；

2)只分析內(nèi)部故障引起的控制系統(tǒng)故障斷電風(fēng)險，其他因素暫不考慮；

3)所有同種類型的控制系統(tǒng)使用用戶的電壓等級是一致的；

4)開關(guān)器件可以正常操作；

5)采用DCS失電故障分散控制系統(tǒng)N-1+1準(zhǔn)則的作為風(fēng)險評估依據(jù)，即為系統(tǒng)中某一器件發(fā)生失電故障后，可通過操作相關(guān)開關(guān)對正常區(qū)域進(jìn)行修復(fù)。

4.2 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)上述假定條件，需要確定故障斷電風(fēng)險評估流程，在評估過程中需要嚴(yán)格按照流程進(jìn)行，否則將會降低風(fēng)險評估準(zhǔn)確性，故障斷電風(fēng)險評估流程如圖4所示。

圖4 故障斷電風(fēng)險評估流程

由圖4可知：該評估首先要確定待評估的DCS失電故障分散控制系統(tǒng)，收集評估系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后對系統(tǒng)故障斷電損失模型構(gòu)建，對負(fù)荷點(diǎn)斷電概率進(jìn)行評估，建立系統(tǒng)故障斷電損失模型，對故障帶來的后果損失進(jìn)行計算，最后結(jié)算故障斷電概率和斷電損失對所評估控制器進(jìn)行故障斷電風(fēng)險評估。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)DCS失電故障分散控制系統(tǒng)失電故障概率，計算控制系統(tǒng)故障斷電所導(dǎo)致的客戶損失，由此求得故障斷電情況下企業(yè)斷電損失，根據(jù)控制系統(tǒng)故障風(fēng)險評估模型可以計算故障斷電情況下的各個負(fù)荷點(diǎn)斷電風(fēng)險，如表1所示。

表1 負(fù)荷點(diǎn)期望斷電風(fēng)險

由表1可求得DCS失電故障分散控制系統(tǒng)總風(fēng)險，由于各個負(fù)荷點(diǎn)斷電概率和斷電損失不同，導(dǎo)致各個負(fù)荷點(diǎn)上的斷電風(fēng)險也不同。

為了使風(fēng)險評估結(jié)果更具有可靠性，分別應(yīng)用傳統(tǒng)維護(hù)平臺與改進(jìn)維護(hù)平臺，并對兩種平臺的控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種維護(hù)平臺風(fēng)險評估準(zhǔn)確率對比結(jié)果

由圖5可知：當(dāng)負(fù)荷點(diǎn)為A時，兩種評估方法的風(fēng)險值為13 898.15元，都與標(biāo)準(zhǔn)評估風(fēng)險一致；當(dāng)負(fù)荷點(diǎn)為B時，傳統(tǒng)維護(hù)平臺的評估風(fēng)險值為20 000.00元，而改進(jìn)維護(hù)平臺所得的風(fēng)險值為16 000.83元，而標(biāo)準(zhǔn)評估風(fēng)險值為16 130.82元，明顯看出，改進(jìn)維護(hù)平臺所得的風(fēng)險值與標(biāo)準(zhǔn)值更為接近。不同負(fù)荷點(diǎn)處的風(fēng)險值不同，逐漸顯示出傳統(tǒng)維護(hù)平臺風(fēng)險評估不準(zhǔn)確，而改進(jìn)維護(hù)平臺所得的風(fēng)險值基本與標(biāo)準(zhǔn)值一致。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由于DCS失電故障分散控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障負(fù)荷點(diǎn)不同，所說需要測試不同風(fēng)險值。采用傳統(tǒng)維護(hù)平臺進(jìn)行風(fēng)險評估時，所獲得的風(fēng)險值波動范圍較大，而采用改進(jìn)維護(hù)平臺進(jìn)行失電故障風(fēng)險評估時，所獲的風(fēng)險值波動范圍較小，且與標(biāo)準(zhǔn)值基本一致，由此可知，改進(jìn)維護(hù)平臺比傳統(tǒng)維護(hù)平臺對失電故障風(fēng)險分析的準(zhǔn)確率更高。

5 結(jié)束語

改進(jìn)設(shè)計的DCS失電故障分散控制系統(tǒng)維護(hù)平臺能夠有效滿足失電故障風(fēng)險評估的需求，通過在實(shí)際應(yīng)用中不斷對暴露的故障點(diǎn)進(jìn)行分析，方便后續(xù)相關(guān)工作人員對故障風(fēng)險進(jìn)行準(zhǔn)確評估。針對故障風(fēng)險需從定義著手開始分析，從引起的外部故障斷電風(fēng)險原因進(jìn)入到DCS失電故障分散控制系統(tǒng)故障斷電風(fēng)險分為外部原因和內(nèi)部原因，對DCS失電故障分散控制系統(tǒng)中常出現(xiàn)的失電故障進(jìn)行分析，建立風(fēng)險評價指標(biāo)，并以該指標(biāo)為基礎(chǔ)構(gòu)建失電故障風(fēng)險評估數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，改進(jìn)的控制系統(tǒng)維護(hù)平臺比傳統(tǒng)維護(hù)平臺對失電故障風(fēng)險分析的準(zhǔn)確率更高，為其他安全風(fēng)險監(jiān)測提供保障。

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