李 林，侯遠(yuǎn)航，鄭建民，劉任改

（國(guó)家能源集團(tuán)大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都610041）

1 概述

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)對(duì)發(fā)電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行要求越來(lái)越高，考核也越來(lái)越嚴(yán)，因此，各發(fā)電企業(yè)必須更加重視設(shè)備健康，尤其主設(shè)備的健康度。水電站在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻的任務(wù)越來(lái)越重，發(fā)電企業(yè)迫切需要通過(guò)科學(xué)高效的監(jiān)測(cè)分析手段，提高故障診斷、故障預(yù)測(cè)及狀態(tài)評(píng)估能力，優(yōu)化生產(chǎn)及檢修計(jì)劃，滿(mǎn)足電力生產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，以此實(shí)現(xiàn)杜絕設(shè)備非計(jì)劃停運(yùn)、延長(zhǎng)設(shè)備檢修周期、減少檢修費(fèi)用，提高生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益的目標(biāo)[1-2]。

傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)組檢修方式有定期檢修、狀態(tài)檢修或預(yù)知性維修。定期檢修，單純以時(shí)間間隔為依據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，容易產(chǎn)生“過(guò)度維修”，造成人力、財(cái)力、物力的浪費(fèi)，甚至還引發(fā)維修故障。狀態(tài)檢修或預(yù)知性維修，以機(jī)械設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)當(dāng)前健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，從而確定各機(jī)件的最佳維修時(shí)機(jī)[3-4]。但狀態(tài)檢修不能對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，不能綜合電力市場(chǎng)、人力、物資等管理信息形成最優(yōu)檢修策略，沒(méi)有真正推廣起來(lái)。

水電站設(shè)備在投產(chǎn)初期和壽命末期的故障幾率較大，而在壽命中期基本是運(yùn)行可靠的穩(wěn)定期，故障較少。如何準(zhǔn)確判斷水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，合理安排設(shè)備的檢修，防止盲目檢修、欠檢修或過(guò)度檢修，是水電站生產(chǎn)管理的一個(gè)重要任務(wù)。因此，探索一種新的檢修模式，以針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組全生命周期中各個(gè)階段健康狀況、故障特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘分析，來(lái)制定相應(yīng)的檢修策略，以更加“智慧”的檢修模式來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)模式下的定期檢修管理模式，對(duì)電廠來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。

2 水輪發(fā)電機(jī)組全生命周期管理

對(duì)電力企業(yè)來(lái)說(shuō)，設(shè)備全生命周期是指設(shè)備從決策、規(guī)劃設(shè)計(jì)、制造安裝、調(diào)試和試運(yùn)行、運(yùn)行運(yùn)營(yíng)（包括使用、維護(hù)、修理、改造和更新、調(diào)撥、調(diào)整），直至報(bào)廢的全部過(guò)程[5]。不同的生命周期階段對(duì)應(yīng)的主體不同，關(guān)注點(diǎn)也不同。如作為電廠設(shè)備運(yùn)行單位來(lái)說(shuō)，關(guān)注點(diǎn)是設(shè)備運(yùn)行運(yùn)營(yíng)和報(bào)廢等生命周期管理，做好設(shè)備使用、維護(hù)、修理、改造和更新、調(diào)撥、調(diào)整、報(bào)廢。對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，關(guān)注點(diǎn)是機(jī)組選型釆購(gòu)、安裝驗(yàn)收、運(yùn)維監(jiān)測(cè)、檢修技改、報(bào)廢等各個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行設(shè)備全生命過(guò)程控制，提升設(shè)備管控能力，優(yōu)化檢修策略，提升管理效益。智慧檢修在水輪發(fā)電機(jī)組整個(gè)生命周期中可以參與的環(huán)節(jié)如圖1所示。

圖1 水輪發(fā)電機(jī)組全生命周期管理流程

隨著傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息化、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、模型建立及數(shù)據(jù)分析，為水輪發(fā)電機(jī)組全生命周期管理尤其是智慧檢修提供了可能[6]。

3 數(shù)據(jù)挖掘

實(shí)現(xiàn)智慧檢修的一個(gè)前提就是設(shè)備的全生命周期檔案，記錄設(shè)備的過(guò)往今生以及不同維度的信息，這是在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)該解決的基礎(chǔ)問(wèn)題。隨著“數(shù)字電力”建設(shè)的不斷深入，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)也被引入電力系統(tǒng)分析中。數(shù)據(jù)挖掘是從海量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在的、隱藏的模式和規(guī)律，分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，為決策者提供有用的信息。傳統(tǒng)的專(zhuān)家系統(tǒng)大多依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，而現(xiàn)在數(shù)據(jù)收集能力的大幅提升可以讓數(shù)據(jù)分析與專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)結(jié)合做出更準(zhǔn)確的判斷分析。數(shù)據(jù)挖掘相當(dāng)于用人工智能克隆“專(zhuān)家能力”，以人工智能替代“專(zhuān)家智慧”。基于數(shù)據(jù)挖掘的專(zhuān)家系統(tǒng)集成了IT技術(shù)、算法科學(xué)以及經(jīng)驗(yàn)知識(shí)為一體，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的在線收集、全包檢索、機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建了一個(gè)智能分析和決策系統(tǒng)。水輪發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)挖掘，除傳感器和采集設(shè)備外，需要完成采集數(shù)據(jù)的匯聚、存儲(chǔ)、加工和展示任務(wù)，數(shù)據(jù)挖掘流程圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)挖掘流程

4 智慧檢修實(shí)踐

4.1 智慧檢修模型

在水電站自動(dòng)化水平不斷提高的前提下，國(guó)家能源集團(tuán)大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司提出“打造幸福大渡河、智慧大渡河，建設(shè)國(guó)際一流水電企業(yè)”的目標(biāo)，智慧企業(yè)建設(shè)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，對(duì)智慧檢修進(jìn)行積極探索[7-8]。智慧檢修是在狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)，它與狀態(tài)檢修有著本質(zhì)的區(qū)別。智慧檢修能夠結(jié)合當(dāng)前健康狀態(tài)對(duì)未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合電力市場(chǎng)、人力、物資以及水情信息，自動(dòng)生成最優(yōu)的檢修維護(hù)策略，并對(duì)檢修過(guò)程實(shí)施管控，對(duì)設(shè)備修后質(zhì)量自動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

智慧檢修通過(guò)先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷、可靠性評(píng)價(jià)以及壽命預(yù)測(cè)手段來(lái)判斷設(shè)備的健康狀態(tài)，識(shí)別故障的早期征兆，對(duì)故障部位的嚴(yán)重程度、故障發(fā)展趨勢(shì)做出判斷，主要解決為什么檢修，怎么檢修，何時(shí)檢修，過(guò)程控制和檢修質(zhì)量等關(guān)鍵問(wèn)題，它是一種涵蓋了技術(shù)和管理的水電站設(shè)備檢修綜合解決方案。智慧檢修必須源于全面的數(shù)據(jù)信息掌握，包括全生命周期管理中各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)邏輯判斷、智能控制策略、人工經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家系統(tǒng)等數(shù)據(jù)挖掘分析，對(duì)設(shè)備狀態(tài)做出預(yù)測(cè)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)考量，做出合理的時(shí)間安排，自動(dòng)生成檢修方案。并通過(guò)工業(yè)電視等對(duì)關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行見(jiàn)證，通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)照、檢修過(guò)程安全技術(shù)措施落實(shí)把控等手段，對(duì)檢修過(guò)程實(shí)施有效的監(jiān)控管理，自動(dòng)完成修后評(píng)價(jià)，進(jìn)行策略反饋，生成智能報(bào)表，促使檢修管理流程變革。智慧檢修模型如圖3所示。

圖3 智慧檢修模型

4.2 健康評(píng)價(jià)方法

機(jī)組健康評(píng)價(jià)是以在線監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，引入特征值健康評(píng)價(jià)方法。采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建隨環(huán)境參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)的科學(xué)合理的健康閾值，避免人為設(shè)定閾值的局限性。國(guó)家能源集團(tuán)大渡河公司全生命周期理念的水輪發(fā)電機(jī)組主設(shè)備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)挖掘建立了發(fā)電機(jī)軸心、上下導(dǎo)瓦均載、主軸彎曲等反映主機(jī)健康狀態(tài)的44個(gè)特征指標(biāo)，能夠全面地反映主機(jī)系統(tǒng)的健康狀況。下面以發(fā)電機(jī)軸心健康特征指標(biāo)舉例如下。

發(fā)電機(jī)軸心健康特征指標(biāo)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中心線的實(shí)際回轉(zhuǎn)半徑。特征指標(biāo)計(jì)算需要用到上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)X向、Y向擺度測(cè)點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)，計(jì)算過(guò)程如下：

第一步：以上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)三部導(dǎo)軸承處擺度波形數(shù)據(jù)建立空間模型模板，計(jì)算擺度影響量。

第二步：通過(guò)模型計(jì)算出擺度影響量的特征值輸出。

第三步：根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘方法確定特征值的健康范圍和預(yù)警級(jí)別。

第四步：對(duì)從模型中提取出來(lái)的特征值進(jìn)行報(bào)警判定后形成指標(biāo)，故障診斷機(jī)理如圖5所示。

圖4 發(fā)電機(jī)擺度軸心健康度診斷機(jī)理

4.3 趨勢(shì)分析方法

對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行設(shè)備來(lái)說(shuō)，發(fā)生設(shè)備故障大多數(shù)是一個(gè)緩慢的劣化過(guò)程。在劣化早期階段，狀態(tài)參數(shù)變化較小，不足以越限觸發(fā)報(bào)警，無(wú)法滿(mǎn)足故障提前預(yù)警的要求。還有些指標(biāo)量會(huì)隨著時(shí)間、工況、環(huán)境的不同而出現(xiàn)不同的結(jié)果。比如機(jī)組振動(dòng)，在夏天和冬天，監(jiān)測(cè)值就不完全一樣，由于兩個(gè)季節(jié)冷卻水溫度不同，引起油溫不同，進(jìn)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)體的熱脹冷縮效應(yīng)，從而發(fā)生振動(dòng)的變化，或?qū)е略谧畲笳穹拢踔烈匦抡{(diào)節(jié)瓦隙，或者做水輪機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段無(wú)法做到智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和提前預(yù)警，而利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)捕捉故障征兆則能做到早期預(yù)測(cè)和防范故障。

機(jī)組設(shè)備缺陷因?yàn)閿?shù)據(jù)互通及發(fā)電企業(yè)管理理念的影響，不好或者無(wú)法收集完整的缺陷樣本，它不像下圍棋，可以反復(fù)提供模擬實(shí)踐機(jī)會(huì)，也不像人體藥用療效試驗(yàn)，可以找小白鼠進(jìn)行試驗(yàn)或征集試驗(yàn)的職業(yè)人，機(jī)組設(shè)備沒(méi)有機(jī)會(huì)去嘗試或者多次試驗(yàn)。因此，急需要引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)完成對(duì)設(shè)備的預(yù)警預(yù)測(cè)。

智慧檢修把水輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)量的數(shù)值按一定的時(shí)間間隔排列就可以得到該特征量數(shù)值的時(shí)間序列，引入時(shí)間序列分解模型，分析并區(qū)分影響特征量數(shù)值變化的因素，并分別分析其對(duì)時(shí)間序列變動(dòng)的規(guī)律，以揭示因機(jī)組潛在故障引起的長(zhǎng)期趨勢(shì)變化規(guī)律，并預(yù)測(cè)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。圖5為國(guó)家能源集團(tuán)大渡河公司枕頭壩水電站水輪機(jī)健康度趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)。

圖5 枕頭壩水電站水輪機(jī)健康度趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)

4.4 智慧檢修策略

水電站根據(jù)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)機(jī)組存在異常狀態(tài)或異常趨勢(shì)時(shí)，針對(duì)其原因、部位和危害程度進(jìn)行分析判斷，并確定對(duì)機(jī)組采取檢修或其他預(yù)防措施的方法。當(dāng)進(jìn)行檢修決策時(shí)，應(yīng)綜合考慮人員安排、檢修器具、備品備件、水情、電力市場(chǎng)需要等多方面的因素，綜合分析論證安全可靠性、經(jīng)濟(jì)效益性，進(jìn)而制定最佳的檢修策略，確定檢修項(xiàng)目、內(nèi)容和規(guī)模。在檢修策略制定的過(guò)程中，可以充分利用檢修仿真系統(tǒng)對(duì)檢修過(guò)程中的工序、技術(shù)以及拆裝方案進(jìn)行模擬，從而制定出更加合理的檢修策略。智慧檢修的流程如圖6所示。

圖6 智慧檢修管理流程

5 智慧檢修創(chuàng)新實(shí)踐思考與建議

設(shè)備檢修還是不檢修，以什么級(jí)別檢修，這都需要技術(shù)支撐，需要用數(shù)據(jù)證明。怎么樣獲得可靠的分析結(jié)果，獲得準(zhǔn)確的決策依據(jù)，這是一個(gè)不斷探索、不斷進(jìn)步的過(guò)程，智慧檢修是一種新型檢修模式，是一種關(guān)于設(shè)備檢修更高層次的管理模式，技術(shù)方案更優(yōu)化，安全措施更加縝密細(xì)化科學(xué)，綜合效益最大化管理，更是一個(gè)全過(guò)程的管理，還有很多地方值得探索研究。

現(xiàn)有監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)對(duì)作為發(fā)電廠核心的設(shè)備如水輪發(fā)電機(jī)組的很多故障機(jī)理研究尚不夠透徹，監(jiān)測(cè)與診斷的手段不多，獲取的信息也不夠全面，在故障診斷的診斷率、診斷的正確率、監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面還存在不少問(wèn)題。需要不斷創(chuàng)新挖掘新的監(jiān)測(cè)方法，如對(duì)機(jī)組聲音的監(jiān)測(cè)；選擇更加精確先進(jìn)的傳感器，并盡量選擇非接觸式傳感器，選擇合理的安裝位置，降低產(chǎn)生次生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

全生命周期管理與預(yù)測(cè)技術(shù)在取得實(shí)際運(yùn)用成績(jī)的同時(shí)，要想成功的運(yùn)用于智慧檢修工作中，還有一些問(wèn)題需要解決，如設(shè)備壽命損耗積累原則的確定、壽命計(jì)算中復(fù)雜邊界條件的確定、壽命損耗特性研究、剩余壽命評(píng)價(jià)等。

在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘中對(duì)同類(lèi)型設(shè)備產(chǎn)品、或者相同產(chǎn)品的運(yùn)行參數(shù)、健康指標(biāo)應(yīng)自動(dòng)對(duì)比，形成類(lèi)似“雙胞胎式”的自動(dòng)感應(yīng)，當(dāng)出現(xiàn)相同設(shè)備類(lèi)似的問(wèn)題應(yīng)自動(dòng)預(yù)警，同時(shí)對(duì)“家族式遺傳疾病”“同批次疾病”應(yīng)能預(yù)警，避免同類(lèi)型的故障多次發(fā)生。

應(yīng)突出智慧決策能力建設(shè)，設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測(cè)完成后，當(dāng)設(shè)備檢修維護(hù)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生矛盾時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行科學(xué)的價(jià)值考量，是搶發(fā)電量還是處理隱患，能夠智慧決策。

管控體系應(yīng)用結(jié)果應(yīng)能為設(shè)計(jì)院所設(shè)計(jì)優(yōu)化、制造廠家制造質(zhì)量提高和工藝水平提高、安裝單位反饋提供優(yōu)化改進(jìn)建議。

隨著智慧檢修的實(shí)踐探討，電廠或流域水電公司關(guān)于檢修管理流程和組織機(jī)構(gòu)，也會(huì)發(fā)生與之相適應(yīng)的變化，因此，檢修的組織機(jī)構(gòu)與流程也會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

建議打破系統(tǒng)之間的信息壁壘，建立行業(yè)內(nèi)大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。