陳建華 榮智海

摘要：以給水泵為例，介紹了一種從設(shè)備安全性、經(jīng)濟(jì)性、殘余壽命3個(gè)維度評(píng)價(jià)設(shè)備可靠性的方法，克服了單一評(píng)價(jià)體系的弊端。設(shè)備安全性指標(biāo)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性預(yù)測(cè)設(shè)備參數(shù)在不同工況下的應(yīng)達(dá)值，并根據(jù)實(shí)際值與應(yīng)答值的差值進(jìn)行設(shè)備預(yù)警，將預(yù)警數(shù)量作為安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合設(shè)備易損件的殘余壽命與經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)設(shè)備可靠性狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。引用了設(shè)備零部件至整體的層次分析法作為權(quán)重選取方法，解決了以往設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)過(guò)度依賴于專家經(jīng)驗(yàn)，較為主觀且難以量化的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電力設(shè)備;可靠性管理;數(shù)據(jù)融合;模糊評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TM762????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????? 文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0207-04

Research on Fuzzy Comprehensive for Power Equipment Based on Date Fusion

Chen Jianhua，Rong Zhihai

（ China Resources Power Technology Research Institute Co.，Ltd.，Shenzhen，Guangdong 518001，China ）

Abstract：Taking feed water pump as an example，a method to evaluate the reliability of equipment from three dimensions of equipment safety，economy and residual life was introduced，which overcome the disadvantage of the single evaluation system.Neural network model was used topredict the expected value of equipment parameters? in different working conditions through the? correlation between data，and? equipment earlywarning was carried out according to the difference between the actual value and the expected value，and the number of early warning was takenas the? safety? evaluation? index.The? fuzzy? comprehensive? evaluation? method? was? used? to? evaluate? the? equipment? reliability? state.AnalyticHierarchy Process （ AHP） of equipment parts? to the whole was? used? as? the weight? selection? method.It? solves? the? problem that the? previousequipment reliability evaluation excessively depends on expert experience，which is subjective and difficult to quantify.

Key words：power equipment;reliability management;data fusion;fuzzy comprehensive

0 引言

設(shè)備可靠性是發(fā)電機(jī)組安全生產(chǎn)的重要保障。因此，在設(shè)備的全壽命周期中，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備管理來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組可靠性和經(jīng)濟(jì)性的平衡，對(duì)電廠的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)具有重要意義。設(shè)備可靠性狀態(tài)不明晰則會(huì)使設(shè)備的運(yùn)維難度增大，運(yùn)維費(fèi)用大幅增長(zhǎng)[1-6]。目前對(duì)于電力設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)研究還存在諸多問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下方面[7-9]。

（1）表征電力設(shè)備狀態(tài)信息有在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)、試驗(yàn)指標(biāo)、化驗(yàn)指標(biāo)、點(diǎn)巡檢離線指標(biāo)等，指標(biāo)量眾多，但是缺乏對(duì)這些指標(biāo)綜合應(yīng)用的狀態(tài)評(píng)價(jià)體系與方法，導(dǎo)致信息利用不充分，評(píng)價(jià)不完整。

（2）目前電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)均采用故障數(shù)據(jù)來(lái)提取設(shè)備狀態(tài)特征值，需要參照大量的樣本，但實(shí)際中有效的故障樣本嚴(yán)重匱乏。如果能利用已有歷史數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)挖掘的方法獲取設(shè)備參數(shù)異?；驖撛诠收闲畔⒕透哂袑?shí)際意義。

（3）由于制造廠家與運(yùn)行環(huán)境等的不同，同類設(shè)備也存在個(gè)體差異，但是現(xiàn)有的設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)方法往是針對(duì)某類設(shè)備總體，閾值范圍大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)同類設(shè)備的差異化評(píng)價(jià)。

近年來(lái)隨著智慧電廠建設(shè)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警與診斷、設(shè)備可靠性狀態(tài)評(píng)價(jià)等技術(shù)有著直接、迫切的需求。如何準(zhǔn)確對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，直接影響著電力設(shè)備的可靠性，關(guān)系到電網(wǎng)的安全，因此是電力行業(yè)亟待解決的問(wèn)題之一。

1 方案整體架構(gòu)

整合監(jiān)視信息系統(tǒng)（SIS）、預(yù)警系統(tǒng)、企業(yè)資產(chǎn)管理（EAM）系統(tǒng)的在線與離線數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提取監(jiān)測(cè)值、變化率、相關(guān)性、預(yù)警頻次、巡檢信息、工況信息;對(duì)待評(píng)價(jià)設(shè)備進(jìn)行可靠性分析，根據(jù)可靠性分析結(jié)果在設(shè)備安全性、經(jīng)濟(jì)性以及殘余壽命維度建立評(píng)價(jià)模型，包括基于模糊隸屬度的各狀態(tài)量評(píng)價(jià)指標(biāo)、基于層次分析法的狀態(tài)量權(quán)重;最后對(duì)各部件加權(quán)得到設(shè)備整體評(píng)價(jià)結(jié)果，評(píng)價(jià)結(jié)果分為正常、注意、異常、嚴(yán)重4個(gè)等級(jí)，并輸出設(shè)備可能發(fā)生的故障，設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)方案整體架構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)融合與處理方法

對(duì)SIS 系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、剔除死值、去除離群點(diǎn)等預(yù)處理操作，提取對(duì)設(shè)備狀態(tài)敏感的特征參數(shù)計(jì)算其變化率，根據(jù)各特征參數(shù)的最大值與最小值確定特征量閾值。針對(duì)典型的設(shè)備故障在預(yù)警系統(tǒng)中建立預(yù)警監(jiān)測(cè)模型，采用PCA 或者T-SNE 等降維方法對(duì)SIS 系統(tǒng)中歸一化后的工況數(shù)據(jù)與狀態(tài)數(shù)據(jù)篩選特征參量，建立高維特征空間。甄選FCM、DBSCAN、 GMM 等聚類算法，對(duì)參數(shù)組進(jìn)行分類，對(duì)各分類下的正常歷史數(shù)據(jù)時(shí)間片段進(jìn)行時(shí)間序列分析，測(cè)試ANN、LSTM、HNN 等回歸算法建立回歸模型預(yù)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)實(shí)際監(jiān)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的殘差超限頻次，將單測(cè)點(diǎn)報(bào)警融合為設(shè)備組件或者分支系統(tǒng)告警。提取EAM 中巡檢、檢修記錄信息，采用威布爾分布函數(shù)進(jìn)行擬合[10]，獲取設(shè)備易損件的可靠性與時(shí)間函數(shù)，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)確定易損件殘余壽命。上述數(shù)據(jù)將作為設(shè)備可靠性狀態(tài)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)模型建模方法

采用故障樹(shù)分析法（FTA）將設(shè)備故障形成的原因逐級(jí)演繹推理，確定故障模式基本類型，找到故障根本原因，獲取故障特征參數(shù)，建立設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。通過(guò)故障模式與影響分析（FMEA）對(duì)可能故障模式及所產(chǎn)生的影響與后果進(jìn)行分析，明確設(shè)備典型故障特征、故障閾值以及故障后的影響。將獲取的數(shù)據(jù)按照設(shè)備可靠性分析的結(jié)果劃分成安全性、經(jīng)濟(jì)性以及易損件殘余壽命3個(gè)維度，作為設(shè)備可靠性狀態(tài)評(píng)價(jià)的輸入指標(biāo)。設(shè)備可靠性狀態(tài)模糊綜合評(píng)價(jià)，就是將所有影響因素組成一個(gè)因素群，所有評(píng)價(jià)結(jié)果構(gòu)成一個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果群，評(píng)價(jià)結(jié)果與某些因素有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)把評(píng)價(jià)結(jié)果看作因素群的模糊子集時(shí)，可靠性狀態(tài)評(píng)價(jià)的問(wèn)題就是確定因素群集合中的元素隸屬于對(duì)應(yīng)模糊子集的程度大小問(wèn)題，用隸屬度來(lái)描述程度[11-12]。本方案將各維度狀態(tài)量分為數(shù)值型和布爾型，分別建立標(biāo)準(zhǔn)隸屬函數(shù)。利用轉(zhuǎn)化函數(shù)將測(cè)量值歸一化處理并對(duì)應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)隸屬函數(shù)中，從而求得狀態(tài)量的隸屬度。權(quán)重是各狀態(tài)量之間重要程度的數(shù)值量化，利用層次分析法量化狀態(tài)量之間的權(quán)重，先對(duì)設(shè)備的各組件進(jìn)行主特征參數(shù)評(píng)價(jià)，獲取各組件的可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果，再根據(jù)歷史故障檢修記錄擬合各組件的可靠性權(quán)重值，該權(quán)重選取方法可以有效解決傳統(tǒng)評(píng)價(jià)模型過(guò)度依賴專家經(jīng)驗(yàn)，較為主觀且難以量化的問(wèn)題。

2 應(yīng)用實(shí)例

華潤(rùn)電力徐州銅山項(xiàng)目公司#5、#6發(fā)電機(jī)組共有4臺(tái)蘇爾壽HPT400-390-6S/33A 型給水泵。從安全性、經(jīng)濟(jì)性、剩余壽命3個(gè)維度評(píng)價(jià)給水泵可靠性狀態(tài)，預(yù)警系統(tǒng)中的滲漏監(jiān)測(cè)及動(dòng)力監(jiān)測(cè)模型報(bào)警次數(shù)作為設(shè)備安全性指標(biāo)，預(yù)警系統(tǒng)中的性能監(jiān)測(cè)報(bào)警次數(shù)作為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，結(jié)合設(shè)備易損件可靠性曲線與檢修記錄計(jì)算設(shè)備殘余壽命。

2.1? 給水泵數(shù)據(jù)收集與處理

根據(jù)檢修記錄推算各給水泵運(yùn)行小時(shí)數(shù)，收集到給水泵檢修數(shù)據(jù)如表1所示。由于4臺(tái)給水泵檢修可靠度均為1，以上次檢修時(shí)間定義為設(shè)備投運(yùn)起點(diǎn)，以評(píng)價(jià)時(shí)間（2020-10-1610∶00）為設(shè)備運(yùn)行評(píng)價(jià)時(shí)間點(diǎn)，計(jì)算設(shè)備運(yùn)行時(shí)間（h ），如表1所示。

采用FMEA 將給水泵拆解為可維修單元，列舉出各組件及零部件的故障模式及特征參數(shù)，并將零件劃分為耐用件與易損件，對(duì)于易損件，統(tǒng)計(jì)得出平均壽命小時(shí)數(shù)，給水泵各組件壽命數(shù)據(jù)如表2所示?？梢钥闯鰴C(jī)械密封水系統(tǒng)及入口管道系統(tǒng)的濾網(wǎng)是易損件中壽命最短的，8760 h 就需要更換一次。但由于濾網(wǎng)更換工作可以在臨修、臨停以及大小修時(shí)進(jìn)行更換，因此濾網(wǎng)對(duì)給水泵整體壽命影響可以忽略，選取壽命第二短的芯包泵殼、軸套、導(dǎo)葉作為設(shè)備壽命，其額定壽命為52560 h。

2.2 給水泵可靠性狀態(tài)評(píng)價(jià)

提取表1中的設(shè)備運(yùn)行小時(shí)與表2中的設(shè)備額定壽命，計(jì)算設(shè)備的壽命百分比（壽命百分比=設(shè)備運(yùn)行小時(shí)/設(shè)備額定壽命），壽命百分比代表設(shè)備已用小時(shí)占設(shè)備壽命百分比，當(dāng)其達(dá)到100%時(shí)，說(shuō)明設(shè)備部件達(dá)到額定壽命，需要更換，繼續(xù)使用會(huì)存在損壞風(fēng)險(xiǎn)。統(tǒng)計(jì)4臺(tái)給水泵預(yù)警系統(tǒng)2020年7-8月動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)、泄漏監(jiān)測(cè)、性能監(jiān)測(cè)報(bào)警次數(shù)，結(jié)合設(shè)備壽命百分比，得到給水泵評(píng)價(jià)輸入信息表3。統(tǒng)計(jì)分析歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)與檢修記錄并結(jié)合預(yù)警模型的報(bào)警頻次采用回歸算法擬合出參考閾值，參考閾值是正常及注意狀態(tài)的區(qū)分閾值，設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)模型會(huì)根據(jù)參考閾值自動(dòng)生成狀態(tài)量評(píng)價(jià)隸屬函數(shù)。

2.3 給水泵可靠性狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

將表3中的給水泵動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)、泄漏監(jiān)測(cè)、性能監(jiān)測(cè)、壽命百分比輸入評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)結(jié)果如表4～7所示。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果得出如下結(jié)論：4臺(tái)給水泵總體均為正常，5 B 給水泵于8月26日操作凝結(jié)水泵時(shí)引起凝結(jié)水壓力波動(dòng)造成給水泵機(jī)械密封水參數(shù)波動(dòng)，屬于運(yùn)行操作引起的報(bào)警，導(dǎo)致5B 安全性能被注意，其余指標(biāo)均正常。6A 及6B 給水泵性能監(jiān)測(cè)注意隸屬度較高，達(dá)到49%，需要注意6A、6B 給水泵的經(jīng)濟(jì)性能，可結(jié)合設(shè)備殘余壽命合理安排檢修。6B給水泵易損件壽命損耗84%，建議優(yōu)先安排給水泵芯包大修。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)華潤(rùn)電力徐州銅山電廠設(shè)備可靠性管理的需求，介紹了設(shè)備可靠性狀態(tài)評(píng)價(jià)的整體技術(shù)方案，并以給水泵為例，詳細(xì)描述了數(shù)據(jù)融合與預(yù)處理的方法，從設(shè)備安全性、經(jīng)濟(jì)性以及殘余壽命3個(gè)維度建立設(shè)備可靠性狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用基于隸屬函數(shù)與權(quán)重層次分析法的可靠性評(píng)價(jià)模型對(duì)4臺(tái)給水泵設(shè)備進(jìn)行了評(píng)價(jià)與結(jié)果分析。該應(yīng)用實(shí)例充分證明了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型、威布爾分布統(tǒng)計(jì)模型以及模糊綜合評(píng)價(jià)模型在設(shè)備可靠性狀態(tài)評(píng)價(jià)中的實(shí)用性，克服了以往通過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)備可靠性定性分析的諸多弊端，具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫建鋒，葛睿，鄭力，等.2010年國(guó)家電網(wǎng)安全運(yùn)行情況分析[ J ].中國(guó)電力，2011，44（5）：1-4.

[2]馬珂，王軼禹，董昱.2009年國(guó)家電網(wǎng)安全運(yùn)行情況分析[ J ].中國(guó)電力，2010，43（11）：1-4.

[3]羅治強(qiáng)，董昱，胡超凡.2008年國(guó)家電網(wǎng)安全運(yùn)行情況分析[ J ].中國(guó)電力，2009，42（5）：8-12.

[4]趙曄，羅治強(qiáng)，趙玉柱.2007年國(guó)家電網(wǎng)安全運(yùn)行情況分析[ J ].中國(guó)電力，2008（5）：65-69.

[5]劉曉燕.基于全壽命周期管理的電力設(shè)備狀態(tài)檢修成本研究[ J ].江蘇電機(jī)工程，2016，35（5）：74-76.

[6]李鴻雁.全壽命周期成本在國(guó)家電網(wǎng)公司招標(biāo)管理中的應(yīng)用研究[D ].北京：華北電力大學(xué)，2012.

[7]鄭含博.電力變壓器狀態(tài)評(píng)估及故障診斷方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[8]武中利.電力變壓器故障診斷方法研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2013.

[9]齊振忠.多信息融合的變壓器實(shí)時(shí)狀態(tài)評(píng)估[J].高壓電器，2012，48（1）：95-100.

[10]段美春，陳建華.風(fēng)險(xiǎn)矩陣在維修策略制定和優(yōu)化中的應(yīng)用[ J ].機(jī)電工程技術(shù)，2021，50（2）：199-202.

[11]劉俊華，羅隆福，張志文，等.電力變壓器灰色關(guān)聯(lián)故障診斷模型的組合權(quán)重法[J].高壓電器，2012，48（1）：90-94.

[12]田松峰，鐵成梁，栗國(guó)鴻，等.模糊綜合評(píng)判法在電廠點(diǎn)檢系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電力科學(xué)與工程，2019，35（2）：63-70.

第一作者簡(jiǎn)介：陳建華（1979-），男，河北衡水人，碩士，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橹腔郯l(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)，已發(fā)表論文10余篇。

（編輯：刁少華）