水電主設備狀態評價建模關鍵技術研究

潘偉峰，麻志成，朱傳古

水電主設備狀態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（國網電力科學研究院），江蘇 南京 210003）

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

狀態檢修；決策評估；狀態監測；設備管理對象；狀態評價

1　引言

由于缺乏可靠的水電主設備狀態評價技術支撐，傳統水電廠采用“計劃檢修”或“事后檢修”的主設備檢修模式，無法根據設備健康狀態適時開展檢修，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，造成電力安全生產重大隱患。

水電主設備狀態檢修決策支持系統[1]可提供反映電站各主要設備狀態分析、診斷、評估結果的綜合報告，根據各主要設備狀態量的數值和變化趨勢，對各主要設備進行診斷分析、狀態評價和狀態評估，并最終得出設備的狀態評價、風險評估[2]、趨勢分析、故障診斷及維修決策結果，對設備當前的健康狀態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，對正常狀態的設備提供延遲維修的建議，對異常狀態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，為設備定修向狀態檢修的過渡提供全面技術支撐。

2　水電主設備狀態檢修決策支持系統狀態評價功能需求特性分析

2.1水電主設備狀態檢修技術系統組成

水電主設備狀態檢修立足建立水電站統一的設備狀態監測檢修決策信息平臺，采用狀態檢修輔助決策模式，構筑設備狀態主題數據中心，通過平臺共享的數據匯總及存儲接口，充分運用分析診斷專家系統、可靠性檢修策略等高級應用算法及模型實現全站運行設備狀態數據的聯合歷史趨勢分析及故障診斷等高級功能，通過狀態檢修決策評估實現對設備健康狀態的分析、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。其完整技術系統包括：設備狀態監測系統（含機組和變電設備）、狀態檢修決策支持系統、故障診斷專家系統、以及狀態檢修生產管理系統，如圖1所示。其中設備狀態監測系統及狀態檢修決策支持系統為設備狀態檢修兩大關鍵技術系統。

圖1　設備狀態檢修完整技術系統組成

（1）設備狀態監測系統

設備的狀態監測是實施狀態檢修的基礎，通過對設備狀態監測信息的收集和科學有效的管理與運用，為狀態檢修決策評估提供關鍵數據來源。

（2）狀態檢修決策支持系統

實現狀態檢修的關鍵是根據設備的狀態來決定何時修，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（DecisionSupportSystem）來支撐其決定。

2.2水電主設備狀態檢修決策支持系統狀態評價模

塊設計

水電主設備狀態檢修決策支持系統主要包括8大功能模塊：數據獲取、數據處理、監測預警、狀態分析、狀態診斷、狀態評價、狀態預測、風險評估及決策建議，其軟件業務框架如圖2所示。

圖2　水電設備狀態檢修決策支持系統軟件業務框架

系統狀態評價模塊依據發變電設備狀態特征量和狀態評價相關導則標準，對反映設備健康狀態的各指標項數據進行分析評價，并最終得出設備總體健康狀態等級，模塊功能簡圖如圖3所示。

圖3　狀態評價模塊功能簡圖

狀態評價模塊需實現功能如下：

（1）維護設備評價標準

依據設備狀態評價標準，建立設備健康狀態評價算法模型。結合設備狀態量橫向（同類型設備）和縱向（歷史數據）比較結果，對影響設備各主要組成部件健康狀態的狀態量逐項評價，量化評價設備及其各部件健康狀態。

（2）評價部件和整體健康狀態

根據部件狀態評價結果，結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等級。

（3）評價信息查詢

查詢設備及各部件健康評價結果，并可詳細了解評價過程及各狀態量評價信息。

3　水電主設備狀態檢修決策支持系統狀態評價建模關鍵技術

3.1設備管理對象建模

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

水電機組主要由發電機、水輪機兩大類設備構成，設備又由各種部件組成。為方便系統對機組各設備部件的統一管理、數據關聯及診斷分析，應構建設備管理對象模型，有效管理設備信息。系統在構建設備管理模型時，應采用面向對象思想進行建模。

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）是對系統設備和信息參數分層次、分類別建立的樹狀模型，用于設備管理，其建立原則如下：

首先按系統將設備進行分類（如分成發電系統、變電系統等），再在每個系統中劃分大類（如：發電系統有一次設備、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設備模型樹的構建、設備與狀態量之間的關聯等功能：

（1）設備模型樹

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

（2）設備與狀態量關聯

在設備模型樹中，系統的每個設備對應設備模型樹的一個節點。通過設備模型樹的管理功能，將設備與狀態量進行關聯配置。對于在線監測系統采集的實時數據，通過映射，能夠成為評價相應設備的特征參數；對于離線數據，通過映射，也可以成為評價相應設備的特征參數。根據特征參數值，即可對設備的狀態進行評價。

3.2設備狀態檢修評價體系建模

系統設備狀態檢修評價體系建模主要研究面向對象的狀態檢修建模體系，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、表征設備健康狀態的參數及其評價體系，設備模型可靈活配置，設備庫可積累和復用，設備參數、業務類型可靈活擴展，便于業務邏輯組態及用戶級二次開發。

系統狀態評價模塊通過建立設備狀態評價模型，并依據系統知識庫和專家系統推理機，對反映設備健康狀態的各指標項數據進行分析評價，并最終得出設備總體健康狀態等級。

3.3設備狀態評價模型

設備上功能相對獨立的單元稱為部件。設備狀態評價模型由“設備－設備部件－部件狀態量－判斷依據”4層體系組成，其計算流程如下：搜集積累設備部件狀態量特征數據->計算部件狀態量值->評價部件健康狀態->評價設備健康狀態。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，每種狀態分別對應不同的設備維修策略。設備的狀態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果：當所有部件評價為正常狀態時，整體評價為正常狀態；當任一部件狀態為注意狀態、異常狀態或嚴重狀態時，整體評價應為其中最嚴重的狀態。

圖4　水電站設備管理對象分類圖

圖5　設備狀態評價模型示意圖

采用正向推理的設備狀態評價推理機模型如圖6所示。系統推理機解析加載知識庫規則，并根據知識庫中所引用的設備狀態量數據和判斷依據進行推理，從而得出設備及設備部件的當前狀態。系統知識庫規則提供了一個規則定義的統一界面和接口，用于狀態評價規則的定義和規則的解析。

圖6　設備狀態評價推理機模型

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

4　結語

水電主設備狀態檢修決策支持系統狀態評價建模主要包括設備管理對象建模和設備狀態檢修評價體系建模這兩大關鍵技術，以實現設備狀態檢修決策評估為目的，是基于設備管理模型實現系統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在線監測數據，水輪機、發電機、調速器、勵磁系統、輔助設備運行狀態參數等水電設備生產過程數據，與巡檢、試驗、缺陷、臺帳等生產管理信息數據進行統一融合，建立基于多元狀態量量化判斷依據的水電主設備狀態評價指標體系，是水電主設備狀態檢修決策支持系統實現的首要關鍵技術。

同時，水輪機、發電機等水電主設備狀態評價依據及其相應狀態檢修策略的確立將是一項長期艱巨的過程，需行業各方專家聯合研究確定。因此，深入研究水電機組狀態檢修策略、狀態檢修導則及相關標準體系，研究水電機組狀態檢修的標度，確定機組狀態評價的依據，建立設備狀態好壞的標準，并建立設備狀況標準庫，將是水電主設備狀態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.水電廠在線監測分析診斷與狀態檢修決策評估應用研究[J].水電自動化與大壩監測，2012，36 （05）：1.

[2]郭壁壘，李冰，常禹.基于狀態評價的水電廠設備風險評估系統[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監測與狀態檢修、水電廠自動化的運用研究工作。