基于OSA-CBM體系的發電廠狀態檢修系統研究

郭 榮，張 強，陳榮澤，陳家穎

（上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 201100）

0 引言

狀態檢修（Condition Based Maintenance，CBM）也稱預測性維護，是指根據先進的狀態監測和診斷技術提供的設備狀態信息，判斷設備的異常，預知設備的故障，在故障發生前進行檢修的方式。實現設備的全方位、全生命周期管理，有效提高設備可靠性和壽命，實現狀態檢修成為智能電廠十大建設目標之一[1]，是業界公認的電廠降本增效、高效和智能化運營的重要工具和平臺。

在高比例消納可再生能源的背景下，火電機組參與到深度調峰往往導致較大的設備磨損和壽命損耗，以及較高的單位裝機檢修費用，同時也威脅到了燃煤機組的運行安全性和可靠性。火電企業迫切需要采用狀態檢修技術，希望在改善設備健康程度和降低單位千瓦檢修費用上同步取得明顯成效，提高企業在不斷放開的電力市場上的競爭力。

目前，國內一些專家學者和研究人員已對OSA-CBM開放體系架構狀態檢修系統的概念、結構、體系及應用做了一定探索和實踐[2-6]，尚無面向發電領域應用的狀態檢修開放體系研究，本文在分析當前發電企業狀態檢修應用現狀及問題的基礎上，提出了發電廠狀態檢修開放系統架構，并分析了該架構體系在發電行業的應用優勢。

1 發電企業狀態檢修現狀

1.1 發電廠設備檢修方式

據統計2018 年全國火電發電量4.92 萬億千瓦時，仍約占全國全口徑發電量的70%。但由于國內煤電企業采購成本居高不下和燃煤發電機組利用小時持續偏低，煤電企業經營壓力仍然很大，2018 年全國近50%的火電企業虧損。所以，如何更科學地管理好發電設備，保證電廠安全生產，優化檢修費用和提升煤電經濟性，已成為擺在煤電企業面前不容回避的問題。

在傳統的檢修方式下，人力、物力以及財力都有巨大的浪費，雖然保證了發電設備的穩定性，但是經濟性卻無法保證。當前電力行業市場化程度的提高，導致發電企業對于檢修費用上漲壓力越來越敏感，更促使發電設備的檢修不僅能夠保證電力生產的穩定性和安全性，同時還能兼顧檢修費用的經濟性。

狀態檢修的目的是在不影響設備正常運行或盡量減少影響的前提下，通過在線精確測量得到發電設備相關技術參數，經過狀態檢修專家系統的分析，提煉出設備發生故障時的早期征兆和特征，對設備發生故障時的故障點、故障深度以及發生故障的發展趨勢做出準確的判斷，指導檢修計劃的制定，使得設備能夠得到更好的維修以及保養。做到最大限度地減少因為檢修造成的停電時間，延長設備的使用壽命，降低設備的維修和修復的成本，從而做到“應修必修、修必修好”。

1.2 狀態檢修實施的經濟效益與問題分析

實施狀態檢修的經濟效益非常明顯，美國國防部相關獨立調查數據顯示，狀態檢修可以減少25%～30%的檢修費用，減少35%～45%的設備停運時間，實現高達10 倍的投資回報率[7]。西門子在美國紐約某675 MW 燃煤電廠實施狀態檢修后[8]，年度維修費用節約200 萬美元，年度運行相關費用節約120 萬美元，常備備品減少34.7 萬美元。

圖1 OSA-CBM功能模塊Fig.1 OSA-CBM Functional module

狀態檢修作為一項重要技術，國內各大發電集團均有試點布局，但由于發電設備狀態檢修技術涉及傳感器、計算機、人工智能等眾多學科，發電企業作為狀態檢修系統用戶很難進行專業的集成和維護，很多專門從事狀態檢修技術開發的科研院所、各大公司紛紛推出了自己的產品和服務。這些產品功能單一、價格偏貴、互不兼容，并不能很好地解決設備維護問題。同時，封閉的系統模式限制了技術應用和發展，市場壟斷給發電企業用戶帶來了巨大的經濟負擔，限制了狀態檢修技術的推廣，很多工廠沒有能力購買先進的狀態檢修系統，依然沿用落后的維護技術，很多可以避免的生產故障不時發生，給發電企業造成了巨大的經濟損失。市場迫切需要一套在開放系統的環境下，可以用不同廠家的產品作為組成部件來構成系統，滿足在不同廠家生產的相同功能的產品間互換的規范與準則。

2 OSA-CBM狀態檢修體系概述

狀態檢修系統開放體系架構（Open System Architecture for CBM，OSA-CBM），是由美國海軍提供部分資助，波音、卡特彼勒、羅克韋爾等公司聯合組建的工業小組制定的一套促進狀態檢修系統的信息流動的標準結構和框架。

OSA-CBM 描述了建立狀態檢修系統的六大功能塊，如圖1 所示，以及這些模塊之間的接口。該標準提供了集成多種不同的軟件組件的方法，并通過指定組件之間的輸入和輸出來簡化流程。簡單地說，它描述了一個用于狀態檢修的標準化信息傳遞系統：

1）數據采集層（Data Acquisition Layer）。數據采集層經過校準的數字傳感器連接現場進行數據采集，該層為狀態檢修系統提供了訪問數字傳感器數據的接口。

2）數據操作層（Data Manipulation Layer）。數據操作層的輸出包括過濾后的傳感器數據、頻譜等其它特征量。該層接受來自數據采集層或其他信號處理模塊的信號和數據，使用專門的特征提取算法進行單個或多個信道的信號轉換。

3）狀態檢測層（State Detection Layer）。狀態檢測層接受來自數據采集層、數據操作層和其它狀態監測層的數據，主要作用是將特征值與期望值或運行閾值進行比較，輸出到狀態指示器上，也可以根據事先規定的閾值發出警報。

圖2 OSA-CBM層次體系結構擴展Fig.2 OSA-CBM Hierarchical architecture expansion

4）健康評估層（Health Assessment Layer）。健康評估層接受來自不同的狀態檢測器或其它健康評估模塊的數據，當被監測的系統、子系統或設備部件劣化時，確定它們是否健康，并對故障狀態提出具有一定置信度的建議。

5）預測評估層（Prognostics Assessment Layer）。預測評估層根據設備當前的健康狀態預測設備未來的健康狀態，或估計在給定計劃使用剖面下的設備剩余使用壽命（RUL，Residual Useful Life ）。

6）建議生成層（Advisory Generation Layer）。建議生成層接受來自健康評估層和預測評估層的數據，給出活動建議和方案選擇，包括相關的維修活動時間表。

基于OSA-CBM 技術體系，ISO13744 描述了所有層次模塊之間的相互作用，以及與終端或其他軟件系統相互作用的外部模塊，擴展了表達模塊，用于各層次模塊的技術顯示和信息表示，如圖2 所示。而且顯示健康評估、預測評估或決策支持建議以及報警的人機界面，具備報告異常狀態將在什么時間出現的能力。另外還增設了接口模塊，用于外部系統、數據存儲和模塊的外部接口配置。

3 開放架構典型設計

圖3 發電廠狀態檢修系統開放體系架構Fig.3 Open system architecture of power plant condition maintenance system

圖4 基于SPARK的大數據運算框架集成Fig.4 Integration of big data computing framework based on SPARK

如圖3 所示為發電廠狀態檢修系統開放體系架構，根據OSA-CBM 規范，該體系架構的核心模塊分為六層：數據采集層（DA）、數據操作層（DM）、狀態檢測層（SD）、健康評估層（HA）、預測評估層（PA）、建議生成層（AG）。核心功能模塊通過外部接口模塊進行數據通訊，并在信息表達模塊終端進行顯示交互。

3.1 數據采集層

發電廠狀態檢修系統開放架構數據獲取層。一方面，通過外部接口模塊進行主輔機運行歷史數據、檢修數據、試驗數據、故障數據等多源異構數據集成以及基于Spark大數據框架的運算集成（如圖4 所示）；另一方面，還可以根據發電設備狀態檢修的具體需求，新增振動、局放、壓力、溫度、流量等關鍵測點，采用現場智能儀表/傳感器、現場總線等方式進行關鍵設備狀態的獲取。

3.2 數據操作層

在集成運算與數據的基礎上，數據操作層實現從數據獲取層中抽取數據，轉換數據質量，保證數據一致性。通過數據清洗、數據探索、數據降維、頻譜分析、特征工程等方法，完成發電廠關鍵設備數據特征挖掘；采用并行ETL、并行多維分析、并行數據挖掘算法等邊緣計算和云計算技術進行數據處理，實施FT-stream 動態數據挖掘算法，實現火電廠主輔機設備歷史故障信息的關聯挖掘，最終實現支持狀態檢修及決策支持的目的。

表1 關鍵參數分級表Table 1 Classification table of key parameters

3.3 狀態檢測層

發電廠狀態檢修系統狀態檢測層除了對關鍵設備狀態信號進行閾值判斷外，還采用了主成分分析（PCA）、支持向量機（SVR）、人工神經網絡（ANN）等機器學習模型進行狀態回歸與分類，通過人工智能預警算法對設備狀態進行有效判斷和預測。

3.4 健康評估層

發電設備健康狀態評估根據其故障和劣化趨勢將設備健康狀態分為4 種：正常狀態、注意狀態、異常狀態和嚴重狀態。通過引入分級評分的機制，以國家和行業安全標準、企業安全生產規范以及專家經驗等知識為依據，根據設備參數重要程度分級和劣化程度分級，將設備的4 種健康狀態進行評估。

1）參數重要程度分級

將發電設備的關鍵參數按照其對發電機運行狀態的重要程度分為4 個級別，對應的重要程度值為1 ～4 分，重要程度越大，重要程度值越高。表1 為關鍵參數分級表。

2）狀態劣化程度評分

將關鍵參數所反映的設備狀態劣化程度或者故障嚴重程度進行4 個程度的評分，為了將設備狀態進行區分，按照劣化程度將取劣化程度值分別為2、4、8 和10，劣化程度值越高，劣化程度越大。表2 為狀態劣化程度評分表。

3.5 預測評估層

發電設備預測評估是通過設備健康狀態，需要確定設備是否需要修理以及需要在多久之后修理：機組設備處于正常狀態，則保持運行；處于注意狀態時也無需修理，但是需要加強對設備的監測，跟蹤并分析注意狀態的原因，采取必要的預防措施；處于異常狀態則需要根據其產生原因，采取針對性的措施，適時安排檢修；對于嚴重狀態，需要盡快安排檢修或者立即停機，以防止更惡劣的情況發生。

表2 狀態劣化程度評分表Table 2 Deterioration degree score table

3.6 建議生成層

當發電設備狀態由正常或注意狀態轉為異常或嚴重時，狀態檢修平臺會觸發一個事件流程并發出警示，提醒點檢人員核實。事件經核實不是由于測點異常等因素造成的誤報，開始事件處理流程，若為誤報則該事件由點檢人員手動取消，事件結束，否則給出相關的維修活動時間表。事件處理流程充分考慮電廠用戶的角色職能權限劃分，使狀態檢修事件處理與角色職能權限相匹配，在不同層級的用戶間傳遞，直至事件關閉，形成閉環。

3.7 信息表達模塊

狀態檢修本身不僅僅是設備管理部門的職責，而是一種全員參與的生產維修方式，因此發電廠狀態檢修系統開放架構模型借助信息表達模塊實現與電廠運行、管理、試驗等多部門的充分互動，并形成一體化應用的優勢。例如，發電廠狀態檢修系統不僅向設備維護人員提供檢修建議，還可以向運行人員提供運行參考，對故障或缺陷進行提前主動干預；狀態檢修系統通過互聯ERP 等管理系統，自動生成檢修料單。

3.8 外部接口模塊

發電廠狀態檢修系統通過OPC、IEC61850 等實時接口對發電廠及其電氣系統的運行數據進行獲取；利用表結構或Comtrade 接口連接故障錄波等高頻瞬態關鍵機組波形數據記錄；對于主、輔機大量的運行、檢修、試驗等文件非結構化數據，采用數據流/數據塊統一接口進行讀取；打通MIS、ERP、巡點檢等信息管理系統的關系數據庫接口，為發電廠狀態檢修系統開放架構一體化應用創造條件。

4 應用分析

OSA-CBM 規范定義了一種在狀態檢修系統中移動信息的標準體系結構。更深入地研究揭示了一種狀態檢修領域降低成本、提高互操作性、增加競爭、整合設計變更與進一步協作的方法。層次不同的技術模塊使狀態檢修結構層次化、組件化。不同的研究機構和公司可以發揮在各自領域的專業技術優勢，充分實現技術整合，共同推進狀態檢修技術在企業的發展，該技術應用于發電行業主要有如下優勢：

1）成本。OSA-CBM 可以幫助企業節省大量成本，因為系統集成商和供應商將不必花費時間創建新的或專有的體系結構。節省也將來自于沒有能力開發整個狀態檢修系統的單個供應商。由于標準被分解為功能組件，多個供應商可以競爭開發選定的功能塊，從而降低狀態檢修系統的集成成本。

2）專業。當供應商不受限制地提供整個狀態檢修系統時，他們可以集中在一個或幾個領域。專業化的增加將有助于開發更好的算法和技術，不能提供整個CBM 系統的小公司現在可以專門生產一個或多個功能塊。

3）競爭。OSA-CBM 允許所有供應商使用相同的輸入和輸出接口。將功能與信息實現分離，競爭現在可以發生在功能層面，而不是系統或整體解決方案層面。

4）合作。不僅可以增加競爭，合作也可以增加。將狀態檢修系統分割成單獨的獨立塊，將使多個供應商能夠在不同的模塊上進行每一項工作并密切合作。由于標準還定義了接口，如果使用相同的技術開發，每個模塊將能夠與其他模塊無縫地通信。

5 結論

發電廠設備狀態檢修系統開放架構以及帶來的模塊間互操作性是未來狀態檢修關鍵技術創新和應用的關鍵，通過制定一系列供應商中立的接口、服務和協議規范，在狀態檢修系統開放架構的環境下，可以用不同廠家的產品作為組件進行系統集成，也可以在不同供應商的相同功能的產品間進行互換，為發電廠采用多家產品集成系統以及系統的維護帶來極大方便，也有利于發電廠狀態檢修產業向組件化、專業化發展。有助于打破市場壟斷，促進技術與產品的發展，形成發電廠狀態檢修數字生態與企業聯盟。