基于水電廠監(jiān)控系統(tǒng)需求的輔助系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測分析

張龍浩 柳本林 佘 俊 莫 理 付恩狄

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司 西部檢修試驗(yàn)分公司，貴州 興義 562400）

在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的不斷開發(fā)之下，形成了海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這就在一定程度上給用戶監(jiān)測帶來了相當(dāng)大的困擾，不僅難以明確相關(guān)信息需求，而且缺乏有效的工具對用戶需求進(jìn)行準(zhǔn)確地表達(dá)。此外，為保障監(jiān)測質(zhì)量效果，還需要有效的信息數(shù)據(jù)處理和檢測分析方法的支持。

因此，加強(qiáng)對于水電廠輔助系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的分析和研究是十分有必要的。

1 水電廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測輔助系統(tǒng)研究的意義

結(jié)合當(dāng)前水電廠監(jiān)控系統(tǒng)需求，可通過在該輔助系統(tǒng)當(dāng)中引入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以此展開輔助系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的研究，該技術(shù)的合理應(yīng)用，不僅能夠使得系統(tǒng)狀態(tài)得到更真實(shí)的表達(dá)，并且還可以更加符合用戶日常設(shè)備監(jiān)測的習(xí)慣，進(jìn)一步保障設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的科學(xué)性、有效性以及便利性。除此之外，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在設(shè)備故障檢測當(dāng)中的應(yīng)用，還能夠提高設(shè)備狀態(tài)分析水平，幫助用戶高效識別設(shè)備可能存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患問題，并提前進(jìn)行告警。同時(shí)，還能夠結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)行狀態(tài)以及風(fēng)險(xiǎn)評估，并提供優(yōu)選檢修策略，為后續(xù)檢修維護(hù)工作提供良好的工作條件，提高檢修效率，延長設(shè)備使用壽命。此外，還能夠?yàn)樵O(shè)備健康穩(wěn)定的運(yùn)行以及后續(xù)設(shè)備管理相關(guān)決策提供可靠參考[1]。

2 輔助系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測相關(guān)分析

2.1 輔助系統(tǒng)主要框架

首先，需要根據(jù)當(dāng)前電力信息化平臺，充分了解水電廠運(yùn)行設(shè)備的實(shí)際工況以及運(yùn)行狀態(tài)；其次，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，針對相關(guān)數(shù)據(jù)信息的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行深入分析，研究相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)演變關(guān)系以及相應(yīng)發(fā)展趨勢；最后，結(jié)合水電廠監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際需求以及設(shè)備狀態(tài)評價(jià)結(jié)果，如壓油裝置、排水系統(tǒng)以及空壓機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)際情況，構(gòu)建輔助系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測相關(guān)模型，明確監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能，包括設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)告警、設(shè)備狀態(tài)的評價(jià)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評估以及智能優(yōu)選檢修策略的提供等。

2.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能分析

2.2.1 監(jiān)測預(yù)警

監(jiān)測預(yù)警功能實(shí)際上就是通過對設(shè)備歷史運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)中與評價(jià)特征量相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理和分析，明確設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中的動態(tài)發(fā)展規(guī)律，然后將其以可視化圖表的形式展示出來。再根據(jù)設(shè)備動態(tài)發(fā)展特征，結(jié)合相應(yīng)算法，明確設(shè)備狀態(tài)動態(tài)閥值范圍，作為后續(xù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的主要參考。最后，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)存在超過閥值范圍的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就會自動發(fā)出相應(yīng)告警。

2.2.2 狀態(tài)評價(jià)

狀態(tài)評價(jià)功能主要是結(jié)合設(shè)備狀態(tài)歷史運(yùn)行過程中相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，針對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)變化特點(diǎn)以及相關(guān)趨勢進(jìn)行深入分析，然后使用各種圖表將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況以可視化形式展示出來，以此輔助用戶進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的評價(jià)，了解設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況。除此之外，輔助系統(tǒng)還需要根據(jù)設(shè)備狀態(tài)特征相關(guān)參數(shù)以及相應(yīng)評價(jià)規(guī)則，對設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評分，以此幫助用戶能夠更加直觀地明確設(shè)備狀態(tài)。最后，還需要結(jié)合設(shè)備健康評價(jià)相關(guān)導(dǎo)則以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評分，對設(shè)備的健康情況進(jìn)行等級劃分。

2.2.3 風(fēng)險(xiǎn)評估

風(fēng)險(xiǎn)評估功能是根據(jù)評價(jià)導(dǎo)則以及設(shè)備管理相關(guān)規(guī)定，針對設(shè)備運(yùn)行過程中可能存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)和隱患問題進(jìn)行識別，分析風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，并對可能引發(fā)的損失進(jìn)行評估。在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估功能設(shè)計(jì)的過程中，需要事先明確風(fēng)險(xiǎn)評估的要素以及相關(guān)規(guī)則，并根據(jù)設(shè)備運(yùn)行規(guī)律，設(shè)置狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值，以及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)等級，為后續(xù)設(shè)備的檢修決策提供可靠支持。

2.2.4 檢修策略建議

檢修策略建議是輔助系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測當(dāng)中的重要功能，能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作人員提供最優(yōu)的檢修策略和建議，對于進(jìn)一步提高設(shè)備檢修的效率、質(zhì)量以及可靠性有著重要的作用。在實(shí)際進(jìn)行系統(tǒng)檢修策略功能構(gòu)建的過程中，應(yīng)事先將壓油設(shè)備、排水系統(tǒng)以及空壓機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備的各種檢修方案導(dǎo)入到系統(tǒng)當(dāng)中，以此形成設(shè)備檢修方案庫，為后續(xù)智能檢修策略建議提供基礎(chǔ)條件以及相應(yīng)選擇空間。除此之外，在實(shí)際進(jìn)行設(shè)備檢修的過程中，可能存在檢修策略當(dāng)中涉及到多種因素以及多決策者的情況，對此需要采用模糊多屬性決策等相關(guān)方式，構(gòu)建檢修策略庫，以此確保后續(xù)檢修決策方案的科學(xué)性、合理性。

2.3 系統(tǒng)管理分析

輔助系統(tǒng)管理功能主要通過系統(tǒng)控制臺實(shí)現(xiàn)，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的目的和相關(guān)操作要求，系統(tǒng)管理的內(nèi)容包括人員與組織管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)配置管理、任務(wù)監(jiān)控、服務(wù)監(jiān)控、操作日志等相關(guān)管理功能。

2.4 數(shù)據(jù)集成分析

為保障系統(tǒng)運(yùn)行的順利性以及流暢性，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)集成處理。結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際功能以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測目標(biāo)，數(shù)據(jù)集成主要包括以下三個(gè)部分：第一，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（SCADA）數(shù)據(jù)接入，以此獲取計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備實(shí)時(shí)開關(guān)量、模擬量等數(shù)據(jù)；第二，數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺接入，主要目的是能夠獲得設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)；第三，為生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入，其主要目的是為了獲得數(shù)據(jù)生產(chǎn)管理系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)備運(yùn)維歷史等相關(guān)數(shù)據(jù)信息[2]。

2.5 信號采集傳感器

結(jié)合設(shè)備監(jiān)測輔助系統(tǒng)的實(shí)際功能需求，需要在原有系統(tǒng)之上新增相應(yīng)信號采集傳感器，以此實(shí)現(xiàn)輔助系統(tǒng)設(shè)備的智能監(jiān)測。由于不同輔助設(shè)備的功能以及狀態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目不同，因此需要新增的傳感器類別也存在一定差異，不同設(shè)備所需要的傳感器詳細(xì)情況如表1 所示。

表1 新增的傳感器清單

3 水電設(shè)備的檢測和故障檢測方法論述

3.1 故障檢測方法

檢測設(shè)備狀態(tài)是對設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行全方位地分析，在此基礎(chǔ)上再度確定優(yōu)化及維護(hù)系統(tǒng)需要的狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)再安置對應(yīng)的采集數(shù)據(jù)用的設(shè)備，借助人工及自動化的手段最終獲取到設(shè)備運(yùn)行過程中與系統(tǒng)健康相關(guān)的信息。對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化維護(hù)時(shí)最基礎(chǔ)的工作就是檢測設(shè)備的狀態(tài)，并且此環(huán)節(jié)會直接對故障檢修及分析過程中生成數(shù)據(jù)的精確度起到影響作用。

在電力系統(tǒng)擴(kuò)充并高效發(fā)展的過程中，一連串的高參數(shù)以及大容量的機(jī)組、技術(shù)、設(shè)備都相繼投入了應(yīng)用，此時(shí)輸電站機(jī)組的運(yùn)行狀況變得復(fù)雜化，同時(shí)數(shù)據(jù)也快速增長。對于傳統(tǒng)的表達(dá)方式而言，例如數(shù)據(jù)顯示、窗口畫面切換、大屏幕顯示等，均可以正確地描述出機(jī)組狀態(tài)，然而其檢測內(nèi)容獨(dú)立性卻很強(qiáng)，且表達(dá)方式極為抽象，一系列檢測方式對運(yùn)行工作人員提出的要求是必須要比較深入地了解整體工作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理等。與此同時(shí)，由于實(shí)際監(jiān)測過程中比較容易受到主觀思維的影響，并且還會一定程度上影響到系統(tǒng)的可靠性，機(jī)組分析的方法及其檢測方式很難符合實(shí)際要求。因此，時(shí)下對機(jī)組設(shè)備的檢測分析工作提出的最基本的要求便是逼真且形象。

鑒于設(shè)備本身的復(fù)雜性影響的緣故，在分析故障檢測的過程中需要融入更多的智能化手段，且對于狀態(tài)檢測技術(shù)的要求也應(yīng)該滿足前述條件。為使故障技術(shù)診斷與復(fù)雜設(shè)備狀態(tài)的評估技術(shù)門檻有效降低，對此要求必須要提供一個(gè)智能化的檢測分析輔助工具[3]。

3.2 故障檢測技術(shù)

對于設(shè)備故障檢測技術(shù)而言，其不僅能夠保證設(shè)備正常工作，而且能降低發(fā)生安全事故的概率，同時(shí)也能參與到設(shè)備維修中，有效延長設(shè)備的使用壽命，在此過程中能獲得更高的社會和經(jīng)濟(jì)收益。然而，設(shè)備故障檢測技術(shù)同樣也可作為檢測設(shè)備的一種參數(shù)，以能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)的異常情況，并且及時(shí)分析設(shè)備故障發(fā)生的原因，找到故障源頭，繼而綜合相關(guān)分析技術(shù)最終預(yù)測設(shè)備狀態(tài)發(fā)展過程中的故障診斷技術(shù)。另外，故障檢測技術(shù)又具備一定的綜合性，且該技術(shù)涉及到的科學(xué)領(lǐng)域比較多，包括信號識別與處理模式、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)等等。歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，故障診斷及檢測技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐的方法可以分為以下幾種：

3.2.1 直接故障檢測法

該技術(shù)方法也被劃分為兩種類型：一種是直接性分析并檢測狀態(tài)數(shù)據(jù)，借助比較對閾值來直接測得故障；另外一種則是在檢測故障的過程中表現(xiàn)出來的化學(xué)現(xiàn)象或物理現(xiàn)象，比如聲音、振動、壓力和溫度等，運(yùn)用這些因素來分析故障發(fā)生的原因。基本上此減壓法成本比較低且使用起來方便快捷，可以將其具體應(yīng)用于設(shè)備快速或?qū)崟r(shí)的故障檢測過程中，但是經(jīng)檢測得到的結(jié)果往往是根據(jù)設(shè)備故障的嚴(yán)重程度來體現(xiàn)的，所以這些信息存在一定的滯后性。

3.2.2 故障征兆檢測的方法

檢測設(shè)備故障時(shí)依據(jù)其故障發(fā)生前的征兆來判斷也是最常使用的一種檢測手段。例如，針對水電機(jī)組大軸穩(wěn)定系統(tǒng)而言，其能夠體現(xiàn)出故障問題最顯著的征兆便是振動與頻譜。這就是系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型校驗(yàn)法，即基于模型進(jìn)行比對，以實(shí)際明確設(shè)備是否存在異常情況判斷故障。這種方法多被應(yīng)用于設(shè)備的再現(xiàn)故障檢測中，往往很難在檢測設(shè)備故障時(shí)建立形成相應(yīng)的待檢設(shè)備的數(shù)學(xué)模型。此外，因?yàn)樵撓到y(tǒng)建模時(shí)存在誤差或者騷動、噪聲等重點(diǎn)突出系統(tǒng)問題，因此此方法會受到條件限制。

3.2.3 智能故障的檢測方法

基于傳統(tǒng)的檢測方法結(jié)合人工智能和部分現(xiàn)代化的理論方法來檢測故障即技能故障檢測。這種檢測方法采取的方式較多，其中最具代表性的為：小波變換檢測方法、基于專家系統(tǒng)的設(shè)備故障檢測方法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障檢測方法等。

部分設(shè)備雖然表現(xiàn)出故障類型多元化，但隨著故障檢測技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)化，其技術(shù)實(shí)操過程中涉及到的概念、方法或者理論也開始逐漸朝著融合集成、學(xué)科交叉、自行完善等各方面不斷深化和演進(jìn)[4]。

4 結(jié)語

綜上所述，基于水電廠監(jiān)控系統(tǒng)需求的輔助系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測對于水電廠運(yùn)行的可靠性以及穩(wěn)定性有著直接影響，根據(jù)水電廠監(jiān)控需求以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測目標(biāo)，該輔助系統(tǒng)主要包括監(jiān)測預(yù)警、狀態(tài)評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評估以及檢修策略建議等主要功能。相信，隨著對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測輔助系統(tǒng)的深入研究和實(shí)踐探索，水電廠的監(jiān)控水平以及運(yùn)行穩(wěn)定性將會得到進(jìn)一步提升。