水电主设备状态评价建模关键技术研究

潘伟峰，麻志成，朱传古

水电主设备状态评价建模关键技术研究

潘伟峰，麻志成，朱传古

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏 南京 210003）

设备状态评价建模指标体系的建立用来实现基于设备管理的设备状态检修决策评估。本文在阐述水电主设备状态检修技术系统组成及状态检修决策支持系统状态评价功能需求特性分析的基础上，重点探讨设备状态评价体系建模这一关键技术，为相关水电主设备状态检修决策评估系统的研制及应用阐明了清晰的技术路径。

状态检修；决策评估；状态监测；设备管理对象；状态评价

1　引言

由于缺乏可靠的水电主设备状态评价技术支撑，传统水电厂采用“计划检修”或“事后检修”的主设备检修模式，无法根据设备健康状态适时开展检修，通常会导致水电主设备过度维修，影响其运行性能，有时亦导致机组状况劣化时未及时维修，造成电力安全生产重大隐患。

水电主设备状态检修决策支持系统[1]可提供反映电站各主要设备状态分析、诊断、评估结果的综合报告，根据各主要设备状态量的数值和变化趋势，对各主要设备进行诊断分析、状态评价和状态评估，并最终得出设备的状态评价、风险评估[2]、趋势分析、故障诊断及维修决策结果，对设备当前的健康状态进行多维度在线量化评估，从而构建满足于电厂全寿命周期[3]资料管理体系的设备健康档案，对正常状态的设备提供延迟维修的建议，对异常状态的设备提供针对性的及时检修及缺陷处理策略，为水电设备检修建议及设备检修维护计划的制定提供决策支持，最大限度地改善水电主设备检修过度和不足的问题，为设备定修向状态检修的过渡提供全面技术支撑。

2　水电主设备状态检修决策支持系统状态评价功能需求特性分析

2.1水电主设备状态检修技术系统组成

水电主设备状态检修立足建立水电站统一的设备状态监测检修决策信息平台，采用状态检修辅助决策模式，构筑设备状态主题数据中心，通过平台共享的数据汇总及存储接口，充分运用分析诊断专家系统、可靠性检修策略等高级应用算法及模型实现全站运行设备状态数据的联合历史趋势分析及故障诊断等高级功能，通过状态检修决策评估实现对设备健康状态的分析、诊断、评估、推理及预测，并在此基础之上制定科学合理的设备检修维护策略。其完整技术系统包括：设备状态监测系统（含机组和变电设备）、状态检修决策支持系统、故障诊断专家系统、以及状态检修生产管理系统，如图1所示。其中设备状态监测系统及状态检修决策支持系统为设备状态检修两大关键技术系统。

图1　设备状态检修完整技术系统组成

（1）设备状态监测系统

设备的状态监测是实施状态检修的基础，通过对设备状态监测信息的收集和科学有效的管理与运用，为状态检修决策评估提供关键数据来源。

（2）状态检修决策支持系统

实现状态检修的关键是根据设备的状态来决定何时修，修什么和如何修，显然，对于水电机组这样复杂的大型设备，仅依靠运行管理人员的知识、经验和直觉难以作出有效判断，这就需要一个完整、功能强大的决策支持系统（DecisionSupportSystem）来支撑其决定。

2.2水电主设备状态检修决策支持系统状态评价模

块设计

水电主设备状态检修决策支持系统主要包括8大功能模块：数据获取、数据处理、监测预警、状态分析、状态诊断、状态评价、状态预测、风险评估及决策建议，其软件业务框架如图2所示。

图2　水电设备状态检修决策支持系统软件业务框架

系统状态评价模块依据发变电设备状态特征量和状态评价相关导则标准，对反映设备健康状态的各指标项数据进行分析评价，并最终得出设备总体健康状态等级，模块功能简图如图3所示。

图3　状态评价模块功能简图

状态评价模块需实现功能如下：

（1）维护设备评价标准

依据设备状态评价标准，建立设备健康状态评价算法模型。结合设备状态量横向（同类型设备）和纵向（历史数据）比较结果，对影响设备各主要组成部件健康状态的状态量逐项评价，量化评价设备及其各部件健康状态。

（2）评价部件和整体健康状态

根据部件状态评价结果，结合其对设备整体功能影响程度，采用适当算法得出设备整体健康状态等级。

（3）评价信息查询

查询设备及各部件健康评价结果，并可详细了解评价过程及各状态量评价信息。

3　水电主设备状态检修决策支持系统状态评价建模关键技术

3.1设备管理对象建模

设备管理是设备开展状态检修的基本环节，水电主设备状态检修决策支持系统主要面向设备管理对象展开设备状态评价及其检修决策评估工作，系统首要任务：围绕设备健康状态评价要求展开设备对象建模。

水电机组主要由发电机、水轮机两大类设备构成，设备又由各种部件组成。为方便系统对机组各设备部件的统一管理、数据关联及诊断分析，应构建设备管理对象模型，有效管理设备信息。系统在构建设备管理模型时，应采用面向对象思想进行建模。

设备管理模型的构建包括设备模型定义、设备对象分类模型的建立及设备对象模型的管理。

设备对象分类模型（设备台帐模型）是对系统设备和信息参数分层次、分类别建立的树状模型，用于设备管理，其建立原则如下：

首先按系统将设备进行分类（如分成发电系统、变电系统等），再在每个系统中划分大类（如：发电系统有一次设备、二次设备、辅助设备等）。每个大类都由不同功能类型设备组成，同类型设备又细分为不同的结构类型。设备分类图可参考图4。

通过设备对象模型的管理可以实现设备模型树的构建、设备与状态量之间的关联等功能：

（1）设备模型树

根据设备模型定义及设备台账模型，构建系统中设备的关系结构模型及其相应设备模型树，根据设备在设备关系结构模型中的位置，对应在设备模型树中建立相应的节点。

（2）设备与状态量关联

在设备模型树中，系统的每个设备对应设备模型树的一个节点。通过设备模型树的管理功能，将设备与状态量进行关联配置。对于在线监测系统采集的实时数据，通过映射，能够成为评价相应设备的特征参数；对于离线数据，通过映射，也可以成为评价相应设备的特征参数。根据特征参数值，即可对设备的状态进行评价。

3.2设备状态检修评价体系建模

系统设备状态检修评价体系建模主要研究面向对象的状态检修建模体系，包括合理构建及划分适用于抽水蓄能电站的设备类型、设备部件、设备编码、表征设备健康状态的参数及其评价体系，设备模型可灵活配置，设备库可积累和复用，设备参数、业务类型可灵活扩展，便于业务逻辑组态及用户级二次开发。

系统状态评价模块通过建立设备状态评价模型，并依据系统知识库和专家系统推理机，对反映设备健康状态的各指标项数据进行分析评价，并最终得出设备总体健康状态等级。

3.3设备状态评价模型

设备上功能相对独立的单元称为部件。设备状态评价模型由“设备－设备部件－部件状态量－判断依据”4层体系组成，其计算流程如下：搜集积累设备部件状态量特征数据->计算部件状态量值->评价部件健康状态->评价设备健康状态。该模型将设备及其部件分为“正常、注意、异常、严重”这4个状态，每种状态分别对应不同的设备维修策略。设备的状态评价分为部件评价和整体评价两部分，设备整体评价综合其部件的评价结果：当所有部件评价为正常状态时，整体评价为正常状态；当任一部件状态为注意状态、异常状态或严重状态时，整体评价应为其中最严重的状态。

图4　水电站设备管理对象分类图

图5　设备状态评价模型示意图

采用正向推理的设备状态评价推理机模型如图6所示。系统推理机解析加载知识库规则，并根据知识库中所引用的设备状态量数据和判断依据进行推理，从而得出设备及设备部件的当前状态。系统知识库规则提供了一个规则定义的统一界面和接口，用于状态评价规则的定义和规则的解析。

图6　设备状态评价推理机模型

系统利用该模型构建电站的设备状态评价体系，结合具体设备状态评价导则可最终计算得出可量化的设备健康状态及其对应的检修策略，作为设备状态维修的决策依据。

4　结语

水电主设备状态检修决策支持系统状态评价建模主要包括设备管理对象建模和设备状态检修评价体系建模这两大关键技术，以实现设备状态检修决策评估为目的，是基于设备管理模型实现系统各功能模块的根本保证。

考虑水电设备应用特点，将振动、摆度、压力脉动、气隙、磁通量、局放、能量效率等水电机组状态在线监测数据，水轮机、发电机、调速器、励磁系统、辅助设备运行状态参数等水电设备生产过程数据，与巡检、试验、缺陷、台帐等生产管理信息数据进行统一融合，建立基于多元状态量量化判断依据的水电主设备状态评价指标体系，是水电主设备状态检修决策支持系统实现的首要关键技术。

同时，水轮机、发电机等水电主设备状态评价依据及其相应状态检修策略的确立将是一项长期艰巨的过程，需行业各方专家联合研究确定。因此，深入研究水电机组状态检修策略、状态检修导则及相关标准体系，研究水电机组状态检修的标度，确定机组状态评价的依据，建立设备状态好坏的标准，并建立设备状况标准库，将是水电主设备状态检修决策评估技术下一步的重点研究方向。

[1]潘伟峰，赵连辉，朱传古.水电厂在线监测分析诊断与状态检修决策评估应用研究[J].水电自动化与大坝监测，2012，36 （05）：1.

[2]郭壁垒，李冰，常禹.基于状态评价的水电厂设备风险评估系统[J].计算机应用，2013，33（S2）：105-107.

[3]高峰.葛洲坝水电站设备检修项目管理模块[J].水电自动化与大坝监测，2010（05）：31-33.

TV738

A

1672-5387（2016）08-0052-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.015

2016-06-29

潘伟峰（1977-），男，高级工程师，从事水电厂主设备状态监测与状态检修、水电厂自动化的运用研究工作。