水電廠主設備狀態檢修決策支持系統的設計與開發

潘偉峰，馬程程，朱傳古

（南瑞集團公司/國網電力科學研究院，江蘇省南京市 210003）

水電廠主設備狀態檢修決策支持系統的設計與開發

潘偉峰，馬程程，朱傳古

（南瑞集團公司/國網電力科學研究院，江蘇省南京市 210003）

本文首先介紹了水電廠主設備狀態檢修技術體系，闡述了水電廠主設備狀態檢修決策支持系統組成，提出了其系統結構、業務流程、軟件業務框架及軟件功能模塊實現，并以此為基礎重點探討了水電廠主設備狀態檢修決策支持系統所涉及的關鍵技術，為水電廠發變電主設備狀態檢修決策評估相關技術系統的設計開發及應用工作的開展提供了較為完整的技術實現思路。

全壽命周期管理；狀態檢修；決策支持系統；IEC 61850/ IEC 61970；狀態評價

0 引言

作為現代水電運維企業設備全壽命周期管理[1]制度實施的具體化要求及設備檢修管理技術創新的發展方向，水電廠主設備狀態檢修決策評估技術[2]是隨著現代化的計算機技術、網絡通信技術、人工智能技術及信息融合技術的飛速進步而發展起來的一門新興學科，通過獲取來自于機組在線監測系統、計算監控系統及生產管理信息系統的發電機、水輪機等設備臺賬數據、實時/歷史數據等反映機組健康狀態的特征參數，實現狀態信息的采集、特征計算、實時監測、故障錄波、性能試驗記錄及技術診斷，構筑機組狀態主題數據中心，實施機組全壽命周期管理，充分運用統一設備建模、歷史趨勢數據挖掘、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狀態評估、故障診斷及檢修決策，從而提高設備狀態監測管理的效率和效益，提高運行安全性及可靠性，提升電廠設備檢修管理及綜合生產管理集約化水平，減少設備非計劃停運檢修頻次，避免突發事故發生及防止設備出現過修、失修，為水電設備定修向狀態檢修過渡提供技術保證。

1 水電廠主設備狀態檢修技術體系

水電廠主設備狀態檢修[3]是一門涵蓋技術、管理等多專業多學科領域知識的設備檢修模式，本文僅重點探討其技術組成，不涉及其管理體系內容。以某智能化水電廠為例，基于一體化管控平臺[4]的水電廠狀態檢修技術組成包括：處于水電廠安全I區[4]的機組振擺保護系統、處于安全Ⅱ區的機組、變壓器、斷路器等主設備狀態監測與分析系統，處于安全Ⅲ區的狀態檢修決策支持系統，以及作為全廠狀態檢修重要數據來源之一的處于安全I區的計算機監控系統、進行設備檢修計劃及人員物資管理的處于安全Ⅲ區生產管理信息系統?？梢哉f，水電廠一體化管控平臺I、Ⅱ、Ⅲ區的數據中心及其數據傳輸總線為整個水電廠化狀態檢修各子系統的功能實現搭建了完整的高速數據公路及海量數據應用倉庫，系統上下層之間采用水電廠智能化IEC 61850[5]標準數據通信接口。其系統技術組成如圖1所示。

圖1 基于一體化管控平臺的水電廠狀態檢修技術組成Fig.1 Technology Composition of Condition Based Maintenance in Integrated Management and Control Platform of Hydropower Plant

2 水電廠主設備狀態檢修決策支持系統組成

2.1 系統結構

對于獨立設備的水電廠主設備狀態檢修決策支持系統，主要由數據服務器、應用服務器、接口服務器、維護工作站、中心交換機和網絡安全裝置等硬件設備組成，布置在安全Ⅲ區（生產管理區）。對于基于智能化水電廠一體化管控平臺高級應用組件的布置方式，系統的硬件設備可以與一體化管控平臺Ⅲ區的硬件進行合并統一。

系統網絡結構應滿足電監安全管理規定規范要求，可采用星形網絡（共享式以太網或交換式以太網）或以太網環形網絡結構（邏輯總線結構），其典型系統網絡結構如圖2所示。

圖2 水電廠主設備狀態檢修決策支持系統典型網絡結構Fig.2 Typical Network Structure of Condition Based Maintenance Decision Support System for Primary Equipments in Hydropower Plants

2.2 系統業務流程

系統的數據獲取、分析、處理和決策管理的業務流程如圖3所示。

圖3 水電廠主設備狀態檢修決策支持系統軟件業務流程Fig.3 Typical Software Operation Flow of Condition Based Maintenance Decision Support System for Primary Equipments in Hydropower Plants

2.3 系統軟件業務框架

水電機組狀態檢修決策支持系統軟件業務功能框圖如圖4所示。

一個完整的水電機組狀態檢修輔助決策系統功能模塊應包括：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。

圖4 狀態檢修輔助決策系統軟件業務框圖Fig.4 Software Functional Block Diagram of Condition Based Maintenance Decision Support System

系統通過數據服務總線技術實現對外部系統數據的訪問調用，并完成與監控系統、狀態監測系統、生產管理系統等其他外部系統的數據交互。

系統從生產管理信息系統獲取水電機組設備資產的基礎數據、運行巡視、檢試、缺陷、故障等數據，同時向生產管理信息系統提供機組狀態歷史數據、狀態監視預警信號、狀態評價結果、故障診斷結論及維修決策建議等信息；生成的狀態分析診斷報告可以作為機組健康檔案管理的一部分自動被生產管理系統等外部信息系統查閱調用，從而實現狀態檢修決策評估相關信息的有效互通互聯。

3 水電廠主設備狀態檢修決策支持系統功能

3.1 數據獲取及數據處理

數據獲取模塊為系統的輸入和外部接口模塊。依據狀態評價導則和設備相關規程，通過相關接口設計與配置，本模塊的主要任務是通過通信數據服務總線有效獲取生產管理系統、計算機監控系統或現地在線監測系統（裝置）中反映設備健康狀態指標的各類基礎數據、實時數據、人工檢查數據、試驗數據和其他數據，為進一步的數據處理與判斷提供完整的信息資源。

數據處理模塊是對數據獲取層獲得的分析對象原始數據，根據監測、分析診斷等業務需要進行必要的過濾、換算、組合等數據加工和處理過程，使其成為反映設備健康狀況的狀態量數據，以供監測預警和狀態評價使用。某電站典型系統狀態量數據獲取及處理展示界面見圖5。

圖5 某電站典型系統狀態量數據獲取及處理展示界面Fig.5 Typical State Variable Acquisition and Processing Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.2 監測預警

監測預警模塊實時監控狀態量指標變化，對于超出狀態評價導則和設備相關規程規定閾值范圍的劣化指標，根據不同的類別和等級及時向外部系統傳輸告警和預警信息，同時啟動設備狀態診斷模塊，輔助分析故障位置和原因。該功能模塊需和前端在線監測設備監測預警軟件功能進行協調管理，實現功能的同一化，同時需確定設備的相關故障診斷導則。某電站典型系統監測預警功能參考界面見圖6。

圖6 某電站典型系統監測預警功能參考界面Fig.6 Typical Monitoring and Early Warning Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.3 狀態分析

狀態分析模塊是對監測預警模塊判斷后，可采用狀態分析方法分析設備當前運行狀態，為隨時掌握設備健康狀況提供參考。某電站典型系統相關分析功能參考界面見圖7。

圖7 某電站典型系統相關分析功能參考界面Fig7.Typical Correlation Analysis Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.4 狀態診斷

狀態診斷模塊是對監測預警模塊發出預警信息或狀態評價結果表明健康狀態明顯下降（可靠性下降狀態、缺陷狀態、危急狀態）的設備，采用狀態診斷方法診斷設備可能存在的故障原因和故障部位，為故障處理或狀態恢復提供參考。某電站典型系統故障診斷功能參考界面見圖8。

圖8 某電站典型系統故障診斷功能參考界面Fig.8 Typical Fault Diagnosis Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.5 狀態評價

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。某電站典型系統狀態評價結果查詢參考界面見圖9。

圖9 某電站典型系統狀態評價結果查詢參考界面Fig.9 Typical State Evaluation Results Querying Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.6 狀態預測

狀態預測模塊利用設備當前和歷史狀態指標數據，采用時間序列算法對各類連續數據進行趨勢預測，預測和評價設備今后某一時期健康狀態發展趨勢，并得出將來狀態的評價結果。某電站典型系統狀態預測結果查詢參考界面見圖10。

圖10 某電站典型系統狀態預測結果查詢參考界面Fig.10 Typical State Prediction Results Querying Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.7 風險評估

風險評估模塊依據狀態評價導則和設備相關規程標準，通過識別設備潛在的內部缺陷和外部威脅，分析設備遭到失效威脅后的資產損失程度和威脅發生概率，通過風險評估模型得出設備的風險等級。某電站典型系統風險評估功能參考界面見圖11。

圖11 某電站典型系統風險評估功能參考界面Fig.11 Typical Risk Assessment Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.8 決策建議

決策建議模塊以設備狀態評價結果為基礎，綜合考慮風險評估結論，建立設備狀態和設備失效風險度二維關系模型，綜合優化水電機組檢修次序、檢修時間和檢修等級安排。并依據狀態檢修導則確立的分級維修標準，確定具體的檢修項目和檢修時間，最終將建議結果遞交設備管理人員或傳送到相關的外部生產管理系統實施安排。某電站典型系統決策建議報告查詢功能參考界面見圖12。

圖12 某電站典型系統決策建議報告查詢功能參考界面Fig.12 Typical Decision Suggesting Report Querying Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.9 其他功能

具有對系統搜集到的相關試驗數據進行分類管理的能力，具有高級功能的接口和處理能力，具有（第三方）二次數據挖掘等功能。某電站典型系統發電機試驗數據查詢及錄入功能參考界面見圖13。

4 系統關鍵技術

（1）水電機組狀態檢修評價體系建模技術。

系統需構建面向對象的設備狀態檢修建模體系，包括合理構建及劃分適用于水電廠的設備類型、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。

圖13 某電站典型系統發電機試驗數據查詢及錄入功能參考界面Fig.13 Typical Generator Experimental Data Querying and Inputting Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

（2）智能化變電站/水電廠自動化設備/系統標準數據通信技術。

系統應全面兼容智能化變電站自動化設備/系統數據通信標準協議及數據訪問接口，采用IEC 61850標準MMS協議實現與機組狀態監測系統的數據交互，采用IEC 61970標準的WebService協議實現與生產管理系統及計算機監控系統等其他第三方外部系統數據交互。

（3）水電機組故障診斷及專家輔助決策技術。

系統應研究基于專家系統、故障樹、案例診斷的水電機組故障診斷算法，基于D-S證據理論（Dempster/Shafer證據理論）的多元信息融合技術，融合專家系統法、故障樹法、基于案例診斷法三種診斷結果，形成最終診斷結論。

（4）水電設備狀態評價依據及狀態檢修策略研究。

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，充分調研國內外在發電設備診斷、檢修管理方面具有豐富經驗的研究機構、企業等，吸收世界上先進的設備故障診斷和檢修管理思想、方法和技術；研究水電機組狀態檢修的標度，確定水電機組狀態評價的依據，建立水電設備狀態好壞的標準，并建立設備狀況標準庫。

（5）基于可靠性的設備狀態評估及設備全壽命周期資產管理技術。

系統應按照基于設備可靠性及故障后果評價分析的可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance，簡稱RCM）[6]模式來制訂設備維修策略，按照資產全壽命周期管理設備建模標準構筑以水輪發電機為主的水電站主設備臺賬模型、試驗數據模型、缺陷信息模型、狀態數據模型、存儲訪問及調用處理接口規范，參考主設備生產廠家對其設計壽命、有效運行壽命、最大允許壽命的規定及其實際使用壽命的樣本統計數據，實現基于全壽命周期管理設計思想的水電站主設備狀態檢修輔助決策。

5 結束語

作為水電廠主設備狀態檢修技術應用的創新性嘗試，以水輪機、發電機為主的水電廠主設備狀態檢修決策支持系統已在松江河和白山發電廠投入實際運用。從狀態檢修自動化及信息化的技術層面來看，系統已為這兩個電廠構建了較為完整的狀態監測及狀態檢修決策支持平臺，但在與現場機組運行及檢修實際相結合，更好地提升系統的實用性方面，則是關系到機組是否能真正從定修向狀態檢修發展的核心問題。應該說，水電廠主設備狀態檢修技術的發展是一項任重而道遠的過程，其涉及的技術及管理的專業面之廣，其面對的學科領域之多，已超出了任意一家單位獨立承擔的范圍。狀態檢修核心的技術問題如各類水電機組狀態評價依據的建立，相關狀態檢修導則及其標準體系的建立，流域性、集團化的遠程診斷中心及水電機組狀態評價中心的建立等都需要設備生產單位、設備運維單位、設計院相關科研院所等行業內各領域的專家學者攜手合作，各方群策群力來共同推動我國水電機組狀態檢修技術在目前基礎上的根本性突破。

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[2]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.水電自動化與大壩監測，2012（05）：1.PAN Weifeng，ZHAO Lianhui，ZHU Chuangu.Application Research on Assistant Decision and Evaluation for Condition Monitoring and Condition Based Maintenance in Hydropower Plant.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2012（05）：1.

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Design and Development on Condition Based Maintenance Decision Support System of Primary Equipments in Hydropower Plants

PAN Weifeng1，MA Chengcheng，ZHU Chuangu1
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing，210003，China）

Firstly，this paper introduces the condition based maintenance technique architecture of primary equipments in hydropower plant，elaborates the composition of condition based maintenance decision support system of primary equipments in hydropower plant，then bring up its system structure，work flow，software operation framework and software function module implementation.Finally，based on above-mentioned，it focus on discussing key technologies involved of condition based maintenance decision support system of hydropower primary equipments.Thus，it also provides a complete technology realization thought for research，development and application on condition based maintenance and health decision evaluation related technology system of primary power generating and transformer equipments in hydropower plants.

Life Cycle Management； Condition Based Maintenance ； Decision Support System ； IEC 61850/ IEC 61970； State evaluation

TV222 文獻標識碼：A 學科代碼：570.25 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.017

2014-08-08

潘偉峰（1977—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：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。Email：panweifeng@sgepri.sgcc.com.cn

馬程程（1987—），女，本科，助理工程師，長期從事水電廠自動化的運用研究工作。Email：machengcheng@sgepri.sgcc.com.cn

朱傳古（1982—），男，碩士，工程師，主要研究方向：水電廠自動化及水電機組狀態監測檢修的運用研究工作。