基于實時可靠性分析的電站設備狀態評價及預測

2016-03-15 23:11:48胡曉陽

中國高新技術企業 2016年9期

摘要：近年來，隨著我國社會經濟的不斷發展，社會形態發生了翻天覆地的變化，對電力資源的需求也急劇增加，促進了我國電力事業的發展。當前，電站機組正朝著智能化、自動化、大容量的方向發展，電站機組系統更加復雜，對影響其正常運行的因素進行預測也更難，所以對電站設備的實時可靠性進行評價和預測顯得尤為重要。

關鍵詞：實時可靠性分析；電站設備；狀態評價；電力資源；電力事業文獻標識碼：A

中圖分類號：TM732 文章編號：1009-2374（2016）09-0137-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.067

可靠性并不是決定設備的唯一標準，但是電力系統具有自身特點，所以對可靠性具有非常高的要求。實時可靠性指的是可以在線監測設備和系統的設備信息，并對設備可靠性進行實時評價的能力；而運行可靠度可定義為在電站設備實時運行過程中，通過在線監測反映的信息，對設備進行表征的度量。

1 設備實時可靠性分析理論

1.1 實時可靠性理論

我們將設備在規定條件和時間內完成規定功能的能力稱為設備可靠性。一直以來，人們普遍采用概率度量對設備可靠性進行表示，公式為R（t）=P（T>t）。該式中R（t）代表的是設備在規定條件、t時刻前不出現故障的概率。用這種方法對設備的可靠性進行判定已經不符合當前時代的發展需要，該方法并不能將設備性能下降情況準確地表示出來，不利于設備運行以及維修人員開展設備維修工作。通過對運行現場的實際需求分析，我們能夠發現，實時可靠性的分析結果應當是明確的指標，能夠對設備功能實現情況以及性能下降程度做到實時反映，當發現設備性能不能滿足運行需求時做出預警，及早采取措施，避免設備運行出現問題，導致電力企業運行不暢。從當前來看，無論是國外還是國內，在實時可靠性評價和預測方面都處于探索階段，尚未形成一套先進的、統一的理論體系，有待進一步研究。

1.2 實時可靠性評價標準

實時可靠性評價標準包括兩個方面：一個是等級評價；另一個是趨勢評價。

1.2.1 等級評價。是根據運行可靠度下降量評價設備實時可靠性水平的閾值標準，該評價標準由可靠性等級和閾值兩部分組成。對于可靠性等級數目劃分上并沒有一個明確的標準，需要用戶根據實際情況進行劃分，但是建議盡可能多地劃分等級，等級越多，則狀態評價越全面、越詳細。本文結合實際需求，將可靠性等級評價劃分為四個等級（V1～V4），對應的可靠度下降量閾值為V1～V4。其中V1代表設備可靠性較好，功能可以全部實現；V2代表設備可靠性出現輕微下降，功能實現受到一定影響；V3代表設備可靠性下降明顯，功能實現受到嚴重影響；V4代表設備可靠性惡化情況嚴重，各項功能已經失效。需要注意的是，對電站內其他設備的可靠性進行評價，可以全部采用這一評價標準，不需要另行設定。但是由于每種設備可靠性狀態對可靠度下降量敏感程度是存在區別的，所以每種設備的閾值都是不同的。閾值的確定需要工作人員對各個設備的故障機理、工作原理做到熟練掌握，結合同類設備歷史記錄對當前設備可靠度下降量進行分析和確定。

1.2.2 趨勢評價。在完成設備的當前可靠性等級評價工作之后，就能夠得出可靠性變化趨勢圖，以此為依據，對設備在下一時間段的可靠性狀態變化進行分析，根據分析結果，明確解決措施：V1下一時段為上升變化或保持不變，保持正常監測即可，不需要采取措施，如果出現下降趨勢，只需加強監測，暫時不需要采取措施；V2下一時段為上升變化或保持不變，保持監測頻率，不需要采取措施，如果出現下降趨勢，應當加強檢測，將異常原因找出；V3下一時段為上升變化需要加強檢測，將異常原因找出，如果保持不變或者是出現下降趨勢，要在加強監測的同時，有針對性地采取措施；V4下一時段為上升趨勢，要加強檢測，有針對性地采取措施，如果保持不變，需要進行調節，停機進行檢查，如果呈現下降趨勢，則需要馬上將設備停機進行檢查。

2 水輪機組實時可靠性分析

2.1 建模分析

水輪機組是一個非常復雜的系統，由多個不同設備組成，所以相對來說可靠性分析也要更復雜一些。本文對水輪機組的實時可靠性分析借鑒了狀態特征空間理論，結合分層次遞進分析方法。

將監測參數設置為p1（t），p2（t），…，pn（t），因為無論參數為多少，它們所對應的對象都是同一個，所以在這里，將這些監測參數考慮為一個整體，并共同構成n維向量（狀態特征向量），表示為e=[p1，p2，…，pn]T。

因為該系統的組成比較復雜，所以其實時可靠性狀態主要是由每個設備的實時可靠性決定的，在這里，用e1（t），e2（t），…，en（t）表示。與上述相同，共同構成m維向量（狀態特征向量），表示為E=[e1，e2，…，en]T。在上述這兩個式子中，n所代表的是監測參數個數，需要注意的是，n并不是固定的，要根據對應設備進行取值。

通過上述式子我們可以看出，該系統具有明顯的層次性結構，所以可以用R運行=f（E）=f（e1，e2，…，em）對其實時可靠性和運行監測參數關系進行表示。在該式中，R運行表示的是系統在運行過程中的可靠度；f表示的是兩者的關系函數。

2.2 系統劃分

水輪機組包含的設備數量和種類都比較多，所以水輪機組的結構與其他機組相比也就更復雜一些，采取文章所述方法對水輪機組進行實時可靠性分析就要先劃分機組，按照功能、屬性等將整體系統劃分為各個子系統，如果在完成初次劃分之后，子系統結構仍然復雜，則可以再進行一次劃分，本文將水輪機組劃分為系統、設備以及部件三個等級。

2.3 部件層實時可靠性分析

運行監測參數能夠直接將部件實時可靠性體現出來，對于水輪機組來說，部件層實時可靠性分析是基礎。本文建立的數學模型主要有參數匹配、實時可靠性計算和預測模型。

參數匹配。筆者對水輪機組各部件進行了一次全面的FTA分析，將故障模式全部確定出來，并構成集合F={f1，f2，…，fn}。n為故障數量，fi為第i種故障。

通過對故障進行FMEA分析，對運行監測參數進行了確定，構成集合Pi'={pi1，pi2，…，pin}。Pi'、pj和n分別代表監測參數集合、第j個監測參數和監測參數數量。

部件運行監測參數集合p={p1'，p2'，…，pn'}。

完成上述運行監測參數的確定之后，就可以對部件實時可靠性進行計算，并對其等級進行評價。

運行可靠度下降量。多個運行監測數據之間具有一定的相關性，借助主成分分析法將相關性消除。

等級閾值。首先需要將每個部件的閾值求出來。借助部件歷史故障記錄將運行可靠度下降量計算出來，最后再進行統計分析，將每個部件的可靠性狀態等級閾值確定出來。當確定完閾值之后，根據評價標準，對各部件實時可靠性狀態和功能實現程度進行評價。

2.4 設備層實時可靠性分析

設備是由多個部件共同組成的，各部件之間相互協調從而實現設備的運行。如果某一個部件性能變差，那么該設備必然也將受到這一部件的影響而失去穩定性，因此可以借助對各個部件的實時可靠性分析對設備的實時可靠性進行評價。

重要度。重要度簡單來說就是當某部件性能下降或失效時，對設備性能實現的影響程度。重要度直接決定了部件對功能實現的影響程度。一般來說，可以用危害程度得分對其重要度進行衡量。首先需要對設備部件構成進行分析，然后通過故障模式、故障影響、故障危害度以及FTA等分析方法找出設備中發生故障的部件，按照表1所示評分標準，對故障危害程度進行評分。

表1 故障危害程度評分標準

實時可靠性。受到運行可靠度下降量影響，表達公式為：

可靠性預測。根據表1和實時可靠性數學模型繪制出可靠度下降量變化趨勢圖，當設備實時可靠性下降非常明顯時，立即預警，有效避免了重大故障的發生。

在計算出設備運行可靠度下降量后，通過前文所述評價標準，對設備的實時可靠性等級進行評價，需要注意的是，要先計算出閾值。

2.5 系統層實時可靠性分析

系統層實時可靠性分析同設備層實時可靠性分析方法相同，就是借助組成系統的各個設備的實時可靠性下降量對系統實時可靠性進行評價。

重要度。當某設備性能下降或者失效時，對系統功能實現的影響程度。重要度直接決定了設備對系統實現的影響程度。在設備以及部件敏感度的計算上與設備層計算方法一致。

可靠性預測。為了確保系統的實時可靠性評價結果更加準確和全面，除了要對當前系統的實時可靠性進行分析之外，還需要對其未來可靠性狀態進行合理預測。根據系統可靠性評分標準和實時可靠性數學模型繪制出可靠度下降量變化趨勢圖，當系統實時可靠性下降非常明顯時，立即預警。

3 結語

文章以水輪機組為例，通過建模對其實時可靠性進行了分析。由于篇幅限制，有一些相似模型在文章中并未體現，這也是本文的不足之處。電站機組涉及的設備比較多，工作環境相對來說也比較復雜，此項研究工作可以說是剛剛起步，還有許多不足之處，在今后的工作中需要不斷完善和改進。

參考文獻

[1] 王成成.基于可靠性分析的風電機組狀態維修決策研究[D].華北電力大學，2014.