基于水電廠監控系統需求的輔助系統設備狀態監測分析

張龍浩 柳本林 佘 俊 莫 理 付恩狄

（南方電網調峰調頻發電有限公司 西部檢修試驗分公司，貴州 興義 562400）

在水電廠監控系統的不斷開發之下，形成了海量的監測數據，這就在一定程度上給用戶監測帶來了相當大的困擾，不僅難以明確相關信息需求，而且缺乏有效的工具對用戶需求進行準確地表達。此外，為保障監測質量效果，還需要有效的信息數據處理和檢測分析方法的支持。

因此，加強對于水電廠輔助系統設備狀態監測的分析和研究是十分有必要的。

1 水電廠設備狀態監測輔助系統研究的意義

結合當前水電廠監控系統需求，可通過在該輔助系統當中引入機器學習技術，以此展開輔助系統設備狀態監測的研究，該技術的合理應用，不僅能夠使得系統狀態得到更真實的表達，并且還可以更加符合用戶日常設備監測的習慣，進一步保障設備狀態監測的科學性、有效性以及便利性。除此之外，機器學習技術在設備故障檢測當中的應用，還能夠提高設備狀態分析水平，幫助用戶高效識別設備可能存在的風險隱患問題，并提前進行告警。同時，還能夠結合實際情況，進行狀態以及風險評估，并提供優選檢修策略，為后續檢修維護工作提供良好的工作條件，提高檢修效率，延長設備使用壽命。此外，還能夠為設備健康穩定的運行以及后續設備管理相關決策提供可靠參考[1]。

2 輔助系統設備狀態監測相關分析

2.1 輔助系統主要框架

首先，需要根據當前電力信息化平臺，充分了解水電廠運行設備的實際工況以及運行狀態；其次，結合大數據技術，針對相關數據信息的內在規律進行深入分析，研究相關設備的運行狀態演變關系以及相應發展趨勢；最后，結合水電廠監控系統實際需求以及設備狀態評價結果，如壓油裝置、排水系統以及空壓機系統等設備運行狀態的實際情況，構建輔助系統設備狀態監測相關模型，明確監測系統的主要功能，包括設備狀態的動態告警、設備狀態的評價、設備風險評估以及智能優選檢修策略的提供等。

2.2 設備狀態監測功能分析

2.2.1 監測預警

監測預警功能實際上就是通過對設備歷史運行狀態當中與評價特征量相關的數據進行收集整理和分析，明確設備在實際運行過程中的動態發展規律，然后將其以可視化圖表的形式展示出來。再根據設備動態發展特征，結合相應算法，明確設備狀態動態閥值范圍，作為后續設備狀態監測的主要參考。最后，對設備運行狀態進行實時數據采集和監測，一旦發現存在超過閥值范圍的數據，系統就會自動發出相應告警。

2.2.2 狀態評價

狀態評價功能主要是結合設備狀態歷史運行過程中相關檢測數據，針對設備的運行狀態變化特點以及相關趨勢進行深入分析，然后使用各種圖表將數據統計情況以可視化形式展示出來，以此輔助用戶進行設備狀態的評價，了解設備實際運行情況。除此之外，輔助系統還需要根據設備狀態特征相關參數以及相應評價規則，對設備的實際運行狀態進行評分，以此幫助用戶能夠更加直觀地明確設備狀態。最后，還需要結合設備健康評價相關導則以及設備運行狀態評分，對設備的健康情況進行等級劃分。

2.2.3 風險評估

風險評估功能是根據評價導則以及設備管理相關規定，針對設備運行過程中可能存在的潛在風險和隱患問題進行識別，分析風險發生的概率，并對可能引發的損失進行評估。在進行風險評估功能設計的過程中，需要事先明確風險評估的要素以及相關規則，并根據設備運行規律，設置狀態風險值，以及相關風險等級，為后續設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設備狀態監測當中的重要功能，能夠為相關工作人員提供最優的檢修策略和建議，對于進一步提高設備檢修的效率、質量以及可靠性有著重要的作用。在實際進行系統檢修策略功能構建的過程中，應事先將壓油設備、排水系統以及空壓機系統等設備的各種檢修方案導入到系統當中，以此形成設備檢修方案庫，為后續智能檢修策略建議提供基礎條件以及相應選擇空間。除此之外，在實際進行設備檢修的過程中，可能存在檢修策略當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方式，構建檢修策略庫，以此確保后續檢修決策方案的科學性、合理性。

2.3 系統管理分析

輔助系統管理功能主要通過系統控制臺實現，結合設備狀態監測的目的和相關操作要求，系統管理的內容包括人員與組織管理、權限管理、系統配置管理、任務監控、服務監控、操作日志等相關管理功能。

2.4 數據集成分析

為保障系統運行的順利性以及流暢性，需要進行數據集成處理。結合本系統的實際功能以及設備狀態監測目標，數據集成主要包括以下三個部分：第一，計算機控制系統（SCADA）數據接入，以此獲取計算機控制系統的相關設備實時開關量、模擬量等數據；第二，數據監測平臺接入，主要目的是能夠獲得設備狀態在線監測數據；第三，為生產管理系統數據接入，其主要目的是為了獲得數據生產管理系統當中設備運維歷史等相關數據信息[2]。

2.5 信號采集傳感器

結合設備監測輔助系統的實際功能需求，需要在原有系統之上新增相應信號采集傳感器，以此實現輔助系統設備的智能監測。由于不同輔助設備的功能以及狀態監測項目不同，因此需要新增的傳感器類別也存在一定差異，不同設備所需要的傳感器詳細情況如表1 所示。

表1 新增的傳感器清單

3 水電設備的檢測和故障檢測方法論述

3.1 故障檢測方法

檢測設備狀態是對設備系統進行全方位地分析，在此基礎上再度確定優化及維護系統需要的狀態參數，同時再安置對應的采集數據用的設備，借助人工及自動化的手段最終獲取到設備運行過程中與系統健康相關的信息。對設備進行優化維護時最基礎的工作就是檢測設備的狀態，并且此環節會直接對故障檢修及分析過程中生成數據的精確度起到影響作用。

在電力系統擴充并高效發展的過程中，一連串的高參數以及大容量的機組、技術、設備都相繼投入了應用，此時輸電站機組的運行狀況變得復雜化，同時數據也快速增長。對于傳統的表達方式而言，例如數據顯示、窗口畫面切換、大屏幕顯示等，均可以正確地描述出機組狀態，然而其檢測內容獨立性卻很強，且表達方式極為抽象，一系列檢測方式對運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的結構和工作原理等。與此同時，由于實際監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的可靠性，機組分析的方法及其檢測方式很難符合實際要求。因此，時下對機組設備的檢測分析工作提出的最基本的要求便是逼真且形象。

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

3.2 故障檢測技術

對于設備故障檢測技術而言，其不僅能夠保證設備正常工作，而且能降低發生安全事故的概率，同時也能參與到設備維修中，有效延長設備的使用壽命，在此過程中能獲得更高的社會和經濟收益。然而，設備故障檢測技術同樣也可作為檢測設備的一種參數，以能夠及時發現設備出現的異常情況，并且及時分析設備故障發生的原因，找到故障源頭，繼而綜合相關分析技術最終預測設備狀態發展過程中的故障診斷技術。另外，故障檢測技術又具備一定的綜合性，且該技術涉及到的科學領域比較多，包括信號識別與處理模式、統計數學、人工智能、計算機科學等等。歷經幾十年的發展，故障診斷及檢測技術應用實踐的方法可以分為以下幾種：

3.2.1 直接故障檢測法

該技術方法也被劃分為兩種類型：一種是直接性分析并檢測狀態數據，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出來的化學現象或物理現象，比如聲音、振動、壓力和溫度等，運用這些因素來分析故障發生的原因。基本上此減壓法成本比較低且使用起來方便快捷，可以將其具體應用于設備快速或實時的故障檢測過程中，但是經檢測得到的結果往往是根據設備故障的嚴重程度來體現的，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

檢測設備故障時依據其故障發生前的征兆來判斷也是最常使用的一種檢測手段。例如，針對水電機組大軸穩定系統而言，其能夠體現出故障問題最顯著的征兆便是振動與頻譜。這就是系統數學模型校驗法，即基于模型進行比對，以實際明確設備是否存在異常情況判斷故障。這種方法多被應用于設備的再現故障檢測中，往往很難在檢測設備故障時建立形成相應的待檢設備的數學模型。此外，因為該系統建模時存在誤差或者騷動、噪聲等重點突出系統問題，因此此方法會受到條件限制。

3.2.3 智能故障的檢測方法

基于傳統的檢測方法結合人工智能和部分現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、基于專家系統的設備故障檢測方法、基于人工神經網絡的故障檢測方法等。

部分設備雖然表現出故障類型多元化，但隨著故障檢測技術的發展和優化，其技術實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、學科交叉、自行完善等各方面不斷深化和演進[4]。

4 結語

綜上所述，基于水電廠監控系統需求的輔助系統設備狀態監測對于水電廠運行的可靠性以及穩定性有著直接影響，根據水電廠監控需求以及設備狀態監測目標，該輔助系統主要包括監測預警、狀態評價、風險評估以及檢修策略建議等主要功能。相信，隨著對設備狀態監測輔助系統的深入研究和實踐探索，水電廠的監控水平以及運行穩定性將會得到進一步提升。