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

張龍浩 柳本林 佘俊 莫理 付恩狄

摘 要 隨著當前信息技術(shù)水平的不斷發(fā)展，我國水電廠均配備了計算機監(jiān)控系統(tǒng)以及在線監(jiān)測等系統(tǒng)，以此進一步保障水電廠運行的穩(wěn)定性。基于此，本文針對其中有著重要作用的設備狀態(tài)監(jiān)測部分展開分析，簡要介紹了設備狀態(tài)監(jiān)測輔助系統(tǒng)研究的意義，并針對輔助系統(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)測相關(guān)內(nèi)容展開詳細分析，以期能夠為相關(guān)項目提供有效參考。

關(guān)鍵詞 水電廠 監(jiān)控系統(tǒng) 輔助系統(tǒng) 設備狀態(tài)監(jiān)測

中圖分類號：TV7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）02-0058-03

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行準確地表達。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，加強對于水電廠輔助系統(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)測的分析和研究是十分有必要的。

1 水電廠設備狀態(tài)監(jiān)測輔助系統(tǒng)研究的意義

結(jié)合當前水電廠監(jiān)控系統(tǒng)需求，可通過在該輔助系統(tǒng)當中引入機器學習技術(shù)，以此展開輔助系統(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)測的研究，該技術(shù)的合理應用，不僅能夠使得系統(tǒng)狀態(tài)得到更真實的表達，并且還可以更加符合用戶日常設備監(jiān)測的習慣，進一步保障設備狀態(tài)監(jiān)測的科學性、有效性以及便利性。除此之外，機器學習技術(shù)在設備故障檢測當中的應用，還能夠提高設備狀態(tài)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(jié)合實際情況，進行狀態(tài)以及風險評估，并提供優(yōu)選檢修策略，為后續(xù)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(wěn)定的運行以及后續(xù)設備管理相關(guān)決策提供可靠參考[1]。

2 輔助系統(tǒng)設備狀態(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(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)律進行深入分析，研究相關(guān)設備的運行狀態(tài)演變關(guān)系以及相應發(fā)展趨勢;最后，結(jié)合水電廠監(jiān)控系統(tǒng)實際需求以及設備狀態(tài)評價結(jié)果，如壓油裝置、排水系統(tǒng)以及空壓機系統(tǒng)等設備運行狀態(tài)的實際情況，構(gòu)建輔助系統(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)測相關(guān)模型，明確監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能，包括設備狀態(tài)的動態(tài)告警、設備狀態(tài)的評價、設備風險評估以及智能優(yōu)選檢修策略的提供等。

2.2 設備狀態(tài)監(jiān)測功能分析

2.2.1 監(jiān)測預警

監(jiān)測預警功能實際上就是通過對設備歷史運行狀態(tài)當中與評價特征量相關(guān)的數(shù)據(jù)進行收集整理和分析，明確設備在實際運行過程中的動態(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)設備動態(tài)發(fā)展特征，結(jié)合相應算法，明確設備狀態(tài)動態(tài)閥值范圍，作為后續(xù)設備狀態(tài)監(jiān)測的主要參考。最后，對設備運行狀態(tài)進行實時數(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)出相應告警。

2.2.2 狀態(tài)評價

狀態(tài)評價功能主要是結(jié)合設備狀態(tài)歷史運行過程中相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，針對設備的運行狀態(tài)變化特點以及相關(guān)趨勢進行深入分析，然后使用各種圖表將數(shù)據(jù)統(tǒng)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(tài)的評價，了解設備實際運行情況。除此之外，輔助系統(tǒng)還需要根據(jù)設備狀態(tài)特征相關(guān)參數(shù)以及相應評價規(guī)則，對設備的實際運行狀態(tài)進行評分，以此幫助用戶能夠更加直觀地明確設備狀態(tài)。最后，還需要結(jié)合設備健康評價相關(guān)導則以及設備運行狀態(tài)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(jù)評價導則以及設備管理相關(guān)規(guī)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(fā)生的概率，并對可能引發(fā)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(guān)規(guī)則，并根據(jù)設備運行規(guī)律，設置狀態(tài)風險值，以及相關(guān)風險等級，為后續(xù)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(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)測當中的重要功能，能夠為相關(guān)工作人員提供最優(yōu)的檢修策略和建議，對于進一步提高設備檢修的效率、質(zhì)量以及可靠性有著重要的作用。在實際進行系統(tǒng)檢修策略功能構(gòu)建的過程中，應事先將壓油設備、排水系統(tǒng)以及空壓機系統(tǒng)等設備的各種檢修方案導入到系統(tǒng)當中，以此形成設備檢修方案庫，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(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)控制臺實現(xiàn)，結(jié)合設備狀態(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、任務監(jiān)控、服務監(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)運行的順利性以及流暢性，需要進行數(shù)據(jù)集成處理。結(jié)合本系統(tǒng)的實際功能以及設備狀態(tài)監(jiān)測目標，數(shù)據(jù)集成主要包括以下三個部分：第一，計算機控制系統(tǒng)（SCADA）數(shù)據(jù)接入，以此獲取計算機控制系統(tǒng)的相關(guān)設備實時開關(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)當中設備運維歷史等相關(guān)數(shù)據(jù)信息[2]。

2.5 信號采集傳感器

結(jié)合設備監(jiān)測輔助系統(tǒng)的實際功能需求，需要在原有系統(tǒng)之上新增相應信號采集傳感器，以此實現(xiàn)輔助系統(tǒng)設備的智能監(jiān)測。由于不同輔助設備的功能以及狀態(tài)監(jiān)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。

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(tài)是對設備系統(tǒng)進行全方位地分析，在此基礎(chǔ)上再度確定優(yōu)化及維護系統(tǒng)需要的狀態(tài)參數(shù)，同時再安置對應的采集數(shù)據(jù)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(tǒng)健康相關(guān)的信息。對設備進行優(yōu)化維護時最基礎(chǔ)的工作就是檢測設備的狀態(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)以及大容量的機組、技術(shù)、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(shù)據(jù)也快速增長。對于傳統(tǒng)的表達方式而言，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組狀態(tài)，然而其檢測內(nèi)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理等。與此同時，由于實際監(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(tài)檢測技術(shù)的要求也應該滿足前述條件。為使故障技術(shù)診斷與復雜設備狀態(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)

對于設備故障檢測技術(shù)而言，其不僅能夠保證設備正常工作，而且能降低發(fā)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(jīng)濟收益。然而，設備故障檢測技術(shù)同樣也可作為檢測設備的一種參數(shù)，以能夠及時發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)的異常情況，并且及時分析設備故障發(fā)生的原因，找到故障源頭，繼而綜合相關(guān)分析技術(shù)最終預測設備狀態(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)涉及到的科學領(lǐng)域比較多，包括信號識別與處理模式、統(tǒng)計數(shù)學、人工智能、計算機科學等等。歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，故障診斷及檢測技術(shù)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(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)出來的化學現(xiàn)象或物理現(xiàn)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(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，可以將其具體應用于設備快速或?qū)崟r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)設備故障的嚴重程度來體現(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

檢測設備故障時依據(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(xiàn)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(shù)學模型。此外，因為該系統(tǒng)建模時存在誤差或者騷動、噪聲等重點突出系統(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)的設備故障檢測方法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的故障檢測方法等。

部分設備雖然表現(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(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)設備狀態(tài)監(jiān)測對于水電廠運行的可靠性以及穩(wěn)定性有著直接影響，根據(jù)水電廠監(jiān)控需求以及設備狀態(tài)監(jiān)測目標，該輔助系統(tǒng)主要包括監(jiān)測預警、狀態(tài)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(tài)監(jiān)測輔助系統(tǒng)的深入研究和實踐探索，水電廠的監(jiān)控水平以及運行穩(wěn)定性將會得到進一步提升。

參考文獻：

[1] 段進祥.智能水電廠主設備狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)檢修技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（17）：173-174.

[2] 高亮，紀大義.水力發(fā)電系統(tǒng)設備狀態(tài)檢測的重要性及應用分析[J].探索科學，2019（06）：252-253.

[3] 劉卓婭，謝文經(jīng)，毛成，等.一種小水電關(guān)鍵設備安全預警及故障診斷系統(tǒng)及方法[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2019（03）：114-115.

[4] 蔣鯤.機電設備運行狀態(tài)健康監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)及其工程應用[J].機械科學研究院，2020（03）：214-217.