水電站設備狀態監測和狀態評估系統設計

國能大渡河瀑布溝水力發電總廠 向文平 蘇 巖 敬燕飛

國家能源集團科學技術研究院有限公司成都分公司 鄧 韜 李 陽

狀態監測及狀態評估系統設計應符合《水電廠開展設備狀態檢修工作的指導意見》相關規定，該系統應滿足以下要求：

基本依托現有的電廠系統監測的數據對水電機組調速設備進行狀態與性能的評估，并進行常見故障的診斷。通過該狀態監測與評估系統能了解設備整體運行情況，自動生成狀態評估和檢修方案報告，給出合理的維修決策建議，并提供統一數據平臺。

調速系統要求：機組在各工況下，確定調速進行狀態監測與狀態評估所需要的性能指標量，實現其狀態評估與診斷。分析安全定值動作的正確性，電壓元件累計運行時間。對裝置進行狀態評估、趨勢預測，對裝置的可靠度、失效率、使用壽命進行一個統計，做個統計報告，以報表形式生成。遵循組件化設計原則，滿足總體布局、分步實施的要求，可通過基于平臺的數據服務總線組件和系統參數的靈活配置以滿足不同業務層面的功能要求。各模塊具備在線升級能力，而不影響其它模塊的正常運行。系統必須具有跨平臺的特性，保證可穩定地運行在多種平臺上[1]。

作為智能化水電廠統一平臺的高級應用，應充分考慮與外界信息交換的需求分析，保證既能滿足基本功能需要、又具有與外界系統進行信息交互與處理能力，可通過二次開發或配置從外部系統獲取數據，其分析過程和結果可方便被其他外部系統調用。系統不僅應滿足穩定運行的需求，還應從設計上保證系統版本的可靠性。系統的設計應考慮平臺化的概念，以相對穩定的系統構件實現其他構件的變化要求。系統設備均選用國內外著名廠家生產的、并經過長期實踐考驗的產品，系統中任何設備的單個元件故障不會造成系統關鍵性故障，能防止設備的多個元件或串聯元件同時發生故障。應遵循“總體部署、分步實施、逐步完善”的策略，積極穩妥地推進狀態檢修信息化建設。

1 系統結構

1.1 軟件架構

結合水電廠的實際需求和運行特點，系統采用面向服務架構，可在電廠布設現場監測及診斷服務客戶端，而在集控中心布設集中式狀態監測決策系統，集控中心狀態監測系統服務器不斷接受現場監測對象監測系統獲得的數據，同時將狀態監測Web服務發布在基于以太網的發布服務器上。而集控中心則通過調用故障監測信息、歷史缺陷信息，性能試驗信息和檢修記錄信息，對故障進行準確地識別和快速有效的處理。通過面向服務架構所具有的松耦合、可擴展性的優勢，集控中心可輕松將故障監測信息、歷史缺陷信息、性能試驗信息和檢修記錄等信息進行集成，診斷專家可任意檢索和使用這些服務，并通過構建各種數學診斷模型，調用這些信息來實現智能自動狀態監測。

由于在設計基于面向服務架構的分層分布式狀態監測系統時，服務粒度的劃分是關鍵步驟和核心內容，在充分調研了水電廠現場人員對監測對象監測和診斷業務的功能需求基礎上，考慮水電廠往往具有跨地域、跨平臺的特性，結合面向服務架構的設計思想，將整個體系結構劃分為基礎統一平臺數據的基礎數據層、基于細粒度功能劃分的業務邏輯層和基于粗粒度功能劃分的WEB 服務層、將表現數據進行持久化的表現邏輯層，與用戶打交道的表現層等。

圖1 診斷評估系統架構圖

狀態監測及狀態評估系統采用三層B/S 架構設計方法，由客戶端層（Browser）、數據服務層、業務邏輯層和服務器層組成。按照三層架構進行設計的優點在于：開發人員可只關注整個結構中的其中某一層；可很方便的用新代碼來替換原有部分；可降低層與層之間的依賴；有利于標準化；利于各層邏輯的復用。概括來說，分層式設計可達到如下目的：分散關注、松散耦合、邏輯復用和標準定義。

圖2 三層B/S 架構設計圖

表示層（用戶界面）為客戶端提供對應用程序的訪問。表示層將為用戶提供相關診斷信息的發布、診斷界面的交互、數據與系統管理功能。

數據服務層。是業務邏輯層、數據訪問層、表示層等信息流、物質流、能量流的交互層，將用戶提交的系統提交給數據訪問層獲得數據，再傳入業務邏輯層進行計算后，得到結果。數據服務層將業務邏輯層的計算封裝成為一個個服務，為表示層提供統一的數據流入口，既提高了安全性，而且便于日后的可拓展性[2]；業務邏輯層。主要完成核心業務操作的處理工作，該層通過調用服務層接口獲得業務數據，對數據進行出來之后結果得到用戶所需的數據并傳送給服務層進行展示，其在三層體系結構中處于核心地位；數據訪問層。封裝數據訪問的細節，建立數據關聯圖，傳遞各層間信息的類和函數，為業務邏輯層提供數據服務。

1.2 統計框架及界面風格

監測對象診斷評估系統通過與數據統一平臺和狀態評價C/S 系統融合，讀取設備樹xm 和測點配置xml，診斷評估系統包含業務功能有調速系統評估、勵磁系統評估、繼電保護評估、狀態監測、報告管理模塊。

1.3 硬件架構

系統主要分布在1臺數據庫服務器、1臺Web服務之上。

2 狀態監測及狀態監測系統設計概述

狀態監測系統具體模塊如下。診斷評估系統：調速評估（設備狀態數據分析、動態性能分析、性能綜合評估、調速系統故障樹診斷）；勵磁評估（歷史運行狀態分析、靜態性能評估、動態性能評估、伏頻響應分析、性能綜合評估、勵磁系統故障診斷）；繼電評估（狀態分析、裝置動作正確性分析、裝置可靠性評估）；報表輸出（歷史運行數據統計報表、設備性能綜合評估報表、設備故障診斷報表、設備檢修決策建議報表）。

圖3 監測對象狀態監測及狀態評估系統體系結構圖

系統狀態評估與狀態監測，其中舉例調速系統評估說明，其系統是一個集機械、液壓和電氣設備于一體的控制系統，其結構復雜，空間上分布零散、容易發生故障，因此調速系統設備的健康狀況和性能優劣直接影響著水電機組的安全、穩定和經濟運行。系統狀態評估與狀態監測是以調速系統狀態監測為依托，通過多種手段對狀態監測數據進行分析，達到充分把握系統設備健康狀態的目的。

設備狀態數據分析。為更加全面地掌握調速系統設備狀態，依據設備結構，從三個方面對調速系統的狀態數據進行分析，包括調速油系統狀態數據分析、監測對象電液調節裝置狀態數據分析和液壓執行機構狀態數據分析。狀態數據來源包括在線實時監測數據、離線監測數據以及統計數據。

動態性能分析。在水電廠生產實際過程中，由于機組會在不同的穩定（過渡）狀態切換，導致機組控制策略和運動規律有所不同。而在不同的過渡過程中，機組的運動過程與結果對于評價監測對象的某一方面性能有直接、明顯的作用。設備系統工況轉換屬于過渡過程，在過渡過程中分析實時數據意義不大，一般綜合整個過渡過程的數據進行性能指標計算，然后通過對性能指標的分析來辨識調速系統設備性能狀態。調速系統工況分析是通過工況對調速系統的狀態運動過程進行分析。

綜上，如今在對設備當前運行狀態的監測及故障原因的診斷方面，國內外狀態監測與故障診斷產品（無論是在線的、還是離線的）的性能都達到了較為令人滿意的水平。用戶現場人員最關心的是設備當前故障的嚴重程度如何、今后的發展趨勢怎樣、還能否繼續運行下去、還能運行多久等問題，恰恰在對故障程度的評估及故障趨勢的預報上各家產品都顯得欠缺，狀態預報、監測診斷技術正是需要深入研究的意義所在。

3 基于層次分析法的設備性能狀態綜合評估

構建設備狀態性能評價指標體系層次關系。構建調速系統性能指標體系層次關系主要包括目標層和準則層；構建判斷矩陣（一致性）。采用9標度法構建判斷矩陣，對于底層指標進行兩兩比較，由下而上逐層完成；計算各事件權重。采用“和法”計算各層指標權重；底層指標評估。根據評估準則和評估標準對底層指標進行評估打分，然后依據指標權重計算上層指標評估得分，最終獲取系統性能評估得分；設備狀態等級劃分。采用將涉筆狀態分為正常、注意、異常和嚴重四個等級。計算出涉筆性能狀態的綜合得分，然后根據調速系統狀態評級標準，最終確定設備所處的水平。

設備狀態評價標準的評價結果（狀態評分狀態）、狀態描述如下：正常狀態（80～100）。二次設備各狀態量處于穩定且在規程規定的警示值、注意值（標準限值）以內，可正常運行；注意狀態（60～80）。單項（或多項）狀態量或總體評價結果的變化趨勢朝接近標準限值方向發展，但未超過標準限值，仍可以繼續運行，應加強運行中的監視；異常狀態（30～60）。單項特征狀態量或總體評價結果變化較大，已接近或略微超過標準限值，應監視運行，采取相應的處理措施，或適時安排停電定檢；嚴重狀態（0～30）。單項特征狀態量或總體評價結果嚴重超過標準限值，需要盡快安排停電定檢。

構造判斷矩陣：確定的中間層元素zn評估結果進行兩兩比較評分，即計算兩者比例zij，并建立判斷矩陣Z（式1），中間層元素zn評估結果進行兩兩比較評分時，一般采用1～9及其倒數的標度法：

標度1～9及其倒數的標度含義：1表示兩個因素A、B 相比，具有同樣重要性；3表示兩個因素A、B 相比，因素A 比因素B 稍微重要；5表示兩個因素A、B 相比，因素A 比因素B 明顯重要；7表示兩個因素A、B 相比，因素A 比因素B 強烈重要；9表示兩個因素A、B 相比，因素A 比因素B 絕對重要；2、4、6、8表示兩個因素A、B 相比，重要性結余上述兩相鄰判斷的中間狀態；倒數表示因i與j 比較得到的判斷值aij，則因素j 與i 比較的判斷值aji=1/aij。

求取特征向量：利用和積法或方根法求取判斷矩陣的特征向量wi，即中間層元素的權重值。該特征向量的近似解式（2）；一致性檢驗。計算結果是否合理，需要檢驗判斷矩陣元素的一致性，判斷方法如式（3），如果CI 值越大表明判斷矩陣偏離完全一致性的程度越大，需重復第1步，重新進行比較評分，直至通過一致性檢驗。