水電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠 向文平 蘇 巖 敬燕飛

國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司成都分公司 鄧 韜 李 陽

狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)符合《水電廠開展設(shè)備狀態(tài)檢修工作的指導(dǎo)意見》相關(guān)規(guī)定，該系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

基本依托現(xiàn)有的電廠系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)對(duì)水電機(jī)組調(diào)速設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)與性能的評(píng)估，并進(jìn)行常見故障的診斷。通過該狀態(tài)監(jiān)測與評(píng)估系統(tǒng)能了解設(shè)備整體運(yùn)行情況，自動(dòng)生成狀態(tài)評(píng)估和檢修方案報(bào)告，給出合理的維修決策建議，并提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)。

調(diào)速系統(tǒng)要求：機(jī)組在各工況下，確定調(diào)速進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)評(píng)估所需要的性能指標(biāo)量，實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)評(píng)估與診斷。分析安全定值動(dòng)作的正確性，電壓元件累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。對(duì)裝置進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估、趨勢(shì)預(yù)測，對(duì)裝置的可靠度、失效率、使用壽命進(jìn)行一個(gè)統(tǒng)計(jì)，做個(gè)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，以報(bào)表形式生成。遵循組件化設(shè)計(jì)原則，滿足總體布局、分步實(shí)施的要求，可通過基于平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)總線組件和系統(tǒng)參數(shù)的靈活配置以滿足不同業(yè)務(wù)層面的功能要求。各模塊具備在線升級(jí)能力，而不影響其它模塊的正常運(yùn)行。系統(tǒng)必須具有跨平臺(tái)的特性，保證可穩(wěn)定地運(yùn)行在多種平臺(tái)上[1]。

作為智能化水電廠統(tǒng)一平臺(tái)的高級(jí)應(yīng)用，應(yīng)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(tǒng)進(jìn)行信息交互與處理能力，可通過二次開發(fā)或配置從外部系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，其分析過程和結(jié)果可方便被其他外部系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)不僅應(yīng)滿足穩(wěn)定運(yùn)行的需求，還應(yīng)從設(shè)計(jì)上保證系統(tǒng)版本的可靠性。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮平臺(tái)化的概念，以相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)其他構(gòu)件的變化要求。系統(tǒng)設(shè)備均選用國內(nèi)外著名廠家生產(chǎn)的、并經(jīng)過長期實(shí)踐考驗(yàn)的產(chǎn)品，系統(tǒng)中任何設(shè)備的單個(gè)元件故障不會(huì)造成系統(tǒng)關(guān)鍵性故障，能防止設(shè)備的多個(gè)元件或串聯(lián)元件同時(shí)發(fā)生故障。應(yīng)遵循“總體部署、分步實(shí)施、逐步完善”的策略，積極穩(wěn)妥地推進(jìn)狀態(tài)檢修信息化建設(shè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 軟件架構(gòu)

結(jié)合水電廠的實(shí)際需求和運(yùn)行特點(diǎn)，系統(tǒng)采用面向服務(wù)架構(gòu)，可在電廠布設(shè)現(xiàn)場監(jiān)測及診斷服務(wù)客戶端，而在集控中心布設(shè)集中式狀態(tài)監(jiān)測決策系統(tǒng)，集控中心狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器不斷接受現(xiàn)場監(jiān)測對(duì)象監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)，同時(shí)將狀態(tài)監(jiān)測Web服務(wù)發(fā)布在基于以太網(wǎng)的發(fā)布服務(wù)器上。而集控中心則通過調(diào)用故障監(jiān)測信息、歷史缺陷信息，性能試驗(yàn)信息和檢修記錄信息，對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確地識(shí)別和快速有效的處理。通過面向服務(wù)架構(gòu)所具有的松耦合、可擴(kuò)展性的優(yōu)勢(shì)，集控中心可輕松將故障監(jiān)測信息、歷史缺陷信息、性能試驗(yàn)信息和檢修記錄等信息進(jìn)行集成，診斷專家可任意檢索和使用這些服務(wù)，并通過構(gòu)建各種數(shù)學(xué)診斷模型，調(diào)用這些信息來實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測。

由于在設(shè)計(jì)基于面向服務(wù)架構(gòu)的分層分布式狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，服務(wù)粒度的劃分是關(guān)鍵步驟和核心內(nèi)容，在充分調(diào)研了水電廠現(xiàn)場人員對(duì)監(jiān)測對(duì)象監(jiān)測和診斷業(yè)務(wù)的功能需求基礎(chǔ)上，考慮水電廠往往具有跨地域、跨平臺(tái)的特性，結(jié)合面向服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)體系結(jié)構(gòu)劃分為基礎(chǔ)統(tǒng)一平臺(tái)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、基于細(xì)粒度功能劃分的業(yè)務(wù)邏輯層和基于粗粒度功能劃分的WEB 服務(wù)層、將表現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化的表現(xiàn)邏輯層，與用戶打交道的表現(xiàn)層等。

圖1 診斷評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu)圖

狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)采用三層B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，由客戶端層（Browser）、數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和服務(wù)器層組成。按照三層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：開發(fā)人員可只關(guān)注整個(gè)結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)化；利于各層邏輯的復(fù)用。概括來說，分層式設(shè)計(jì)可達(dá)到如下目的：分散關(guān)注、松散耦合、邏輯復(fù)用和標(biāo)準(zhǔn)定義。

圖2 三層B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

表示層（用戶界面）為客戶端提供對(duì)應(yīng)用程序的訪問。表示層將為用戶提供相關(guān)診斷信息的發(fā)布、診斷界面的交互、數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理功能。

數(shù)據(jù)服務(wù)層。是業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層、表示層等信息流、物質(zhì)流、能量流的交互層，將用戶提交的系統(tǒng)提交給數(shù)據(jù)訪問層獲得數(shù)據(jù)，再傳入業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行計(jì)算后，得到結(jié)果。數(shù)據(jù)服務(wù)層將業(yè)務(wù)邏輯層的計(jì)算封裝成為一個(gè)個(gè)服務(wù)，為表示層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流入口，既提高了安全性，而且便于日后的可拓展性[2]；業(yè)務(wù)邏輯層。主要完成核心業(yè)務(wù)操作的處理工作，該層通過調(diào)用服務(wù)層接口獲得業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行出來之后結(jié)果得到用戶所需的數(shù)據(jù)并傳送給服務(wù)層進(jìn)行展示，其在三層體系結(jié)構(gòu)中處于核心地位；數(shù)據(jù)訪問層。封裝數(shù)據(jù)訪問的細(xì)節(jié)，建立數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)圖，傳遞各層間信息的類和函數(shù)，為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.2 統(tǒng)計(jì)框架及界面風(fēng)格

監(jiān)測對(duì)象診斷評(píng)估系統(tǒng)通過與數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺(tái)和狀態(tài)評(píng)價(jià)C/S 系統(tǒng)融合，讀取設(shè)備樹xm 和測點(diǎn)配置xml，診斷評(píng)估系統(tǒng)包含業(yè)務(wù)功能有調(diào)速系統(tǒng)評(píng)估、勵(lì)磁系統(tǒng)評(píng)估、繼電保護(hù)評(píng)估、狀態(tài)監(jiān)測、報(bào)告管理模塊。

1.3 硬件架構(gòu)

系統(tǒng)主要分布在1臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、1臺(tái)Web服務(wù)之上。

2 狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具體模塊如下。診斷評(píng)估系統(tǒng)：調(diào)速評(píng)估（設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)分析、動(dòng)態(tài)性能分析、性能綜合評(píng)估、調(diào)速系統(tǒng)故障樹診斷）；勵(lì)磁評(píng)估（歷史運(yùn)行狀態(tài)分析、靜態(tài)性能評(píng)估、動(dòng)態(tài)性能評(píng)估、伏頻響應(yīng)分析、性能綜合評(píng)估、勵(lì)磁系統(tǒng)故障診斷）；繼電評(píng)估（狀態(tài)分析、裝置動(dòng)作正確性分析、裝置可靠性評(píng)估）；報(bào)表輸出（歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、設(shè)備性能綜合評(píng)估報(bào)表、設(shè)備故障診斷報(bào)表、設(shè)備檢修決策建議報(bào)表）。

圖3 監(jiān)測對(duì)象狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估與狀態(tài)監(jiān)測，其中舉例調(diào)速系統(tǒng)評(píng)估說明，其系統(tǒng)是一個(gè)集機(jī)械、液壓和電氣設(shè)備于一體的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間上分布零散、容易發(fā)生故障，因此調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備的健康狀況和性能優(yōu)劣直接影響著水電機(jī)組的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估與狀態(tài)監(jiān)測是以調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測為依托，通過多種手段對(duì)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，達(dá)到充分把握系統(tǒng)設(shè)備健康狀態(tài)的目的。

設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)分析。為更加全面地掌握調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)，依據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，從三個(gè)方面對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括調(diào)速油系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測對(duì)象電液調(diào)節(jié)裝置狀態(tài)數(shù)據(jù)分析和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)分析。狀態(tài)數(shù)據(jù)來源包括在線實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、離線監(jiān)測數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

動(dòng)態(tài)性能分析。在水電廠生產(chǎn)實(shí)際過程中，由于機(jī)組會(huì)在不同的穩(wěn)定（過渡）狀態(tài)切換，導(dǎo)致機(jī)組控制策略和運(yùn)動(dòng)規(guī)律有所不同。而在不同的過渡過程中，機(jī)組的運(yùn)動(dòng)過程與結(jié)果對(duì)于評(píng)價(jià)監(jiān)測對(duì)象的某一方面性能有直接、明顯的作用。設(shè)備系統(tǒng)工況轉(zhuǎn)換屬于過渡過程，在過渡過程中分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)意義不大，一般綜合整個(gè)過渡過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行性能指標(biāo)計(jì)算，然后通過對(duì)性能指標(biāo)的分析來辨識(shí)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備性能狀態(tài)。調(diào)速系統(tǒng)工況分析是通過工況對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析。

綜上，如今在對(duì)設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測及故障原因的診斷方面，國內(nèi)外狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷產(chǎn)品（無論是在線的、還是離線的）的性能都達(dá)到了較為令人滿意的水平。用戶現(xiàn)場人員最關(guān)心的是設(shè)備當(dāng)前故障的嚴(yán)重程度如何、今后的發(fā)展趨勢(shì)怎樣、還能否繼續(xù)運(yùn)行下去、還能運(yùn)行多久等問題，恰恰在對(duì)故障程度的評(píng)估及故障趨勢(shì)的預(yù)報(bào)上各家產(chǎn)品都顯得欠缺，狀態(tài)預(yù)報(bào)、監(jiān)測診斷技術(shù)正是需要深入研究的意義所在。

3 基于層次分析法的設(shè)備性能狀態(tài)綜合評(píng)估

構(gòu)建設(shè)備狀態(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系層次關(guān)系。構(gòu)建調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)體系層次關(guān)系主要包括目標(biāo)層和準(zhǔn)則層；構(gòu)建判斷矩陣（一致性）。采用9標(biāo)度法構(gòu)建判斷矩陣，對(duì)于底層指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，由下而上逐層完成；計(jì)算各事件權(quán)重。采用“和法”計(jì)算各層指標(biāo)權(quán)重；底層指標(biāo)評(píng)估。根據(jù)評(píng)估準(zhǔn)則和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)底層指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估打分，然后依據(jù)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算上層指標(biāo)評(píng)估得分，最終獲取系統(tǒng)性能評(píng)估得分；設(shè)備狀態(tài)等級(jí)劃分。采用將涉筆狀態(tài)分為正常、注意、異常和嚴(yán)重四個(gè)等級(jí)。計(jì)算出涉筆性能狀態(tài)的綜合得分，然后根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最終確定設(shè)備所處的水平。

設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)結(jié)果（狀態(tài)評(píng)分狀態(tài)）、狀態(tài)描述如下：正常狀態(tài)（80～100）。二次設(shè)備各狀態(tài)量處于穩(wěn)定且在規(guī)程規(guī)定的警示值、注意值（標(biāo)準(zhǔn)限值）以內(nèi)，可正常運(yùn)行；注意狀態(tài)（60～80）。單項(xiàng)（或多項(xiàng)）狀態(tài)量或總體評(píng)價(jià)結(jié)果的變化趨勢(shì)朝接近標(biāo)準(zhǔn)限值方向發(fā)展，但未超過標(biāo)準(zhǔn)限值，仍可以繼續(xù)運(yùn)行，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行中的監(jiān)視；異常狀態(tài)（30～60）。單項(xiàng)特征狀態(tài)量或總體評(píng)價(jià)結(jié)果變化較大，已接近或略微超過標(biāo)準(zhǔn)限值，應(yīng)監(jiān)視運(yùn)行，采取相應(yīng)的處理措施，或適時(shí)安排停電定檢；嚴(yán)重狀態(tài)（0～30）。單項(xiàng)特征狀態(tài)量或總體評(píng)價(jià)結(jié)果嚴(yán)重超過標(biāo)準(zhǔn)限值，需要盡快安排停電定檢。

構(gòu)造判斷矩陣：確定的中間層元素zn評(píng)估結(jié)果進(jìn)行兩兩比較評(píng)分，即計(jì)算兩者比例zij，并建立判斷矩陣Z（式1），中間層元素zn評(píng)估結(jié)果進(jìn)行兩兩比較評(píng)分時(shí)，一般采用1～9及其倒數(shù)的標(biāo)度法：

標(biāo)度1～9及其倒數(shù)的標(biāo)度含義：1表示兩個(gè)因素A、B 相比，具有同樣重要性；3表示兩個(gè)因素A、B 相比，因素A 比因素B 稍微重要；5表示兩個(gè)因素A、B 相比，因素A 比因素B 明顯重要；7表示兩個(gè)因素A、B 相比，因素A 比因素B 強(qiáng)烈重要；9表示兩個(gè)因素A、B 相比，因素A 比因素B 絕對(duì)重要；2、4、6、8表示兩個(gè)因素A、B 相比，重要性結(jié)余上述兩相鄰判斷的中間狀態(tài)；倒數(shù)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(quán)重值。該特征向量的近似解式（2）；一致性檢驗(yàn)。計(jì)算結(jié)果是否合理，需要檢驗(yàn)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(fù)第1步，重新進(jìn)行比較評(píng)分，直至通過一致性檢驗(yàn)。