水电厂主设备状态检修决策支持系统的设计与开发

潘伟峰，马程程，朱传古

（南瑞集团公司/国网电力科学研究院，江苏省南京市 210003）

水电厂主设备状态检修决策支持系统的设计与开发

潘伟峰，马程程，朱传古

（南瑞集团公司/国网电力科学研究院，江苏省南京市 210003）

本文首先介绍了水电厂主设备状态检修技术体系，阐述了水电厂主设备状态检修决策支持系统组成，提出了其系统结构、业务流程、软件业务框架及软件功能模块实现，并以此为基础重点探讨了水电厂主设备状态检修决策支持系统所涉及的关键技术，为水电厂发变电主设备状态检修决策评估相关技术系统的设计开发及应用工作的开展提供了较为完整的技术实现思路。

全寿命周期管理；状态检修；决策支持系统；IEC 61850/ IEC 61970；状态评价

0 引言

作为现代水电运维企业设备全寿命周期管理[1]制度实施的具体化要求及设备检修管理技术创新的发展方向，水电厂主设备状态检修决策评估技术[2]是随着现代化的计算机技术、网络通信技术、人工智能技术及信息融合技术的飞速进步而发展起来的一门新兴学科，通过获取来自于机组在线监测系统、计算监控系统及生产管理信息系统的发电机、水轮机等设备台账数据、实时/历史数据等反映机组健康状态的特征参数，实现状态信息的采集、特征计算、实时监测、故障录波、性能试验记录及技术诊断，构筑机组状态主题数据中心，实施机组全寿命周期管理，充分运用统一设备建模、历史趋势数据挖掘、分析诊断专家系统、可靠性检修策略等高级应用算法及模型实现状态评估、故障诊断及检修决策，从而提高设备状态监测管理的效率和效益，提高运行安全性及可靠性，提升电厂设备检修管理及综合生产管理集约化水平，减少设备非计划停运检修频次，避免突发事故发生及防止设备出现过修、失修，为水电设备定修向状态检修过渡提供技术保证。

1 水电厂主设备状态检修技术体系

水电厂主设备状态检修[3]是一门涵盖技术、管理等多专业多学科领域知识的设备检修模式，本文仅重点探讨其技术组成，不涉及其管理体系内容。以某智能化水电厂为例，基于一体化管控平台[4]的水电厂状态检修技术组成包括：处于水电厂安全I区[4]的机组振摆保护系统、处于安全Ⅱ区的机组、变压器、断路器等主设备状态监测与分析系统，处于安全Ⅲ区的状态检修决策支持系统，以及作为全厂状态检修重要数据来源之一的处于安全I区的计算机监控系统、进行设备检修计划及人员物资管理的处于安全Ⅲ区生产管理信息系统。可以说，水电厂一体化管控平台I、Ⅱ、Ⅲ区的数据中心及其数据传输总线为整个水电厂化状态检修各子系统的功能实现搭建了完整的高速数据公路及海量数据应用仓库，系统上下层之间采用水电厂智能化IEC 61850[5]标准数据通信接口。其系统技术组成如图1所示。

图1 基于一体化管控平台的水电厂状态检修技术组成Fig.1 Technology Composition of Condition Based Maintenance in Integrated Management and Control Platform of Hydropower Plant

2 水电厂主设备状态检修决策支持系统组成

2.1 系统结构

对于独立设备的水电厂主设备状态检修决策支持系统，主要由数据服务器、应用服务器、接口服务器、维护工作站、中心交换机和网络安全装置等硬件设备组成，布置在安全Ⅲ区（生产管理区）。对于基于智能化水电厂一体化管控平台高级应用组件的布置方式，系统的硬件设备可以与一体化管控平台Ⅲ区的硬件进行合并统一。

系统网络结构应满足电监安全管理规定规范要求，可采用星形网络（共享式以太网或交换式以太网）或以太网环形网络结构（逻辑总线结构），其典型系统网络结构如图2所示。

图2 水电厂主设备状态检修决策支持系统典型网络结构Fig.2 Typical Network Structure of Condition Based Maintenance Decision Support System for Primary Equipments in Hydropower Plants

2.2 系统业务流程

系统的数据获取、分析、处理和决策管理的业务流程如图3所示。

图3 水电厂主设备状态检修决策支持系统软件业务流程Fig.3 Typical Software Operation Flow of Condition Based Maintenance Decision Support System for Primary Equipments in Hydropower Plants

2.3 系统软件业务框架

水电机组状态检修决策支持系统软件业务功能框图如图4所示。

一个完整的水电机组状态检修辅助决策系统功能模块应包括：数据获取、数据处理、监测预警、状态分析、状态诊断、状态评价、状态预测、风险评估及决策建议。

图4 状态检修辅助决策系统软件业务框图Fig.4 Software Functional Block Diagram of Condition Based Maintenance Decision Support System

系统通过数据服务总线技术实现对外部系统数据的访问调用，并完成与监控系统、状态监测系统、生产管理系统等其他外部系统的数据交互。

系统从生产管理信息系统获取水电机组设备资产的基础数据、运行巡视、检试、缺陷、故障等数据，同时向生产管理信息系统提供机组状态历史数据、状态监视预警信号、状态评价结果、故障诊断结论及维修决策建议等信息；生成的状态分析诊断报告可以作为机组健康档案管理的一部分自动被生产管理系统等外部信息系统查阅调用，从而实现状态检修决策评估相关信息的有效互通互联。

3 水电厂主设备状态检修决策支持系统功能

3.1 数据获取及数据处理

数据获取模块为系统的输入和外部接口模块。依据状态评价导则和设备相关规程，通过相关接口设计与配置，本模块的主要任务是通过通信数据服务总线有效获取生产管理系统、计算机监控系统或现地在线监测系统（装置）中反映设备健康状态指标的各类基础数据、实时数据、人工检查数据、试验数据和其他数据，为进一步的数据处理与判断提供完整的信息资源。

数据处理模块是对数据获取层获得的分析对象原始数据，根据监测、分析诊断等业务需要进行必要的过滤、换算、组合等数据加工和处理过程，使其成为反映设备健康状况的状态量数据，以供监测预警和状态评价使用。某电站典型系统状态量数据获取及处理展示界面见图5。

图5 某电站典型系统状态量数据获取及处理展示界面Fig.5 Typical State Variable Acquisition and Processing Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.2 监测预警

监测预警模块实时监控状态量指标变化，对于超出状态评价导则和设备相关规程规定阈值范围的劣化指标，根据不同的类别和等级及时向外部系统传输告警和预警信息，同时启动设备状态诊断模块，辅助分析故障位置和原因。该功能模块需和前端在线监测设备监测预警软件功能进行协调管理，实现功能的同一化，同时需确定设备的相关故障诊断导则。某电站典型系统监测预警功能参考界面见图6。

图6 某电站典型系统监测预警功能参考界面Fig.6 Typical Monitoring and Early Warning Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.3 状态分析

状态分析模块是对监测预警模块判断后，可采用状态分析方法分析设备当前运行状态，为随时掌握设备健康状况提供参考。某电站典型系统相关分析功能参考界面见图7。

图7 某电站典型系统相关分析功能参考界面Fig7.Typical Correlation Analysis Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.4 状态诊断

状态诊断模块是对监测预警模块发出预警信息或状态评价结果表明健康状态明显下降（可靠性下降状态、缺陷状态、危急状态）的设备，采用状态诊断方法诊断设备可能存在的故障原因和故障部位，为故障处理或状态恢复提供参考。某电站典型系统故障诊断功能参考界面见图8。

图8 某电站典型系统故障诊断功能参考界面Fig.8 Typical Fault Diagnosis Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.5 状态评价

状态评价模块依据发变电设备状态特征量和状态评价相关导则标准，对反映设备健康状态的各指标项数据进行分析评价，并最终得出设备总体健康状态等级。某电站典型系统状态评价结果查询参考界面见图9。

图9 某电站典型系统状态评价结果查询参考界面Fig.9 Typical State Evaluation Results Querying Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.6 状态预测

状态预测模块利用设备当前和历史状态指标数据，采用时间序列算法对各类连续数据进行趋势预测，预测和评价设备今后某一时期健康状态发展趋势，并得出将来状态的评价结果。某电站典型系统状态预测结果查询参考界面见图10。

图10 某电站典型系统状态预测结果查询参考界面Fig.10 Typical State Prediction Results Querying Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.7 风险评估

风险评估模块依据状态评价导则和设备相关规程标准，通过识别设备潜在的内部缺陷和外部威胁，分析设备遭到失效威胁后的资产损失程度和威胁发生概率，通过风险评估模型得出设备的风险等级。某电站典型系统风险评估功能参考界面见图11。

图11 某电站典型系统风险评估功能参考界面Fig.11 Typical Risk Assessment Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.8 决策建议

决策建议模块以设备状态评价结果为基础，综合考虑风险评估结论，建立设备状态和设备失效风险度二维关系模型，综合优化水电机组检修次序、检修时间和检修等级安排。并依据状态检修导则确立的分级维修标准，确定具体的检修项目和检修时间，最终将建议结果递交设备管理人员或传送到相关的外部生产管理系统实施安排。某电站典型系统决策建议报告查询功能参考界面见图12。

图12 某电站典型系统决策建议报告查询功能参考界面Fig.12 Typical Decision Suggesting Report Querying Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

3.9 其他功能

具有对系统搜集到的相关试验数据进行分类管理的能力，具有高级功能的接口和处理能力，具有（第三方）二次数据挖掘等功能。某电站典型系统发电机试验数据查询及录入功能参考界面见图13。

4 系统关键技术

（1）水电机组状态检修评价体系建模技术。

系统需构建面向对象的设备状态检修建模体系，包括合理构建及划分适用于水电厂的设备类型、设备部件、设备编码、表征设备健康状态的参数及其评价体系，设备模型可灵活配置，设备库可积累和复用，设备参数、业务类型可灵活扩展，便于业务逻辑组态及用户级二次开发。

图13 某电站典型系统发电机试验数据查询及录入功能参考界面Fig.13 Typical Generator Experimental Data Querying and Inputting Interface of CBM System in Some Hydropower Plant

（2）智能化变电站/水电厂自动化设备/系统标准数据通信技术。

系统应全面兼容智能化变电站自动化设备/系统数据通信标准协议及数据访问接口，采用IEC 61850标准MMS协议实现与机组状态监测系统的数据交互，采用IEC 61970标准的WebService协议实现与生产管理系统及计算机监控系统等其他第三方外部系统数据交互。

（3）水电机组故障诊断及专家辅助决策技术。

系统应研究基于专家系统、故障树、案例诊断的水电机组故障诊断算法，基于D-S证据理论（Dempster/Shafer证据理论）的多元信息融合技术，融合专家系统法、故障树法、基于案例诊断法三种诊断结果，形成最终诊断结论。

（4）水电设备状态评价依据及状态检修策略研究。

深入研究水电机组状态检修策略、状态检修导则及相关标准体系，充分调研国内外在发电设备诊断、检修管理方面具有丰富经验的研究机构、企业等，吸收世界上先进的设备故障诊断和检修管理思想、方法和技术；研究水电机组状态检修的标度，确定水电机组状态评价的依据，建立水电设备状态好坏的标准，并建立设备状况标准库。

（5）基于可靠性的设备状态评估及设备全寿命周期资产管理技术。

系统应按照基于设备可靠性及故障后果评价分析的可靠性为中心的维修（Reliability Centered Maintenance，简称RCM）[6]模式来制订设备维修策略，按照资产全寿命周期管理设备建模标准构筑以水轮发电机为主的水电站主设备台账模型、试验数据模型、缺陷信息模型、状态数据模型、存储访问及调用处理接口规范，参考主设备生产厂家对其设计寿命、有效运行寿命、最大允许寿命的规定及其实际使用寿命的样本统计数据，实现基于全寿命周期管理设计思想的水电站主设备状态检修辅助决策。

5 结束语

作为水电厂主设备状态检修技术应用的创新性尝试，以水轮机、发电机为主的水电厂主设备状态检修决策支持系统已在松江河和白山发电厂投入实际运用。从状态检修自动化及信息化的技术层面来看，系统已为这两个电厂构建了较为完整的状态监测及状态检修决策支持平台，但在与现场机组运行及检修实际相结合，更好地提升系统的实用性方面，则是关系到机组是否能真正从定修向状态检修发展的核心问题。应该说，水电厂主设备状态检修技术的发展是一项任重而道远的过程，其涉及的技术及管理的专业面之广，其面对的学科领域之多，已超出了任意一家单位独立承担的范围。状态检修核心的技术问题如各类水电机组状态评价依据的建立，相关状态检修导则及其标准体系的建立，流域性、集团化的远程诊断中心及水电机组状态评价中心的建立等都需要设备生产单位、设备运维单位、设计院相关科研院所等行业内各领域的专家学者携手合作，各方群策群力来共同推动我国水电机组状态检修技术在目前基础上的根本性突破。

[1]高峰.葛洲坝水电站设备检修项目管理模块.水电自动化与大坝监测，2010（05）：31-33.GAO Feng.Management Module for Equipment Overhaul Item of Gezhouba Hydroelectric Station.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2010（05）：31-33.

[2]潘伟峰，赵连辉，朱传古.水电厂在线监测分析诊断与状态检修决策评估应用研究.水电自动化与大坝监测，2012（05）：1.PAN Weifeng，ZHAO Lianhui，ZHU Chuangu.Application Research on Assistant Decision and Evaluation for Condition Monitoring and Condition Based Maintenance in Hydropower Plant.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2012（05）：1.

[3]王善永，钟敦美.基于状态监测和专家知识的水电厂状态检修.水电厂自动化，2001（3）：35-38.WANG Shanyong，ZHONG Dunmei.Condition Based Maintenance of Hydropower Plant Based on State Monitoring and Expert Knowledge.Hydropower Plant Automation，2001（3）：35-38.

[4]刘观标，李晓斌，李永红，等.智能水电厂的体系结构.水电自动化与大坝监测，2011（01）：1-4.LIU Guanbiao，LI Xiaobin，LI Yonghong，etc.System Structure of Smart Hydropower Plants.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2011（01）：1-4.

[5]彭志强，朱辰.IEC61850在智能水电厂应用的相关技术.水电自动化与大坝监测.2011（04）：6-8.PENG Zhiqiang，ZHU Chen.Technical Research About Application of Intelligent Hydropower Plant Based on IEC 61850.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2011（04）：6-8.

[6]刘文彬，王庆锋，高金吉，等.以可靠性为中心的智能维修决策模型.北京工业大学学报，2012（5）：673.LIU Wenbin，WANG Qingfeng，GAO Jinji，etc.Reliability-centered Intelligent Maintenance Decisionmaking Model.Journal of Beijing University of Technology，2012（5）：673.

Design and Development on Condition Based Maintenance Decision Support System of Primary Equipments in Hydropower Plants

PAN Weifeng1，MA Chengcheng，ZHU Chuangu1
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing，210003，China）

Firstly，this paper introduces the condition based maintenance technique architecture of primary equipments in hydropower plant，elaborates the composition of condition based maintenance decision support system of primary equipments in hydropower plant，then bring up its system structure，work flow，software operation framework and software function module implementation.Finally，based on above-mentioned，it focus on discussing key technologies involved of condition based maintenance decision support system of hydropower primary equipments.Thus，it also provides a complete technology realization thought for research，development and application on condition based maintenance and health decision evaluation related technology system of primary power generating and transformer equipments in hydropower plants.

Life Cycle Management； Condition Based Maintenance ； Decision Support System ； IEC 61850/ IEC 61970； State evaluation

TV222 文献标识码：A 学科代码：570.25 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.017

2014-08-08

潘伟峰（1977—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：水电厂主设备状态监测与状态检修、水电厂自动化的运用研究工作。Email：panweifeng@sgepri.sgcc.com.cn

马程程（1987—），女，本科，助理工程师，长期从事水电厂自动化的运用研究工作。Email：machengcheng@sgepri.sgcc.com.cn

朱传古（1982—），男，硕士，工程师，主要研究方向：水电厂自动化及水电机组状态监测检修的运用研究工作。