基于实时可靠性分析的电站设备状态评价及预测

摘要：近年来，随着我国社会经济的不断发展，社会形态发生了翻天覆地的变化，对电力资源的需求也急剧增加，促进了我国电力事业的发展。当前，电站机组正朝着智能化、自动化、大容量的方向发展，电站机组系统更加复杂，对影响其正常运行的因素进行预测也更难，所以对电站设备的实时可靠性进行评价和预测显得尤为重要。

关键词：实时可靠性分析；电站设备；状态评价；电力资源；电力事业 文献标识码：A

中图分类号：TM732 文章编号：1009-2374（2016）09-0137-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.067

可靠性并不是决定设备的唯一标准，但是电力系统具有自身特点，所以对可靠性具有非常高的要求。实时可靠性指的是可以在线监测设备和系统的设备信息，并对设备可靠性进行实时评价的能力；而运行可靠度可定义为在电站设备实时运行过程中，通过在线监测反映的信息，对设备进行表征的度量。

1 设备实时可靠性分析理论

1.1 实时可靠性理论

我们将设备在规定条件和时间内完成规定功能的能力称为设备可靠性。一直以来，人们普遍采用概率度量对设备可靠性进行表示，公式为R（t）=P（T>t）。该式中R（t）代表的是设备在规定条件、t时刻前不出现故障的概率。用这种方法对设备的可靠性进行判定已经不符合当前时代的发展需要，该方法并不能将设备性能下降情况准确地表示出来，不利于设备运行以及维修人员开展设备维修工作。通过对运行现场的实际需求分析，我们能够发现，实时可靠性的分析结果应当是明确的指标，能够对设备功能实现情况以及性能下降程度做到实时反映，当发现设备性能不能满足运行需求时做出预警，及早采取措施，避免设备运行出现问题，导致电力企业运行不畅。从当前来看，无论是国外还是国内，在实时可靠性评价和预测方面都处于探索阶段，尚未形成一套先进的、统一的理论体系，有待进一步研究。

1.2 实时可靠性评价标准

实时可靠性评价标准包括两个方面：一个是等级评价；另一个是趋势评价。

1.2.1 等级评价。是根据运行可靠度下降量评价设备实时可靠性水平的阈值标准，该评价标准由可靠性等级和阈值两部分组成。对于可靠性等级数目划分上并没有一个明确的标准，需要用户根据实际情况进行划分，但是建议尽可能多地划分等级，等级越多，则状态评价越全面、越详细。本文结合实际需求，将可靠性等级评价划分为四个等级（V1～V4），对应的可靠度下降量阈值为V1～V4。其中V1代表设备可靠性较好，功能可以全部实现；V2代表设备可靠性出现轻微下降，功能实现受到一定影响；V3代表设备可靠性下降明显，功能实现受到严重影响；V4代表设备可靠性恶化情况严重，各项功能已经失效。需要注意的是，对电站内其他设备的可靠性进行评价，可以全部采用这一评价标准，不需要另行设定。但是由于每种设备可靠性状态对可靠度下降量敏感程度是存在区别的，所以每种设备的阈值都是不同的。阈值的确定需要工作人员对各个设备的故障机理、工作原理做到熟练掌握，结合同类设备历史记录对当前设备可靠度下降量进行分析和确定。

1.2.2 趋势评价。在完成设备的当前可靠性等级评价工作之后，就能够得出可靠性变化趋势图，以此为依据，对设备在下一时间段的可靠性状态变化进行分析，根据分析结果，明确解决措施：V1下一时段为上升变化或保持不变，保持正常监测即可，不需要采取措施，如果出现下降趋势，只需加强监测，暂时不需要采取措施；V2下一时段为上升变化或保持不变，保持监测频率，不需要采取措施，如果出现下降趋势，应当加强检测，将异常原因找出；V3下一时段为上升变化需要加强检测，将异常原因找出，如果保持不变或者是出现下降趋势，要在加强监测的同时，有针对性地采取措施；V4下一时段为上升趋势，要加强检测，有针对性地采取措施，如果保持不变，需要进行调节，停机进行检查，如果呈现下降趋势，则需要马上将设备停机进行检查。

2 水轮机组实时可靠性分析

2.1 建模分析

水轮机组是一个非常复杂的系统，由多个不同设备组成，所以相对来说可靠性分析也要更复杂一些。本文对水轮机组的实时可靠性分析借鉴了状态特征空间理论，结合分层次递进分析方法。

将监测参数设置为p1（t），p2（t），…，pn（t），因为无论参数为多少，它们所对应的对象都是同一个，所以在这里，将这些监测参数考虑为一个整体，并共同构成n维向量（状态特征向量），表示为e=[p1，p2，…，pn]T。

因为该系统的组成比较复杂，所以其实时可靠性状态主要是由每个设备的实时可靠性决定的，在这里，用e1（t），e2（t），…，en（t）表示。与上述相同，共同构成m维向量（状态特征向量），表示为E=[e1，e2，…，en]T。在上述这两个式子中，n所代表的是监测参数个数，需要注意的是，n并不是固定的，要根据对应设备进行取值。

通过上述式子我们可以看出，该系统具有明显的层次性结构，所以可以用R运行=f（E）=f（e1，e2，…，em）对其实时可靠性和运行监测参数关系进行表示。在该式中，R运行表示的是系统在运行过程中的可靠度；f表示的是两者的关系函数。

2.2 系统划分

水轮机组包含的设备数量和种类都比较多，所以水轮机组的结构与其他机组相比也就更复杂一些，采取文章所述方法对水轮机组进行实时可靠性分析就要先划分机组，按照功能、属性等将整体系统划分为各个子系统，如果在完成初次划分之后，子系统结构仍然复杂，则可以再进行一次划分，本文将水轮机组划分为系统、设备以及部件三个等级。

2.3 部件层实时可靠性分析

运行监测参数能够直接将部件实时可靠性体现出来，对于水轮机组来说，部件层实时可靠性分析是基础。本文建立的数学模型主要有参数匹配、实时可靠性计算和预测模型。

参数匹配。笔者对水轮机组各部件进行了一次全面的FTA分析，将故障模式全部确定出来，并构成集合F={f1，f2，…，fn}。n为故障数量，fi为第i种故障。

通过对故障进行FMEA分析，对运行监测参数进行了确定，构成集合Pi'={pi1，pi2，…，pin}。Pi'、pj和n分别代表监测参数集合、第j个监测参数和监测参数数量。

部件运行监测参数集合p={p1'，p2'，…，pn'}。

完成上述运行监测参数的确定之后，就可以对部件实时可靠性进行计算，并对其等级进行评价。

运行可靠度下降量。多个运行监测数据之间具有一定的相关性，借助主成分分析法将相关性消除。

等级阈值。首先需要将每个部件的阈值求出来。借助部件历史故障记录将运行可靠度下降量计算出来，最后再进行统计分析，将每个部件的可靠性状态等级阈值确定出来。当确定完阈值之后，根据评价标准，对各部件实时可靠性状态和功能实现程度进行评价。

2.4 设备层实时可靠性分析

设备是由多个部件共同组成的，各部件之间相互协调从而实现设备的运行。如果某一个部件性能变差，那么该设备必然也将受到这一部件的影响而失去稳定性，因此可以借助对各个部件的实时可靠性分析对设备的实时可靠性进行评价。

重要度。重要度简单来说就是当某部件性能下降或失效时，对设备性能实现的影响程度。重要度直接决定了部件对功能实现的影响程度。一般来说，可以用危害程度得分对其重要度进行衡量。首先需要对设备部件构成进行分析，然后通过故障模式、故障影响、故障危害度以及FTA等分析方法找出设备中发生故障的部件，按照表1所示评分标准，对故障危害程度进行评分。

表1 故障危害程度评分标准

实时可靠性。受到运行可靠度下降量影响，表达公式为：

可靠性预测。根据表1和实时可靠性数学模型绘制出可靠度下降量变化趋势图，当设备实时可靠性下降非常明显时，立即预警，有效避免了重大故障的发生。

在计算出设备运行可靠度下降量后，通过前文所述评价标准，对设备的实时可靠性等级进行评价，需要注意的是，要先计算出阈值。

2.5 系统层实时可靠性分析

系统层实时可靠性分析同设备层实时可靠性分析方法相同，就是借助组成系统的各个设备的实时可靠性下降量对系统实时可靠性进行评价。

重要度。当某设备性能下降或者失效时，对系统功能实现的影响程度。重要度直接决定了设备对系统实现的影响程度。在设备以及部件敏感度的计算上与设备层计算方法一致。

可靠性预测。为了确保系统的实时可靠性评价结果更加准确和全面，除了要对当前系统的实时可靠性进行分析之外，还需要对其未来可靠性状态进行合理预测。根据系统可靠性评分标准和实时可靠性数学模型绘制出可靠度下降量变化趋势图，当系统实时可靠性下降非常明显时，立即预警。

3 结语

文章以水轮机组为例，通过建模对其实时可靠性进行了分析。由于篇幅限制，有一些相似模型在文章中并未体现，这也是本文的不足之处。电站机组涉及的设备比较多，工作环境相对来说也比较复杂，此项研究工作可以说是刚刚起步，还有许多不足之处，在今后的工作中需要不断完善和改进。

参考文献

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作者简介：胡晓阳（1981-），男，湖南益阳人，供职于国家电力投资集团公司五凌电力有限公司，中级职称，研究方向：电力工程技术。

（责任编辑：秦逊玉）