CN100412993C - 基于状态监测的核电厂智能维护系统 - Google Patents

基于状态监测的核电厂智能维护系统 Download PDF

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Abstract

一种基于状态监测的核电厂智能维护系统，属于设备监控及维护技术领域。本发明包括：存储单元、监视端口和计算机网络、计算单元，存储单元中存有核电厂各系统的原始运行数据，该运行数据通过计算机网络送到计算单元，计算单元从运行数据中分析出核电厂的运行状态，并根据运行状态对可能发生的故障进行预测，预测的结果分两路送出，一路通过计算机网络送到监视端口，另一路通过计算机网络送到存储单元，监视端口实时显示核电厂各系统的性能预测结果、运行数据、故障发生情况和维护信息，存储单元负责保存计算单元的预测结果。本发明通过对核电厂各组成系统的运行状态评估预测来预防故障的发生，实现了核电厂的智能维护。

Description

基于状态监测的核电厂智能维护系统
技术领域
本发明涉及的是一种计算机应用技术领域的系统，具体地说，是一种基于状态监测的核电厂智能维护系统。
背景技术
自从核电诞生以来，核安全问题一直是人们所关心的重点，特别是三哩岛事故和切尔诺贝利事故，给不少国家和核电发展留下了难以摆脱的阴影。核电厂的安全标准通常用核安全目标和纵深防御原则两个概念来表示。核安全的总目标是：通过在核电厂建立并保持对辐射危害的有效防御，保护厂区人员、公众和环境。目前核电厂普遍采用的设备维护方式为：(1)反应式维护(ReactiveMaintenance)，这种维护方式就是通常在设备发生故障之后进行维护的传统维护方式，由于故障已经发生，因此对设备的损坏已经造成，由于核电厂普遍采用冗余技术，所以单一设备的损坏不至于使电厂发生停堆事故，但运行的经济性和安全性会受到影响，由此造成的损失也比较大。(2)定期预防式维护(Preventive Maintenance)，这种维护方式是参照设备零部件的使用寿命，定期对设备进行维护，这种维护方式的好处是可以通过更换或维修有可能导致故障的零部件，及时去除设备的故障隐患，从而避免故障的发生。但这种呆板的预防维护也存在一定的不足，例如有可能在核电厂定期停堆维修时，各部件性能却比较正常，不需维修，此时若照例对其更换，势必会造成浪费，增加成本；而有些部件可能在下一次维修之前发生故障，影响核电厂的正常运行。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN1183167A，公开日为1998.05.27，专利名称为：核电站部件的综合数据管理系统，该专利自述为：“该系统包括一个分布式数据库(12)，用于在每个核电站部件的使用期限内保存信息，数据输入终端(14A，14B，14C)，用于将信息输入分布式数据库，以及数据检索终端(16A，16B，16C)，用于从分布式数据库(12)检索信息。通过广域网络(20)分布的数据库(12)将数据输入和数据检索终端和访问信息的分分布式工作站(18A，18B)互联。”其不足之处是：该系统仅侧重于对核电厂部件信息的管理，只能起到部件信息保存和故障记录的作用，可用于部件的维护、升级和事故后的分析，而不能起到对设备性能退化情况的评估及预测故障的作用。研究一种新型的核电厂智能维护系统，对核电厂的各系统的运行状况进行在线监测，收集它们的运行状况信息，运用先进的信息处理技术对其进行分析，对设备的退化进行评估和预测，在需要时主动的进行维护，对于大幅度减小核电厂的运营风险具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于状态监测的核电厂智能维护系统，使其通过对核电厂的各运行系统的性能状况进行评估和预测，进行主动维护来避免故障的发生，增加核电厂运营的可靠性，提高经济效益。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：存储单元、计算单元、监视端口和计算机网络，存储单元中存有核电厂各系统的原始运行数据，该运行数据通过计算机网络送到计算单元，计算单元从运行数据中分析出核电厂的运行状态，并根据运行状态对可能发生的故障进行预测，预测的结果分两路送出，一路通过计算机网络送到监视端口，另一路通过计算机网络送到存储单元，监视端口实时显示核电厂各系统的性能预测结果、运行数据、故障发生情况和维护信息，存储单元负责保存计算单元的预测结果，以供操作员随时在监视端口查看。
所述的存储单元包括三个模块：输入/输出模块、数据库管理模块和智能维护系统数据库，输入/输出模块从核电厂仪控系统数据库中获取核电厂各系统的运行信息，输入/输出模块取得的信息分两路送出，一路送到数据库管理模块，另一路通过计算机网络送到计算单元，数据库管理模块把取得的核电厂各系统的运行信息送到智能维护系统数据库中。
所述的计算单元包括三个模块：信息处理模块、性能预测模块和主控界面模块，信息处理模块从输入/输出模块取得数据，并对取得的核电厂各系统的运行信息进行分析，提取时域或频域特征，信息处理模块的输出与性能预测模块的输入相连，性能预测模块的输出与主控界面模块的输入相连。
所述的性能预测模块首先采用主成分分析方法，从多个特征中提取反应核电厂各系统运行性能的特征向量，然后采用神经网络方法对输入的特征向量进行融合，对核电厂各系统的状态进行识别，对可能发生的故障进行预测。
所述的主控界面模块中生成含有核电厂各系统故障预测信息的人机界面，主控界面模块的处理结果分两路送出，一路通过计算机网络送到监视端口，实时显示核电厂各系统的性能预测结果、运行数据、故障发生情况和维护信息，另一路通过计算机网络送到输入输出模块。
本发明的工作过程和工作原理是：1、主控界面模块运行于计算单元中，该模块对整个软件系统进行组织和管理，使各模块按照：核电厂各系统的数据采集→信息处理→性能的评估与预测→处理结果存储与显示的工作流程运行。它完成模块间的调用、模块间参数传递、向核电厂主控室操作员提供显示有性能评估与预测结果的总体或各系统的界面。2、输入/输出模块运行于数据存储单元中。全数字化的核电厂仪控系统(DCS-分散式控制系统)分为：管理层(集中控制层)、自动控制层和现场层。自动控制层由通过网络互联的基于微处理器的冗余多功能控制器组成，这些控制器负责汇总现场层传感器采集到的核电厂运行状态信息、实施自动控制和与管理层进行信息交换。核电厂所有的运行信息全部存储在管理层存储单元的数据库中。智能维护系统的输入/输出模块通过与存储单元中的原管理层数据库进行接口，从而间接取得核电厂各系统的运行信息，且使数据单向流动(为了保持仪控系统安全，只从原数据库中取数据)，这种方法的特点是不用加装额外的传感器，且采集到的信息可以表达核电厂运行现状，可直接对其进行处理。输入/输出模块调用数据库管理模块，将性能预测模块得出的结果向智能维护系统数据库中添加、更新数据，并完成分析结果报表的生成、报表存取以及打印功能。3、智能维护系统数据库及其管理模块运行于数据存储单元中。智能维护系统数据库模块存储对核电厂各系统的性能评估与寿命预测的重要信息，以备操作员随时查用。其它数据信息也可以根据需要发送到存储单元，例如全部或者关键部位的传感器信息、核电厂故障发生情况和维护信息等，这些数据存储在智能维护系统的数据库中，经不断积累的数据信息可以进行统计分析，作为核电厂的维护和改进、延长使用年限、乃至将来设计核电厂的依据。数据库管理模块完成数据的管理与数据更新(包括插入、修改、删除)的功能，并对数据进行处理，实现数据的报表打印与曲线图输出。4、信息处理模块运行于计算单元中，该模块对所采集的数据进行分析，提取反映设备状态的信息，如时域或频域特征，作为性能预测模块的输入。5、性能预测模块运行于计算单元中，该模块首先采用主成分分析的方法去除多个特征之间的相关性，在保持原来特征信息基本不变的情况下，利用原来特征量线性组合之后形成的少数几个主成分，构成反应核电厂各系统性能的特征向量。然后采用基于小脑模型神经网络(简称小脑模型)的方法对特征向量进行信息融合。小脑模型的输出表示对设备性能的量化的评估，并且可以对设备的性能退化进行预测。6、监视端口：借助主控室内设置的大屏幕或LCD显示器，操作员可以浏览和检索核电厂各系统的性能预测结果、运行数据、故障发生情况和维护信息等。
本发明通过对核电厂各系统或其主要系统性能退化的评估和预测，预防核电厂故障和事故的发生。借助核电厂的数字化仪控系统的硬件资源和信息资源，并配以特定的功能模块实现了设计目标，总体上来说在最大程度的利用核电厂数字化仪控系统资源和不增加其运行负担的基础上，实现了核电厂的智能维护，从而降低了核电厂在设备维护上的成本，提高了核电厂的运行安全系数，同时，还可以将各种重要信息进行收集和统计，为核电厂的维护和改进、延长使用年限、乃至将来核电厂的设计提供事实依据。
附图说明
图1为本发明结构框图。
图2为核电厂系统运行性能趋势分析图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：存储单元、计算单元、监视端口和计算机网络，所述的存储单元包括三个模块：输入/输出模块、数据库管理模块和智能维护系统数据库，所述的计算单元包括三个模块：信息处理模块、性能预测模块和主控界面模块，计算单元、存储单元和监视端口借助计算机网络互联。计算单元、存储单元和计算机网络均为核电厂数字化操作和监视系统固有的硬件资源，此外为操纵员和值长各配置1台防震LCD显示器作为监视端口。
1、计算单元中的主控界面模块，在主控界面模块的调度下，输入/输出模块从运行于存储单元中的原管理层数据库中获取核电厂各系统的运行信息。输入/输出模块取得的信息通过数据库管理模块写入智能维护系统的数据库中，同时把该信息输入到信息处理模块，信息处理模块的输出与性能预测模块的输入相连，性能预测模块的预测结果输入到主控界面模块，主控界面模块的处理结果经调用以图形显示的形式提供给主控室操作员，同时传送到输入/输出模块，再通过数据库管理模块写入智能维护系统的数据库中。
2、计算单元中的信息处理模块，核电厂智能维护系统中的信息处理模块对原始数据进行分析，提取出能够表示核电厂各系统状态或性能的特征量。信息处理模块的数据处理方法包括：幅值分析方法(最大最小值、峰-峰值)；统计分析方法(如均值、方差、均方差)；傅立叶变换或小波变换等。这些信息处理方法以模块化形式实现，同一种数据可进行不同的处理。数据经处理后进入性能预测模块。
3、计算单元中的性能预测模块，性能预测模块首先通过主成分分析，利用几个不相关的综合变量来代替原来较多的相关变量，不仅去除了数据之间的相关性，而且这些不相关的综合变量能够反映原变量提供的大部分信息，使后面的处理简单易行。主成分分析后得到的能够表征设备性能的主要信息作为小脑模型的输入，小脑模型完成对设备当前状态的识别及设备性能退化的预测。小脑模型神经网络的训练可分为两种情况：(1)当核电厂各系统处于正常状态和各种故障状态时的数据都比较齐备时，可以采用各种不同状态时的数据对神经网络进行训练，假设核电厂各系统运行正常时神经网络的输出为1，当处于不同故障状态时，网络的输出为-1，-2，-3等。通过训练，使其建立输入向量与不同状态之间的对应关系，训练后的网络即可用于核电厂各系统性能的监控。在实际的监控过程中，当某一小脑模型的输出接近某种已知状态时的输出时，代表核电厂的与其对应的系统处于该状态。(2)当仅具有正常状态时的数据时，采用这些数据对神经网络进行训练，假设核电厂各系统运行正常时神经网络的输出为1，如果网络的输出越偏离1，说明核电厂各系统越偏离正常状态，依据经验和手册等制定相应的阀值来决定是否需要进行报警或采取适当的维护措施。
4、存储单元中的输入/输出模块，本发明通过输入/输出模块从核电厂数字化仪控系统管理层的数据库中采集数据。核电厂安装了大量的过程量传感器、电量传感器和力传感器，用以实时反映核电厂运行状态，这些传感器工作于核电厂现场层，采集的信号汇总到自动控制层的多功能控制器中，并由自动控制层的多功能控制器实施自动控制和与管理层进行信息交换，所以管理层的数据库中存储了核电厂运行的历史信息和当前信息。输入/输出模块通过与存储单元中的原管理层数据库进行接口，间接取得核电厂各系统的运行信息，且使数据单向流动(为了保持仪控系统安全，只从原数据库中取数据)。核电厂智能维护系统从管理层的数据库中采集数据的优点是：可以采集到核电厂运行的原始数据，这对于分析和预测核电厂各系统的性能是极为重要的；另外，该方法实施容易，不用加装额外的传感器，采集的信息可直接由信息处理模块进行分析。输入/输出模块调用数据库管理模块，将性能预测模块得出的结果向智能维护系统数据库中添加、更新数据，并完成分析结果报表的生成、报表存取以及打印功能。
5、存储单元中的数据库管理模块和智能维护系统数据库，智能维护系统数据库模块存储对核电厂各系统的性能评估与寿命预测的重要信息，以备操作员随时查用。其它数据信息也可以根据需要发送到存储单元，例如全部或者关键部位的传感器信息、核电厂故障发生情况和维护信息等，这些数据存储在智能维护系统的数据库中，经不断积累的数据信息可以进行统计分析，作为核电厂的维护和改进、延长使用年限、乃至将来设计核电厂的依据。数据库管理模块完成数据的管理与数据更新(包括插入、修改、删除)的功能，并对数据进行处理，实现数据的报表打印与曲线图输出。
6、监视端口，操作员和值长可以在监视端口浏览智能维护系统数据库中的历史数据，为了便于操作员对核电厂各系统运行状态的掌握，所发明的核电厂智能维护系统提供两种信息显示方式：一是采用显示性能趋势方式，性能趋势是根据小脑模型对设备当前状态的识别及设备性能退化的预测结果，并结合各类设备诊断参考标准形成的核电厂系统运行性能趋势分析图(如图2所示)，可用于评判设备运行状态的优劣和故障的早期预报。核电厂任何一个系统的性能趋势可用图2所示的四种曲线图之一表示。图A和图B表示设备当前的性能状况不一致，但设备性能变化趋势是平坦的，该设备在很长一段时间内会保持现有的运行状态，可以认为是安全的，不需对其进行维护；图C和图D也表示设备当前的性能状况不一致，但设备性能向着劣化方向快速变化，可以认为该设备处于有风险运行阶段，需要对其进行主动的维护以防止事故的发生。二是采用直接显示数据的方式，该方式可以弥补趋势分析显示中只有比较模糊的设备性能趋势的缺点，提供了设备故障和性能退化的精确数值显示。总之，监视端口可以向操作员提供所需的核电厂各系统运行状态信息和性能预测信息，如哪个系统的运行存在风险需要对其进行维护、可能出现故障的位置等。这些信息可以反馈到核电厂管理信息中心对其进行备份存档、可以反馈到维护中心对可能出现的故障进行处理和反馈到技术中心为以后核电厂的改进和设计新的核电厂提供依据。

Claims (3)

1. 一种基于状态监测的核电厂智能维护系统，包括：存储单元、监视端口和计算机网络，其特征在于，还包括：计算单元，存储单元中存有核电厂各系统的原始运行数据，该运行数据通过计算机网络送到计算单元，计算单元从运行数据中分析出核电厂的运行状态，并根据运行状态对可能发生的故障进行预测，预测的结果分两路送出，一路通过计算机网络送到监视端口，另一路通过计算机网络送到存储单元，监视端口实时显示核电厂各系统的性能预测结果、运行数据、故障发生情况和维护信息，存储单元负责保存计算单元的预测结果，以供操作员随时在监视端口查看，所述的计算单元包括三个模块：信息处理模块、性能预测模块和主控界面模块，信息处理模块从输入/输出模块取得数据，并对取得的核电厂各系统的运行信息进行分析，提取时域或频域特征，信息处理模块的输出与性能预测模块的输入相连，性能预测模块的输出与主控界面模块的输入相连；
所述的存储单元包括三个模块：输入/输出模块、数据库管理模块和智能维护系统数据库，输入/输出模块从核电厂仪控系统数据库中获取核电厂各系统的运行信息，输入/输出模块取得的信息分两路送出，一路送到数据库管理模块，另一路通过计算机网络送到计算单元，数据库管理模块把取得的核电厂各系统的运行信息送到智能维护系统数据库中。
2. 根据权利要求1所述的基于状态监测的核电厂智能维护系统，其特征是，所述的性能预测模块首先采用主成分分析方法，从多个特征中提取反应核电厂各系统运行性能的特征向量，然后采用神经网络方法对输入的特征向量进行融合，对核电厂各系统的状态进行识别，对可能发生的故障进行预测。
3. 根据权利要求1所述的基于状态监测的核电厂智能维护系统，其特征是，所述的主控界面模块中生成含有核电厂各系统故障预测信息的人机界面，主控界面模块的处理结果分两路送出，一路通过计算机网络送到监视端口，实时显示核电厂各系统的性能预测结果、运行数据、故障发生情况和维护信息，另一路通过计算机网络送到输入输出模块。
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