CN105160489B - 一种水电机组变权劣化评估系统及评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水电机组变权劣化评估系统及评估方法，系统包括依次连接的评价数据层、评价指标层、评价算法层和人机交互层。方法为一种可变权重的多因子机组劣化评价算法：采用评价数据层的数据集成技术对各类评价数据进行统一处理，将评价数据集成输入到评价指标层，计算各个指标劣化程度，同时读取各个指标的权重参数，最终加权计算获取机组整体健康状态结果并输出到人机接口上。利用本发明可实时对机组进行劣化评价、提供在线运行监视和状态维修指导。本发明可为不同水电厂、不同时期及不同状态的水电机组状态检修及劣化评价系统构建提供有效解决方案，为水电厂设备劣化分析提供高效、实用的决策服务，从而为状态检修的开展提供可靠支撑。
Description
技术领域
本发明涉及水电机组状态评价领域，具体涉及一种水电机组变权劣化评估系统及评估方法。
背景技术
水电机组在运行过程中受冲蚀、磨损、交变应力等因素作用，各个部件的性能会随着服役时间的增加而逐渐退化。其由于其设备性能的可靠性对电网的安全稳定起重要影响，如发生故障将可能导致机组进行停机检修，从而扰乱电厂的常规运行，造成严重经济损失，甚至发生电网解列等灾难性事故。因此，改变传统单一的被动维修模式，促使水电机组检修向预测维护方向发展，避免因水电机组检而引起电网灾难性事故，提高水电机组的利用率，缩短停机维修时间，这对于提高水电企业的经济效益和社会效益，促进国民经济的发展具有十分重要的意义。
性能劣化评估侧重于对水电机组全寿命周期性能劣化走向的分析，而并不局限于对某个时刻状态的诊断，是一种先进的主动维护模式。当水电机组发生故障前，性能劣化评估通过对设备性能劣化的程度进行准确的评估来制定有针对性地设备维护计划，达到预防突发故障的目的。虽然目前对水电机组已有若干监测和性能分析系统，不少也带有简单的故障诊断功能，但主要侧重于机组振动数据，只能够获取到若干设备的部分信息，而故障诊断和劣化分析所需的大量基础数据则存在于许多分散孤立的应用系统当中，使各种系统之间形成信息孤岛，同时没有建立机组的综合劣化分析模型，或者其劣化的表征方式和指标构建研究缺乏工程实践的适用性。传统评价方法往往局限于单一测点和单一评价指标，无法充分利用机组各个部件信息来进行综合评价。
发明内容
针对上述问题，本发明目的是提供一种水电机组变权劣化评估系统及评估方法，对于水电机组不同部件、各个时期可快速构建能够符合实际的多因素劣化评价解决方案，从而实现对水电机组高效、可靠的劣化评价和维修决策。
本发明的技术方案为：
一种水电机组变权劣化评估系统，包括依次连接的评价数据模块、评价指标模块、评价算法模块和人机交互模块：
所述的评价数据模块，用于获取机组劣化评价所需的实时数据和历史数据，并采用数据集成方法【数据集成是把不同来源、格式、特点性质的数据在逻辑上或物理上有机地集中，从而为企业提供全面的数据共享，向下协调各数据源系统，向上为访问集成数据的应用提供统一数据模式和数据访问的通用接口】对不同类型的数据进行处理，使其符合使用的规范和要求，提供统一数据模式，并提供数据访问接口；
所述的评价指标模块包含四部分，分别为数值越限值评价模块、趋势越限评价模块、先天性家族缺陷评价模块和人工巡检部件缺陷评价模块；用于根据评价数据模块获得实时数据和历史数据，计算能表征设备运行状态和故障状态的各个指标的关键特征参数值，关键特征参数值包括数值越限劣化评价值、趋势越限劣化评价值、家族劣化评价值和巡检劣化评价值；
所述的评价算法模块，包括指标和权重配置模块，指标和权重配置模块中设置有以下数据：参与机组劣化评估的各个部件的名称和权重，以及参与各个部件劣化评估的各个指标的名称和权重；通过读取参与各个部件劣化评估的各个指标和指标权重数据，将评价指标模块计算得到的各个指标的关键特征参数值进行加权计算，得到各个部件的劣化评价值；将参与机组劣化评估的各个部件的劣化评价值进行加权计算，得到机组的综合劣化评价值；并输出给人机接口模块；
所述的人机接口模块，用于显示机组的综合劣化评价值。
所述的评价数据模块与各个水电站侧的在线监测系统相连；用于从各个水电站侧的在线监测系统获取的机组劣化评价所需实时数据和历史数据，包括机组监测数据、机组工况数据、机组监控数据、机组设计数据、巡检数据及同类家族设备的故障情况数据；机组监测数据包括振动和摆度；机组工况数据包括有功功率、无功功率、导叶开度和水头；机组监控数据包括温度、压力、油压和油位；机组设计数据包括设计图纸、设计报告、数值模拟报告和验收记录；巡检数据包括部件裂纹、锈蚀、松动照片及文字记录。
所述人机交互模块包括输入模块，用于对所述评价算法层中的指标和权重配置模块中的数据进行修改，包括增加指标个数和修改指标权重。劣化评价指标采用变权重的方式进行加权，可以人工针对各个指标进行增加指标个数和修改指标权重操作，，从而能够适应不同机组不同时期的机组劣化评价要求，满足实际工况的需求。
一种水电机组变权劣化评估方法，应用于上述的水电机组变权劣化评估系统，包括以下步骤：
步骤一：通过评价数据模块获取机组劣化评估所需的数据，并采用数据集成方法对不同类型的机组劣化数据进行处理，使其符合使用的规范和要求，提供统一数据模式，并提供数据访问接口；
步骤二：评价指标模块根据评价数据模块获得实时数据和历史数据，计算能表征设备运行状态和故障状态的各个指标的关键特征参数值，关键特征参数值包括数值越限劣化评价值、趋势越限劣化评价值、家族劣化评价值和巡检劣化评价值；
步骤三：评价算法模块通过读取参与各个部件劣化评估的各个指标和指标权重数据，将评价指标模块计算得到的各个指标的关键特征参数值进行加权计算，得到各个部件的劣化评价值；将参与机组劣化评估的各个部件的劣化评价值进行加权计算，得到机组的综合劣化评价值；并输出给人机接口模块；
步骤四：人机接口模块根据评价算法模块的计算结果，显示机组的综合劣化评价值。
所述步骤一中，评价数据层从各个水电站侧的在线监测系统获取机组劣化评估所需的实时数据和历史数据；包括机组监测数据、机组工况数据、机组监控数据、机组设计数据、巡检数据及同类家族设备的故障情况数据；机组监测数据包括振动和摆度；机组工况数据包括有功功率、无功功率、导叶开度和水头；机组监控数据包括温度、压力、油压和油位；机组设计数据包括设计图纸、设计报告、数值模拟报告和验收记录；巡检数据包括部件裂纹、锈蚀、松动照片及文字记录。
所述步骤二中，数值越限劣化评价值通过以下公式计算：
其中，Lr为数值越限劣化评价值，Vr为指标的实际监测值，Vmax1为指标的极端值；Vmin1为指标的极优值；Vmax1和Vmin1根据相关的国际标准选取，通常按照如《GB/T 15468-2006水轮机基本技术条件》等国标内的相应限值选取；
趋势越限劣化评价值通过以下公式计算：
其中，Lt为趋势越限劣化评价值，Vt为指标趋势测量值，Vmax2为指标趋势的极端值；Vmin2为指标趋势的极优值；Vmax2和Vmin2由指标长期统计的拟合趋势得到，Vmax2设为拟合趋势的1.5倍，Vmin2为拟合趋势的0.5倍；趋势是指振动值随时间变化的幅值增大速率。
所述步骤三中，各个部件的劣化评价值计算公式为：
其中，Lb为综合劣化指数，M为参与部件综合劣化评价的指标个数，Lri为第i个指标的数值越限劣化评价值，Lti为第i个指标的趋势越限劣化评价值，Lf为该部件的家族劣化评价值(家族缺陷扣分)，Lx为该部件巡检劣化评价值(巡检扣分)，家族劣化评价值和巡检劣化评价值通过专家人工分析同类家族设备的故障情况数据和巡检数据，进行人工评级从而得到相应评价值；以家族劣化评价值为例，将初始设计分为以下五级：优秀、良好、正常、有微小设计缺陷和有重大设计缺陷，分别对应的家族劣化评价值(家族缺陷扣分)Lf为0、5、10、15、20。Wri为第i个指标的数值越限劣化评价值对应的权重，Wti为第i个指标的趋势趋势越限劣化评价值对应的权重；
在计算得到参与机组劣化评价的不同部件的劣化评价值之后，加权计算得到机组综合劣化评价值，计算公式为：
其中Ljz为机组综合劣化评价值，N为参与机组综合劣评价的部件的个数，Lbn为第n个部件的劣化评价值，Wbn为第n个部件的劣化评价值对应的权重。
所述步骤三中，指标权重配置模块中设置的参与机组劣化评估的各个部件的名称和权重，以及参与各个部件的劣化评估的各个指标的名称和权重如下表：
所述步骤三中，通过所述人机交互模块对权重配置模块中设置的参与机组劣化评估的各个部件的名称和权重，以及参与各个部件的劣化评估的各个指标的名称和权重进行修改，包括修改参与机组劣化评估的部件个数和权重，及参与各个部件的劣化评估的指标个数和权重。
所述步骤三中，评价算法模块还根据机组综合劣化评价值的历史数据和实时数据，生成机组健康程度的图表和报告。
本发明采用了一种可变权重的多因子机组劣化评价算法：采用评价数据层的数据集成技术对各类评价数据进行统一处理，将评价数据集成输入到评价指标层，计算各个指标劣化程度，同时读取各个指标的权重参数，最终加权计算获取机组整体健康状态结果并输出到人机接口上。利用本发明可实时对机组进行劣化评价、提供在线运行监视和状态维修指导。本发明可为不同水电厂、不同时期及不同状态的水电机组状态检修及劣化评价系统构建提供有效解决方案，为水电厂设备劣化分析提供高效、实用的决策服务，从而为状态检修的开展提供可靠支撑。
有益效果：本发明状态评价系统是基于在线采集数据、振动值变化趋势、家族先天性缺陷和人工巡检四方面数据进行综合评估，有效地利用了各个机组信息，克服了数据孤岛问题，实现不同水电厂、不同时期及不同状态劣化评价系统的快速搭建，为水电厂设备劣化分析提供高效、实用服务，从而为状态检修的开展提供可靠支撑。
附图说明
图1水电机组劣化评估系统架构图
图2机组加权评价流程图
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。
本发明公开了一种水电机组变权劣化评估系统，其结构包括依次连接的四层结构，即评价数据层(模块)、评价指标层(模块)、评价算法层(模块)和人机交互层(模块)，见图1。其中的评价数据层为评价指标层提供自动监测和人工输入的数据，而评价指标层将安全评价指标封装成模型，将相应数据输入提供给评价指标层的指标计算模块，获取各个指标评价的关键参数，同时提供给评价算法层，而评价算法层则通过预先设定的权重数据综合各个关键参数，获取机组的劣化综合状态结果，下面对该四层结构进行详细说明。
1、评价数据层
评价数据层可以使用多种数据可进行数据存取，数据存取接口用于读写各类实时数据库和关系型数据库，采用数据集成技术对不同类型的机组劣化数据进行统一处理，使其符合使用的规范和要求。劣化数据主要包括四大类。参照图2中的数据类型。
1.1)在线监测数据主要包括：机组定子基座振动，定子铁芯振动、上导摆度、下导摆度、水导摆度、上机架振动、下机架振动；
1.2)监控数据主要包括：温度、压力、油压、油位等；
1.3)工况参数：有功功率、无功功率、导叶开度、定子电流、水头；
1.4)家族缺陷数据：同类家族设备的故障情况数据；
1.5)人工巡检记录：部件裂纹、锈蚀、松动的照片及文字记录
1.6)设计数据：设计图纸，设计报告，数值模拟报告、验收记录
2、评价指标层
评价指标层是机组劣化评价的基础，将各个评价指标封装成相对独立模块，接收评价数据层的数据进行安全指标的计算，并将计算结果提供给评价算法层。水电厂劣化评价指标对水电厂综合安全评价至关重要，反映安全评价的可靠性和合理性。
评价指标层通过评价数据层获得实时数据和历史数据后，获得能反映设备运行状态和故障状态的关键特征参数。
3、评价算法层
评价算法层的输入是各个劣化评价指标结果，通过预先设定的加权规则可以实时计算综合劣化值并提供给人机接口。而评价算法层的指标和权重配置模块设定有以下功能：
3.1)可以自定义多个部件；
3.2)每个部件下可以定义多个评价规则；
3.3)每个规则里可以包含多个参与综合评价的指标；
3.4)规则里的每一个指标的劣化模型即劣化评价计算公式、边界参数、权重可以独立指定。
3.5)指定部件的家族先天缺陷扣分值；
3.6)定义新的指标参数、删除指标参数；
4、人机交互层
人机交互层是将综合劣化评价结果以图表和报告的形式直观的提供给用户。
图表和报告系统将健康数据和同类型机组和机组检修后健康状态的数据样本显示出来，并给出当前机组的样本数据，显示机组当前劣化指标和历史劣化指标，从而按照劣化程度给出维修建议和重点关注的部分。
如图2所示，本发明的水电机组变权劣化评估系统，利用上述的劣化评估系统，按照以下步骤实施：
步骤1、评价数据的采集和集成
通过评价数据层获取劣化评估所需的数据，采用评价数据层的数据集成技术对各类劣化数据进行统一处理，使其符合统一规范要求，满足应用需求；
步骤2、评价指标的输入和计算
针对自动获取的数据，评价指标层获取实时数据和历史数据，按照预先定义来计算能表征设备运行状态和故障状态的关键特征参数；
步骤3、机组综合劣化度计算
评价指标层获取到评价指标层获取的各个关键特征参数后，带入综合加权模型进行计算，根据各部件的劣化评价权重规则实时计算各部件的综合劣化值。最终得到整个机组劣化状态值。
步骤4、安全评价人机交互
将上步提供的安全评价数据层、评价指标层和评价算法层各组件按照评价流程搭建劣化评价系统，建立人机接口，为电厂机组提供实时评价和维修决策。
实施例1：本实施例的特点在于，指标和权重配置模块中设置的参与机组劣化评估的各个部件的名称和权重，以及参与各个部件的劣化评估的各个指标的名称和权重如下表：
本发明采用了一种可变权重的多因子机组劣化评价算法：采用评价数据层的数据集成技术对各类评价数据进行统一处理，将评价数据集成输入到评价指标层，计算各个指标劣化程度，同时读取各个指标的权重参数，最终加权计算获取机组整体健康状态结果并输出到人机接口上。利用本发明可实时对机组进行劣化评价、提供在线运行监视和状态维修指导。本发明可为不同水电厂、不同时期及不同状态的水电机组状态检修及劣化评价系统构建提供有效解决方案，为水电厂设备劣化分析提供高效、实用的决策服务，从而为状态检修的开展提供可靠支撑。
Claims (10)
1.一种水电机组变权劣化评估系统，其特征在于：包括依次连接的评价数据模块、评价指标模块、评价算法模块和人机交互模块：
所述的评价数据模块，用于获取机组劣化评价所需的实时数据和历史数据，并采用数据集成方法对不同类型的数据进行处理，提供统一数据模式，并提供数据访问接口；
所述的评价指标模块包含四部分，分别为数值越限值评价模块、趋势越限评价模块、先天性家族缺陷评价模块和人工巡检部件缺陷评价模块；用于根据评价数据模块获得实时数据和历史数据，计算能表征设备运行状态和故障状态的各个指标的关键特征参数值，关键特征参数值包括数值越限劣化评价值、趋势越限劣化评价值、家族劣化评价值和巡检劣化评价值；
所述的评价算法模块，包括指标和权重配置模块，指标和权重配置模块中设置有以下数据：参与机组劣化评估的各个部件的名称和权重，以及参与各个部件劣化评估的各个指标的名称和权重；通过读取参与各个部件劣化评估的各个指标和指标权重数据，将评价指标模块计算得到的各个指标的关键特征参数值进行加权计算，得到各个部件的劣化评价值；将参与机组劣化评估的各个部件的劣化评价值进行加权计算，得到机组的综合劣化评价值；并输出给人机接口模块；
所述的人机接口模块，用于显示机组的综合劣化评价值。
2.根据权利要求1所述的水电机组变权劣化评估系统，其特征在于，所述的评价数据模块与各个水电站侧的在线监测系统相连；用于从各个水电站侧的在线监测系统获取的机组劣化评价所需实时数据和历史数据，包括机组监测数据、机组工况数据、机组监控数据、机组设计数据、巡检数据及同类家族设备的故障情况数据；机组监测数据包括振动和摆度；机组工况数据包括有功功率、无功功率、导叶开度和水头；机组监控数据包括温度、压力、油压和油位；机组设计数据包括设计图纸、设计报告、数值模拟报告和验收记录；巡检数据包括部件裂纹、锈蚀、松动照片及文字记录。
3.根据权利要求1所述的水电机组变权劣化评估系统，其特征在于，所述人机交互模块包括输入模块，用于对所述评价算法层中的指标和权重配置模块中的数据进行修改，包括增加指标个数和修改指标权重。
4.一种水电机组变权劣化评估方法，其特征在于，应用于权利要求1～3中任一项所述的水电机组变权劣化评估系统，包括以下步骤：
步骤一：通过评价数据模块获取机组劣化评估所需的数据，并采用数据集成方法对不同类型的机组劣化数据进行处理，提供统一数据模式，并提供数据访问接口；
步骤二：评价指标模块根据评价数据模块获得实时数据和历史数据，计算能表征设备运行状态和故障状态的各个指标的关键特征参数值，关键特征参数值包括数值越限劣化评价值、趋势越限劣化评价值、家族劣化评价值和巡检劣化评价值；
步骤三：评价算法模块通过读取参与各个部件劣化评估的各个指标和指标权重数据，将评价指标模块计算得到的各个指标的关键特征参数值进行加权计算，得到各个部件的劣化评价值；将参与机组劣化评估的各个部件的劣化评价值进行加权计算，得到机组的综合劣化评价值；并输出给人机接口模块；
步骤四：人机接口模块根据评价算法模块的计算结果，显示机组的综合劣化评价值。
5.根据权利要求4所述的水电机组变权劣化评估方法，其特征在于，所述步骤一中，评价数据层从各个水电站侧的在线监测系统获取机组劣化评估所需的实时数据和历史数据；包括机组监测数据、机组工况数据、机组监控数据、机组设计数据、巡检数据及同类家族设备的故障情况数据；机组监测数据包括振动和摆度；机组工况数据包括有功功率、无功功率、导叶开度和水头；机组监控数据包括温度、压力、油压和油位；机组设计数据包括设计图纸、设计报告、数值模拟报告和验收记录；巡检数据包括部件裂纹、锈蚀、松动照片及文字记录。
6.根据权利要求5所述的水电机组变权劣化评估方法，其特征在于，所述步骤二中，数值越限劣化评价值通过以下公式计算：
其中，Lr为数值越限劣化评价值，Vr为指标的实际监测值，Vmax1为指标的极端值；Vmin1为指标的极优值；Vmax1和Vmin1根据相关的国际标准选取；
趋势越限劣化评价值通过以下公式计算：
其中，Lt为趋势越限劣化评价值，Vt为指标趋势测量值，Vmax2为指标趋势的极端值；Vmin2为指标趋势的极优值；Vmax2和Vmin2由指标长期统计的拟合趋势得到，Vmax2设为拟合趋势的1.5倍，Vmin2为拟合趋势的0.5倍；趋势是指振动值随时间变化的幅值增大速率。
7.根据权利要求6所述的水电机组变权劣化评估方法，其特征在于，所述步骤三中，各个部件的劣化评价值计算公式为：
其中，Lb为综合劣化指数，M为参与部件综合劣化评价的指标个数，Lri为第i个指标的数值越限劣化评价值，Lti为第i个指标的趋势越限劣化评价值，Lf为该部件的家族劣化评价值，Lx为该部件巡检劣化评价值，家族劣化评价值和巡检劣化评价值通过专家人工分析同类家族设备的故障情况数据和巡检数据，进行人工评级从而得到相应评价值；Wri为第i个指标的数值越限劣化评价值对应的权重，Wti为第i个指标的趋势趋势越限劣化评价值对应的权重；
在计算得到参与机组劣化评价的不同部件的劣化评价值之后，加权计算得到机组综合劣化评价值，计算公式为：
其中Ljz为机组综合劣化评价值，N为参与机组综合劣评价的部件的个数，Lbn为第n个部件的劣化评价值，Wbn为第n个部件的劣化评价值对应的权重。
8.根据权利要求7所述的水电机组变权劣化评估方法，其特征在于，所述步骤三中，指标和权重配置模块中设置的参与机组劣化评估的各个部件的名称和权重，以及参与各个部件的劣化评估的各个指标的名称和权重如下表：
9.根据权利要求8所述的水电机组变权劣化评估方法，其特征在于，所述步骤三中，通过所述人机交互模块对权重配置模块中设置的参与机组劣化评估的各个部件的名称和权重，以及参与各个部件的劣化评估的各个指标的名称和权重进行修改。
10.根据权利要求4～9中任一项所述的水电机组变权劣化评估方法，其特征在于，所述步骤三中，评价算法模块还根据机组综合劣化评价值的历史数据和实时数据，生成机组健康程度的图表和报告。
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