基于數(shù)據(jù)融合的模糊綜合評價法在電力設備中的應用研究

陳建華 榮智海

摘要：以給水泵為例，介紹了一種從設備安全性、經(jīng)濟性、殘余壽命3個維度評價設備可靠性的方法，克服了單一評價體系的弊端。設備安全性指標采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型，通過數(shù)據(jù)之間的相關性預測設備參數(shù)在不同工況下的應達值，并根據(jù)實際值與應答值的差值進行設備預警，將預警數(shù)量作為安全性評價指標，綜合設備易損件的殘余壽命與經(jīng)濟性分析結果采用模糊綜合評價法對設備可靠性狀態(tài)進行評價。引用了設備零部件至整體的層次分析法作為權重選取方法，解決了以往設備可靠性評價過度依賴于專家經(jīng)驗，較為主觀且難以量化的問題。

關鍵詞：電力設備;可靠性管理;數(shù)據(jù)融合;模糊評價

中圖分類號：TM762????? 文獻標志碼：A?????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0207-04

Research on Fuzzy Comprehensive for Power Equipment Based on Date Fusion

Chen Jianhua，Rong Zhihai

（ China Resources Power Technology Research Institute Co.，Ltd.，Shenzhen，Guangdong 518001，China ）

Abstract：Taking feed water pump as an example，a method to evaluate the reliability of equipment from three dimensions of equipment safety，economy and residual life was introduced，which overcome the disadvantage of the single evaluation system.Neural network model was used topredict the expected value of equipment parameters? in different working conditions through the? correlation between data，and? equipment earlywarning was carried out according to the difference between the actual value and the expected value，and the number of early warning was takenas the? safety? evaluation? index.The? fuzzy? comprehensive? evaluation? method? was? used? to? evaluate? the? equipment? reliability? state.AnalyticHierarchy Process （ AHP） of equipment parts? to the whole was? used? as? the weight? selection? method.It? solves? the? problem that the? previousequipment reliability evaluation excessively depends on expert experience，which is subjective and difficult to quantify.

Key words：power equipment;reliability management;data fusion;fuzzy comprehensive

0 引言

設備可靠性是發(fā)電機組安全生產(chǎn)的重要保障。因此，在設備的全壽命周期中，通過優(yōu)化設備管理來實現(xiàn)機組可靠性和經(jīng)濟性的平衡，對電廠的生產(chǎn)經(jīng)營具有重要意義。設備可靠性狀態(tài)不明晰則會使設備的運維難度增大，運維費用大幅增長[1-6]。目前對于電力設備可靠性評價研究還存在諸多問題，主要體現(xiàn)在以下方面[7-9]。

（1）表征電力設備狀態(tài)信息有在線監(jiān)測指標、試驗指標、化驗指標、點巡檢離線指標等，指標量眾多，但是缺乏對這些指標綜合應用的狀態(tài)評價體系與方法，導致信息利用不充分，評價不完整。

（2）目前電力設備狀態(tài)評價均采用故障數(shù)據(jù)來提取設備狀態(tài)特征值，需要參照大量的樣本，但實際中有效的故障樣本嚴重匱乏。如果能利用已有歷史數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)挖掘的方法獲取設備參數(shù)異?；驖撛诠收闲畔⒕透哂袑嶋H意義。

（3）由于制造廠家與運行環(huán)境等的不同，同類設備也存在個體差異，但是現(xiàn)有的設備可靠性評價方法往是針對某類設備總體，閾值范圍大，無法實現(xiàn)同類設備的差異化評價。

近年來隨著智慧電廠建設需求的持續(xù)增長，設備狀態(tài)監(jiān)測、故障預警與診斷、設備可靠性狀態(tài)評價等技術有著直接、迫切的需求。如何準確對電力設備運行狀態(tài)進行定量評價，直接影響著電力設備的可靠性，關系到電網(wǎng)的安全，因此是電力行業(yè)亟待解決的問題之一。

1 方案整體架構

整合監(jiān)視信息系統(tǒng)（SIS）、預警系統(tǒng)、企業(yè)資產(chǎn)管理（EAM）系統(tǒng)的在線與離線數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行預處理，提取監(jiān)測值、變化率、相關性、預警頻次、巡檢信息、工況信息;對待評價設備進行可靠性分析，根據(jù)可靠性分析結果在設備安全性、經(jīng)濟性以及殘余壽命維度建立評價模型，包括基于模糊隸屬度的各狀態(tài)量評價指標、基于層次分析法的狀態(tài)量權重;最后對各部件加權得到設備整體評價結果，評價結果分為正常、注意、異常、嚴重4個等級，并輸出設備可能發(fā)生的故障，設備可靠性評價方案整體架構如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)融合與處理方法

對SIS 系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)進行去噪、剔除死值、去除離群點等預處理操作，提取對設備狀態(tài)敏感的特征參數(shù)計算其變化率，根據(jù)各特征參數(shù)的最大值與最小值確定特征量閾值。針對典型的設備故障在預警系統(tǒng)中建立預警監(jiān)測模型，采用PCA 或者T-SNE 等降維方法對SIS 系統(tǒng)中歸一化后的工況數(shù)據(jù)與狀態(tài)數(shù)據(jù)篩選特征參量，建立高維特征空間。甄選FCM、DBSCAN、 GMM 等聚類算法，對參數(shù)組進行分類，對各分類下的正常歷史數(shù)據(jù)時間片段進行時間序列分析，測試ANN、LSTM、HNN 等回歸算法建立回歸模型預測點數(shù)據(jù)，統(tǒng)計各測點實際監(jiān)測值與預測值的殘差超限頻次，將單測點報警融合為設備組件或者分支系統(tǒng)告警。提取EAM 中巡檢、檢修記錄信息，采用威布爾分布函數(shù)進行擬合[10]，獲取設備易損件的可靠性與時間函數(shù)，根據(jù)專家經(jīng)驗確定易損件殘余壽命。上述數(shù)據(jù)將作為設備可靠性狀態(tài)評價的基礎數(shù)據(jù)。

1.2 設備可靠性評價模型建模方法

采用故障樹分析法（FTA）將設備故障形成的原因逐級演繹推理，確定故障模式基本類型，找到故障根本原因，獲取故障特征參數(shù)，建立設備狀態(tài)監(jiān)測指標體系。通過故障模式與影響分析（FMEA）對可能故障模式及所產(chǎn)生的影響與后果進行分析，明確設備典型故障特征、故障閾值以及故障后的影響。將獲取的數(shù)據(jù)按照設備可靠性分析的結果劃分成安全性、經(jīng)濟性以及易損件殘余壽命3個維度，作為設備可靠性狀態(tài)評價的輸入指標。設備可靠性狀態(tài)模糊綜合評價，就是將所有影響因素組成一個因素群，所有評價結果構成一個評價結果群，評價結果與某些因素有著對應關系，當把評價結果看作因素群的模糊子集時，可靠性狀態(tài)評價的問題就是確定因素群集合中的元素隸屬于對應模糊子集的程度大小問題，用隸屬度來描述程度[11-12]。本方案將各維度狀態(tài)量分為數(shù)值型和布爾型，分別建立標準隸屬函數(shù)。利用轉化函數(shù)將測量值歸一化處理并對應到標準隸屬函數(shù)中，從而求得狀態(tài)量的隸屬度。權重是各狀態(tài)量之間重要程度的數(shù)值量化，利用層次分析法量化狀態(tài)量之間的權重，先對設備的各組件進行主特征參數(shù)評價，獲取各組件的可靠性評價結果，再根據(jù)歷史故障檢修記錄擬合各組件的可靠性權重值，該權重選取方法可以有效解決傳統(tǒng)評價模型過度依賴專家經(jīng)驗，較為主觀且難以量化的問題。

2 應用實例

華潤電力徐州銅山項目公司#5、#6發(fā)電機組共有4臺蘇爾壽HPT400-390-6S/33A 型給水泵。從安全性、經(jīng)濟性、剩余壽命3個維度評價給水泵可靠性狀態(tài)，預警系統(tǒng)中的滲漏監(jiān)測及動力監(jiān)測模型報警次數(shù)作為設備安全性指標，預警系統(tǒng)中的性能監(jiān)測報警次數(shù)作為經(jīng)濟性指標，結合設備易損件可靠性曲線與檢修記錄計算設備殘余壽命。

2.1? 給水泵數(shù)據(jù)收集與處理

根據(jù)檢修記錄推算各給水泵運行小時數(shù)，收集到給水泵檢修數(shù)據(jù)如表1所示。由于4臺給水泵檢修可靠度均為1，以上次檢修時間定義為設備投運起點，以評價時間（2020-10-1610∶00）為設備運行評價時間點，計算設備運行時間（h ），如表1所示。

采用FMEA 將給水泵拆解為可維修單元，列舉出各組件及零部件的故障模式及特征參數(shù)，并將零件劃分為耐用件與易損件，對于易損件，統(tǒng)計得出平均壽命小時數(shù)，給水泵各組件壽命數(shù)據(jù)如表2所示?？梢钥闯鰴C械密封水系統(tǒng)及入口管道系統(tǒng)的濾網(wǎng)是易損件中壽命最短的，8760 h 就需要更換一次。但由于濾網(wǎng)更換工作可以在臨修、臨停以及大小修時進行更換，因此濾網(wǎng)對給水泵整體壽命影響可以忽略，選取壽命第二短的芯包泵殼、軸套、導葉作為設備壽命，其額定壽命為52560 h。

2.2 給水泵可靠性狀態(tài)評價

提取表1中的設備運行小時與表2中的設備額定壽命，計算設備的壽命百分比（壽命百分比=設備運行小時/設備額定壽命），壽命百分比代表設備已用小時占設備壽命百分比，當其達到100%時，說明設備部件達到額定壽命，需要更換，繼續(xù)使用會存在損壞風險。統(tǒng)計4臺給水泵預警系統(tǒng)2020年7-8月動力特性監(jiān)測、泄漏監(jiān)測、性能監(jiān)測報警次數(shù)，結合設備壽命百分比，得到給水泵評價輸入信息表3。統(tǒng)計分析歷史運行數(shù)據(jù)與檢修記錄并結合預警模型的報警頻次采用回歸算法擬合出參考閾值，參考閾值是正常及注意狀態(tài)的區(qū)分閾值，設備可靠性評價模型會根據(jù)參考閾值自動生成狀態(tài)量評價隸屬函數(shù)。

2.3 給水泵可靠性狀態(tài)評價結果

將表3中的給水泵動力特性監(jiān)測、泄漏監(jiān)測、性能監(jiān)測、壽命百分比輸入評價模型，評價結果如表4～7所示。根據(jù)評價結果得出如下結論：4臺給水泵總體均為正常，5 B 給水泵于8月26日操作凝結水泵時引起凝結水壓力波動造成給水泵機械密封水參數(shù)波動，屬于運行操作引起的報警，導致5B 安全性能被注意，其余指標均正常。6A 及6B 給水泵性能監(jiān)測注意隸屬度較高，達到49%，需要注意6A、6B 給水泵的經(jīng)濟性能，可結合設備殘余壽命合理安排檢修。6B給水泵易損件壽命損耗84%，建議優(yōu)先安排給水泵芯包大修。

3 結束語

本文針對華潤電力徐州銅山電廠設備可靠性管理的需求，介紹了設備可靠性狀態(tài)評價的整體技術方案，并以給水泵為例，詳細描述了數(shù)據(jù)融合與預處理的方法，從設備安全性、經(jīng)濟性以及殘余壽命3個維度建立設備可靠性狀態(tài)評價指標體系，采用基于隸屬函數(shù)與權重層次分析法的可靠性評價模型對4臺給水泵設備進行了評價與結果分析。該應用實例充分證明了神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型、威布爾分布統(tǒng)計模型以及模糊綜合評價模型在設備可靠性狀態(tài)評價中的實用性，克服了以往通過專家經(jīng)驗進行設備可靠性定性分析的諸多弊端，具有一定推廣應用價值。

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第一作者簡介：陳建華（1979-），男，河北衡水人，碩士，高級工程師，研究領域為智慧發(fā)電應用系統(tǒng)研究與開發(fā)，已發(fā)表論文10余篇。

（編輯：刁少華）