（电力系统及其自动化专业论文）水轮机调节系统预知维护研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 绪论 提要：本章引出了本文将要研究的主要问题。综述了设备维护研究的现状以及 发展过程，分析了水电站开展预知维护的必要性，介绍了预知维护发展现状及趋势 最后介绍了本文的研究工作。 1 1 设备维护研究现状与发展 1 1 1 设备维护的重要性【似1 随着工业生产与科学技术的发展，工程技术设备越来越复杂，自动化水平越 来越高。由于许许多多无法避免因素的影响，有时设备会出现故障，导致性能降 低或失去其预定的功能，而这些设备一旦发生故障，不但设备遭受极大破坏，也 将给人们的生活与生命造成极大威胁。因此，人们总是希望工业生产中的各种设 备完好、正常并充分发挥效益，尤其是对那些事关国民经济命脉的基础行业的大 型机电设备，如石化工业、能源工业、冶金工业等。在我国能源工业中水电所占 的比重较大，水轮发电机组的运行状态及其稳定性对电厂、电网的安全经济运行 至关重要。随着科学技术的发展，水轮发电机组的单机容量也越来越大，正在建 设的三峡工程的单机容量己超过7 0 0 m w 。同时水电站的自动化程度越来越高，目 前正朝着“无人值班”( 少人值守) 的管理模式发展。因此，保证大型水电机组的 正常运行，对其运行状态进行监测，及时发现故障征兆，做到“事前维护”，防患 于未然是工程界梦寐以求的理想，也是大型机组维护的发展方向。 由于任何一台设备从设计、制造、安装直到运行有诸多环节，其间必有这样 那样的误差或故障产生；而且随着科学和经济的发展，现代设备尤其是大型机电 设备结构越来越复杂，自动化程度越来越高，即使出现了故障征兆也很难早期发 现和准确测定。因此，为了确保大型机电设备的正常运行，不得不采用定期( 计 划性) 维护制度，这也是目前国内绝大多数水电站采用的方式。通常每隔3 5 年 对机组大修一次，其目的是检查和处理设备各部件缺陷。这种维护方式针对性不 强，没有考虑设备的缺陷及运行状态，不能充分发挥设备潜能，耗费了大量的财 华中科技大学硕士学位论文 绪论 提要：本章引出了本文将要研究的主要问题。综述了设备维护研究的现状以及 发展过程，分析了水电站开展预知维护的必要性，介绍了预知维护发展现状及趋势 最后介绍了本文的研究工作。 1 1 设备维护研究现状与发展 1 1 1 设备维护的重要性【似1 随着工业生产与科学技术的发展，工程技术设备越来越复杂，自动化水平越 来越高。由于许许多多无法避免因素的影响，有时设备会出现故障，导致性能降 低或失去其预定的功能，而这些设备一旦发生故障，不但设备遭受极大破坏，也 将给人们的生活与生命造成极大威胁。因此，人们总是希望工业生产中的各种设 备完好、正常并充分发挥效益，尤其是对那些事关国民经济命脉的基础行业的大 型机电设备，如石化工业、能源工业、冶金工业等。在我国能源工业中水电所占 的比重较大，水轮发电机组的运行状态及其稳定性对电厂、电网的安全经济运行 至关重要。随着科学技术的发展，水轮发电机组的单机容量也越来越大，正在建 设的三峡工程的单机容量己超过7 0 0 m w 。同时水电站的自动化程度越来越高，目 前正朝着“无人值班”( 少人值守) 的管理模式发展。因此，保证大型水电机组的 正常运行，对其运行状态进行监测，及时发现故障征兆，做到“事前维护”，防患 于未然是工程界梦寐以求的理想，也是大型机组维护的发展方向。 由于任何一台设备从设计、制造、安装直到运行有诸多环节，其间必有这样 那样的误差或故障产生；而且随着科学和经济的发展，现代设备尤其是大型机电 设备结构越来越复杂，自动化程度越来越高，即使出现了故障征兆也很难早期发 现和准确测定。因此，为了确保大型机电设备的正常运行，不得不采用定期( 计 划性) 维护制度，这也是目前国内绝大多数水电站采用的方式。通常每隔3 5 年 对机组大修一次，其目的是检查和处理设备各部件缺陷。这种维护方式针对性不 强，没有考虑设备的缺陷及运行状态，不能充分发挥设备潜能，耗费了大量的财 华中科技大学硕士学位论文 力和人力。同时，目前这种维护方式并不能够及时发现故障，不仅会带来经济上 的损失、人力上的浪费，而且还可能引发灾难性的故障。如果能及时发现设备存 在的隐患和缺陷，有针对性地对设备进行维护，实施预测性维护体制，将给电厂 及电网带来显著的经济效益和社会效益。也就是说，在现有机组运行设备的基础 上，特别是对大型水轮发电机组，实施设备的状态监测与预知维护，早期发现故 障征兆，及时维护，尽量避免设备发生事故减少事故停机，尽可能变“事后维 护”为“事前维护”：同时为计划维护提供依据，节约大量维护费用，缩短维护周 期，消除计划维护带来的“过剩维护”现象，从而降低电站的生产成本，创造最 大化的经济效益。所以对大型水电站进行状态监测与预知维护研究是十分迫切的， 也有着非常广阔的应用前景。 水电站是一个由水轮机、发电机、调速器等大量设备组成的复杂系统，按照 不同设备所完成的功能，又可以把整个水轮发电机组分成调节系统、油系统、水 系统等众多的子系统。水电站的维护系统实际上就是对各个子系统的维护系统的 集合。目前很多科研院所和高校开发了很多针对水轮机振动和汽蚀方面的维护系 统，但是对于水轮机调节系统的维护才刚刚起步。当振动、汽蚀问题逐渐得到解 决的时候，调节系统的维护也越来越多地提到议事日程上来，些电站已经开始 这方面的探索。 水轮机调节系统，i e c 称为水轮机控制系统( h y d r a u l i ct u r b i n e c o n t r o l s y s t e m s ) ，国内俗称水轮机调速器，是由电子调节器、液压系统、电液转换装置等 组成的控制系统，它的主要任务是根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功 功率输出，并维持机组转速( 频率) 在规定的范围内。同时水轮机调节系统还与 电站二次回路或者计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增 减负荷、紧急停机、成组控制、按水位调节等任务，是水轮发电机组的重要辅助 设备1 6 i 。水轮机调节系统和包括过水系统、水轮机、发电机及负载在内的被控对象 组成闭环系统。 由于水轮机调节系统在水电厂生产中的重要地位，相关组织对于调节系统制 定了一系列标准。这其中包括国际电工委员会( i e c ) 1 9 9 8 年3 月正式发布的水 轮机控制系统规范导则i l 、我国的国家标准水轮机调速器与油压装置技术条件 1 8 1 和水轮机调速器与油压装置试验验收规程1 9 1 以及电力工业部1 9 9 5 年发布的 电力行业标准水轮机电液调节系统及装置技术规范1 1 0 1 。 2 华中科技大学硕士学位论文 水轮机调节系统中液压系统、电子调节器、传感器等任何一个环节的故障都 可能引起整个调节系统异常i i l , t 2 。按照故障所发生的部位，可以将故障分为液压随 动系统故障、电子调节器故障、反馈环节故障等。水轮机调节系统维护的主要功 能就是实时监视调节系统的运行状态，对调节系统的故障进行诊断和预测，并做 出决策，使调节系统总是工作在e 常的运行状态。本课题正是基于此种需求而提 出的。 1 1 2 维护方式的发展【伽1 6 】 在国内外大多数工业领域中，设备维护体制的发展经历了四个阶段，即事后 维护、计划维护、状态维护、预知维护，每种维护体制都有各自的长处和不足。 事后维护以“故障维护”为指导思想，是让设备运行直至故障产生才进行维 护的一种维护方式，一般适用于设备价格不高，有多组生产线，发生事故损失不 大，且有备用机组的情况。根据故障的严重程度，事后维护又可以分为延缓性维 护和根治性维护。在工业化开始的1 8 、1 9 世纪，当时工业生产规模小，机械设备 比较简单，本身的技术水平低，对设备的故障也缺乏认识，只能采取不坏不修、 坏了再修的事后维护方式。 计划维护以“预防维护”为指导思想，是按照预定的时间间隔或检修周期进 行计划修理的一种检修方式。这种方式是建立在设备故障率的统计分析基础之上 的，其维护周期小于最短故障发生周期，因此可以保证不会出现设备损坏的严重 问题。但是，它往往使还能正常运行一段时间的设备停下维护，减小了产量，增 加了维护费用，造成了“过剩维护”，这对于现代化大型连续生产企业是很不合理 的。在电厂设备管理中采用这种维护方式的优点有利于保持供电的基本稳定性， 人力、物力、资金安排的计划性，生产指挥者基本上做到心中有数。在这种维护 体制下，大修间隔3 - 6 年，小修间隔4 8 个月，维护项目、工期安排和维护时间 均由管理部门根据经验制定。但随着电力系统设备趋向于高参数、大容量、复杂 化，其安全经济运行维护体制日益明显暴露出所存在的缺陷，因此对设备实行更 先进、更科学的管理和维护体制势在必行。 状态维护以“状态监测”为指导思想，是对运行结果进行分析处理后，证明 有必要时才安排维护的一种方法。它不规定维护周期，但须定期或连续对设备进 华中科技大学硕士学位论文 行状态监测和故障诊断，并根据其结果，查明设备有无异常或故障趋势，在必要 时进行维护。这种方法根据其投入和产出效果，一般应用于流程作业或关键设备。 它能在设备失效前监测和诊断出存在的故障，并可利用预测预报技术，较准确地 估计出继续可靠运行的时间，因而使设备的使用寿命最长和意外停机事故的几率 最小。同时，还控制了“过剩维护”，从而减小了备件消耗和检修工作量，也防止 了因不必要维护而出现的人为故障，达到维护费用最少的目的。状态维护在欧美 是2 0 世纪9 0 年代初开始研究与发展的，在我国则刚刚起步。从计划维护到状态 维护是维护领域的一大飞跃，一方面，它克服了前者的盲目性；另一方面，它把 维护领域提高到自动化与信息水平。 预知维护以“状态监测与预测”为指导思想，根据系统的历史状况、当前状 况和内在特性，对系统的当前状态做出评估，对系统未来状态进行预测并据此做 出维护决策，以实现实时的、准确的、恰到好处的维护1 1 6 l 。这种维护方式以设备 当前的实际工作状况以及设备的发展趋势为依据，而非传统的以设备使用时间为 依据。它通过先进的状态监测以及状态预测技术手段，识别故障早期征兆，对故 障部位、故障的严重程度、发展趋势做出判断，根据诊断结果在设备性能下降到 一定程度或故障将要发生之前进行维护。预知维护又在状态维护的基础上向前面 迈进了一大步。 1 1 3 预知维护研究的必要性 随着科学技术的发展，我国水电厂目前以“计划维护”为主的维护体制已经 不能满足生产的需要，预知维护将成为水电厂维护领域的发展趋势。 1 1 ) 以计划维护为主的维护体制的弊端越来越多地暴露出来唧 我国自建国以来，在学习前苏联经验的基础上，长期实行的维护体制是以故 障维护、计划维护为主的维护体制。这种维护体制曾经是适应我国生产力发展水 平的，它一般包括大修、小修、临时维护等形式。但随着电力系统设备趋向于高 参数、大容量、复杂化，这种维护体制的缺陷暴露出来，主要体现在： 维护不足。机组由于各种原因在维护期未到时产生局部故障，但受到维护 计划制约，不得不带病运行，有时故障不断恶化，最终造成维护代价和维护费用 增大，甚至引起严重的安全事故。 4 华中科技大学硕士学位论文 维护过剩。对于设备状态较好的机组，进行了不必要的维护，造成设备有 效利用时间的损失和人力、物力、财力的浪费。 盲目维护。根据计划维护预先设定的项目进行维护，对机组并不一定能做 到对症下药，由此导致不该修的修了，而该修的未修或没有下大气力修，产生“修 未修好”问题。 过多的维护拆装，加速了拆装磨损；过多的破坏性试验( 如甩负荷、过速、 电器设备的耐压等) ，人为地缩短了设备的使用寿命。 临时性维护频繁。一些缺陷较多的机组往往不能适应由管理部门统一制定 的计划维护安排，运行不到下一个维护时间就必须强迫停运，进行事故性维护， 使得发电与维护计划经常被打乱。 维护自动化程度太低，还停留在手工化水平。 落后的维护制度容易使设备管理人员思维僵化、不求进取。在这种维护制 度下，到期必修，周而复始，没有任何灵活的余地，必然导致生产技术人员对知 识更新、应用新技术不热心，没有压力和紧迫感，技术管理工作固步自封。 ( 2 ) 预知维护是状态维护的发展与提高1 1 3 , 1 6 1 预知维护相对于状态维护来说，除了实现状态维护的所有功能之外，还能够 实现对相关设备的未来可能发生的故障进行预测并做出维护决策。预知维护是状 态维护的发展和提高。与状态维护相比，预知维护的优势在于：其一，状态维护 只基于设备状态的历史与现状，而预知维护不但如此，而且对设备状态及其变化 的未来趋势进行预测；其二，状态维护只对是否存在故障进行判断，而预知维护 除此之外，还基于对设备性能降低的分析，对未来可能发生的故障进行预诊断； 其三，状态维护仅决策当前是否需要维护，而预知维护还对将来何时需要维护进 行预测，并制定相应的维护策略。 1 3 ) 预知维护的优势逐步得到体现1 7 1 目前在国外一些水电厂已经开始了预知维护的试点【l7 1 。这些试点单位的经验 表明，预知维护可使设备大修周期从3 5 年延长到6 8 年，甚至l o 年，一般1 5 2 年即可收回实施预知维护所增加的投资，其效益主要有以下几个方面：提高发电 机组效率和可用系数，效益约占效益总额的3 0 5 0 ；延长设备使用寿命，约 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= 占1 0 。6 0 1 5 ；降低维护费用，约占3 0 5 0 。可以看出，预知维护的如下优 点得到了体现： 延长定期维护间隔，避免“过剩维护”，防止因不必要的拆卸使设备精度和 可靠性降低； 能及时准确地对各种异常状态或故障状态作出诊断，提高设备运行的可靠 性、安全性和有效性，减少和避免重大事故发生，从而延长设备使用寿命： 在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，减少定期 维护时间，降低运行和维护费用； 增加电厂发电量，改善电厂运行性能，减少资金投入，提高企业的经济效 益。 通过状态监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合 理制造及生产过程提供数据和信息。 1 4 ) 预知维护是实现智能控制维护管理集成系统的需要t 1 3 , t 8 - 2 3 1 智能控制- 维护- 管理集成系统( i c m m s ) 应用最新的信息技术，以分布式智能测 量与操作执行系统为基础，通过网络信息交换与共享将工业系统中以往相对独立 的控制、维护、管理三个部分结合成一个有机整体，使系统整体上获得高性能、 高利用率和高效益。相应地，预知维护技术适应这一发展方向，将控制与状态监 测、趋势预测、故障诊断、故障预报及技术管理有机地结合为一个整体，将信息 技术、智能技术引入维护领域，把维护推向了一个新的水平。合理调配和利用系 统资源，全面提高系统可靠性和性能，创造出更大的经济效益。预知维护是i c m m s 首选的维护方式。 1 2 预知维护研究概况 1 2 1 预知维护的基本原理 2 2 , 2 3 1 预知维护包括监测与预测、诊断与预诊断、维护策略制定等三要素，三者相 辅相成、互为补充，共同组成一个完整的预知维护过程。 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= 占1 0 。6 0 1 5 ；降低维护费用，约占3 0 5 0 。可以看出，预知维护的如下优 点得到了体现： 延长定期维护间隔，避免“过剩维护”，防止因不必要的拆卸使设备精度和 可靠性降低； 能及时准确地对各种异常状态或故障状态作出诊断，提高设备运行的可靠 性、安全性和有效性，减少和避免重大事故发生，从而延长设备使用寿命： 在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，减少定期 维护时间，降低运行和维护费用； 增加电厂发电量，改善电厂运行性能，减少资金投入，提高企业的经济效 益。 通过状态监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合 理制造及生产过程提供数据和信息。 1 4 ) 预知维护是实现智能控制维护管理集成系统的需要t 1 3 , t 8 - 2 3 1 智能控制- 维护- 管理集成系统( i c m m s ) 应用最新的信息技术，以分布式智能测 量与操作执行系统为基础，通过网络信息交换与共享将工业系统中以往相对独立 的控制、维护、管理三个部分结合成一个有机整体，使系统整体上获得高性能、 高利用率和高效益。相应地，预知维护技术适应这一发展方向，将控制与状态监 测、趋势预测、故障诊断、故障预报及技术管理有机地结合为一个整体，将信息 技术、智能技术引入维护领域，把维护推向了一个新的水平。合理调配和利用系 统资源，全面提高系统可靠性和性能，创造出更大的经济效益。预知维护是i c m m s 首选的维护方式。 1 2 预知维护研究概况 1 2 1 预知维护的基本原理 2 2 , 2 3 1 预知维护包括监测与预测、诊断与预诊断、维护策略制定等三要素，三者相 辅相成、互为补充，共同组成一个完整的预知维护过程。 6 华中科技大学硕士学位论文 ；= ；= = = = 。= = = ；= = = g 一 监测与预测的目的就是对系统的健康状况做出评估和预测。一般说来，设备 的健康状况是随着时问下降的( 见图l 1 ) 。假设设备在前一时刻t 。处于正常状态， 实线1 ，2 ，3 分别表明了健康状况在给定时间段内的3 种发展趋势：第1 种趋势( 实 线1 ) 表明在当前时刻t 和下一时刻t 。设备状况都处于正常限值以上，则此时认 为设备完全正常，不需进行维护；第2 种( 实线2 ) 是在当前时刻t ；设备状况就已 处于正常限值以下，则此时认为设备已出现故障，需立即停机进行维护；第3 种( 实 线3 ) 是在当前时刻互设备状况尚处于下常限值以上，但在下一时刻t h l 时设备的 状况将处于正常限值以下，则此时认为设备的健康情况已经下降，在未来的时间 里设备可能出现故障，需对维护工作做出适当的安排。根据这个原理，可以对设 备的健康状况进行监测和预测。 t 图1 1 预知维护不意图 根据监测与预测的结果，可以知道设备的健康状况是正常、故障还是发生了 降级。如果发生了故障或降级就进行诊断和预诊断，诊断是根据观察到的故障或 降级状态、症状和因果关系找到故障或降级的根源，确定引起系统故障或降级的 部件；预诊断是根据对系统降级的动态过程的观测和降级本身的性质确定降级的 后果以及对其他相关设备的影响，并预测设备发生故障的时间。 根据监测、预测、诊断与预诊断的结果，并考虑当前所存在的约束条件，制 定维护判据，评估采取某种维护措施的必要性、紧迫性及可行性，并做出维护决 策。 状态监测、状态预测与故障诊断这三者之间相辅相成，没有状态监测与预测 就无从诊断和决策，诊断和决策是目的，监测和预测是手段。监测和预测是诊断 和决策的前提。 预知维护理论的发展过程实际上就是状态监测、状态预测与故障诊断这三项 技术的发展过程。 7 华中科技大学硕士学位论文 12 2 状态监测、预测以及故障诊断技术的发展 1 , 2 1 设备状态监测、预测和诊断以及预知维护研究技术诞生于六七十年代，在最 近l o 年的时间里得到了迅速发展，已经成为近十多年来发展最迅猛的一门新兴综 合性应用学科。该技术利用传感检测技术、信号处理、模式识别、系统理论、预 报决策、可靠性分析、电子技术、计算机技术及有关专业技术领域的研究成果， 以设备及其群体为研究对象，根据设备在运行过程中的二次效应( 如热力参数、 电磁参数、机械力学参数、各种性能参数等) 及其动态变化，在设备运行过程中 ( 不影响设备正常工作) ，对设备运行状态进行监测，作出是否有故障、故障种类、 故障部位、故障严重程度、故障发展变化趋势等诊断结果，判断设备性能劣化趋 势，并制定出相应对策和处理结果。该技术是实行设备科学管理、保障设备经济 安全运行、推广设备预知维护体制的技术基础。 世界上最早开展设备故障诊断研究的国家是美国。1 9 6 7 年在美国宇航局和海 军研究所的倡导和组织下，成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) ，开始有计划 有组织地对诊断技术分专题进行研究。此后很多学术机构如美国机械工程学会 ( a s m e ) 、政府部门如国家标准局( n b s ) 及一些高等院校和企业公司都参与或 进行了与本行业有关的诊断技术研究。英国于7 0 年代初成立了机器保健与状态监 测协会，此外，设备诊断技术在欧洲一些国家和日本也得到很大发展。 在学术研究的同时，也开发了大量的故障诊断系统，其中不少是对电站进行 故障诊断的。在这些系统中比较成熟的大多是针对火电站和核电站的汽轮发电 机组开发的故障诊断系统，如美国w e s t i n gh o u s e 公司的p d s 系统和b n c 公司 的系列产品等。 1 9 8 5 年，美国t e c h n o l o g yf o re n e r g y 公司的p i e t yk e 等描述了在7 家电厂 进行状态检修的实践，介绍了一个i n t e l l i t r e n d 预知维护系统l l l ，该系统以i b m x t 工作站为数据处理和诊断分析中心，配备便携式智能数据采集器。 9 0 年代以来，状态监测、预测及诊断技术主要在美国、欧洲等西方国家广为 应用。 1 9 9 3 年，e p r i 针对大型联合循环发电机组的燃汽轮机，组织开发了集振动在 线监测、空气动力学性能分析、红外温度监测以及其它特殊传感器及检测技术为 一体的系统，以提高设备的利用率和维护效益。 华中科技大学硕士学位论文 1 9 9 5 年，美国r o s e m o u n ta n a l y t i c a l 公司研制了应用于状态检修的新一代智能 燃汽轮机在线分析仪，它能够在线监测运行参数，通过与设定的阈值比较，确定 设备的维护周期，实现状态维护。 我国设备状态监测、预测以及故障诊断技术的发展，也经历了一个过程，在8 0 年代初，国内一些大专院校和科研单位结合教学和有关设备诊断技术的研究课题， 逐渐丌始进行机械设备状态监测与故障诊断技术的理论研究工作和小范围工程实 际应用研究，特别是有些机组重大事故的频繁发生，引起了对该技术发展的重视。 自8 0 年代初以来，我国在设备管理和维护中大力开展状态监测与故障诊断， 取得了巨大的经济社会效益。经过近二十年的发展，企业都充分认识到，设备监 测技术的应用，不仅是推动维护方式改革和设备管理现代化的有力工具，而且已 成为防止设备事故、保障设备安全、节约检修费用、降低能源消耗、提高产品质 量的重要手段。由于对状态监测的认同和致力于创造更大的效益，国内各企业都 结合自身特点，制定了大型机组的管理和维护制度，落实和不断扩展设备诊断技 术工作，制定了判断准则。经过多年的努力和开拓，使企业设备诊断技术上升到 较高层次，并取得了一系列成果。 但是，国内的状态监测研究与应用仍存在不足之处，主要表现在：监测手段 单一，国内很多企业对机组的监测仅停留在简单的时域波形分析和振动频谱分析： 监测内容单一，国内主要集中在对机组的状态监测上；个别企业对状态监测工作 重视程度不够；状态预测工作做得不足等等。 与国外一样，国内所作的研究大部分也是集中在火电系统，如清华大学、华 中理工大学、哈工大、重庆大学、西安交大等都做过这方面的系统研究。目前， 针对汽轮发电机组的故障诊断系统开发得较多，技术也较成熟，而针对水轮发电 机组的诊断系统相对较少。 1 2 3 预知维护相关技术及其发展趋势【2 4 吨7 i 大型设备预知维护研究所涉及的学科领域十分广泛，并在不断扩展。其研究 内容主要有以下几个方面；信号采集技术、征兆获取技术、故障机理研究、故障 诊断与决策技术、状态预测技术、知识获取技术。 9 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 信号采集枝术 信号采集是对设备实现状态监测与故障诊断的第一步，是故障诊断工作的重 要基础，信号采集技术是对机电设备本身的工作参数、性能指标、相关物理量等 信息的信号进行检测和量化的技术，而传感器则是获取各种信息并将其转换成易 测量和处理的信号( 一般为电信号) 的器件，是信号采集的关键和主要手段。 故障信息检测与传感器技术的发展趋势是：发展以高可靠性和长期稳定性为 特征的检测与传感器技术、嵌入式检测与传感技术、故障信息的遥测技术。随着 微电予技术、光电技术和精密机械加工技术与传统的传感技术相结合，传感器将 向微型化、多参数、数字化、实用化发展，与之配套的二次仪表将向多功能、智 能化方向发展，将导致集微传感器、微处理器于一体的智前采集系统的问世和应 用。 1 2 l 征兆获取技术 传感器采集的信号中，含有反映对象运行状态的信息，如何经过信号处理、 剔除干扰，尽可能多地获得对象的状态信息，是征兆获取技术研究的主要目的。 它包括通常的信号滤波技术和信号处理技术。概括起来，信号处理技术中状态监 测参数的提取方法主要有：统计分析和时域参数、谱分析和频域参数、时频分布、 高阶谱分析、小波分析技术、分形与混沌特征量。信息获取技术新的发展方向是： 传感器故障滤波证实技术和多传感器信息融合技术。 在长时间的工作过程中，由于自身可靠性的限制和所处环境的影响，传感器 同样会发生故障，其输出的畸变信号往往与监测对象的工况变化或故障信号相混 淆，被诊断系统误认为是对象故障或掩盖了对象的故障，从而使监测诊断系统失 去其监测诊断的功能。因此，对传感器故障进行滤波和证实( 即通过检测和诊断 结果隔离故障传感器，并通过其他正常传感器信号恢复因剔除故障传感器后失去 的特别重要的信号) ，是设备状态监测与故障诊断的重要环节之一。现有的传感器 故障滤波证实方法主要有：系统观测器滤波器方法、解析冗余与贝叶斯信息融合 方法、人工神经网络方法、多层流模型( m f m ) 方法、基于知识的传感器故障柔 性检测方法等。 在设备故障诊断领域，多传感器信息集成是指将多个单维的同样性质的传感 器信息集成为一个多维的信息：多传感器信息融合是指利用多个不同类型的传感 1 0 华中科技大学硕士学位论文 器获取的关于对象运行状态的多角度信息，采用适当的方式组合，以得到关于对 象运行状态的精确描述。 ( 3 ) 故障机理研究 故障机理研究是对设备进行故障诊断的基础。深入研究设备在运动时的特性 及各部件之间的相互关系，研究设备正常运行时和发生故障后产生的各种症状与 可能性，是对设备进行状态监测和故障诊断的前提。调节系统故障机理研究的方 向是：液压系统故障诊断原理，实时故障仿真等。 1 4 ) 故障诊断与决策方法 通过对故障进行诊断，判明故障的部位，分析故障的原因，提出排除故障的 方法。国内外经过多年的发展，提出了卡尔曼滤波器、模式识别、神经网络、专 家系统、故障树等诸多诊断决策方法，特别是建立了大量的专用故障诊断专家系 统。故障诊断与决策的发展方向是：利用多a g e n t 技术，对于不同的故障采用一 种或者几种合适的方法进行诊断，然后通过冲突消解机制作出最后的决策。 1 5 ) 知识获取技术 知识是整个专家系统的灵魂。专家系统中通常使用三种知识，一是常识性知 识；二是基本的领域知识，通称深知识；三是启发性知识，通称为浅知识。这些 知识的获得，可以通过专家输入，也可以通过自己学习。知识获取技术的发展方 向是使系统能够更好地自学习。 ( 6 ) 状态预测分析技术 状态预测是设备预知维护的重要任务之一。通过对整个设备的状态变化趋势 和维护状况进行分析，预测出系统下一时刻的状态，为设备合理的安排维护时间。 预测与分析的策略和方法主要有：基于状态模型的故障预测方法、基于过程的长 期预测方法以及集成故障预测系统等。 1 2 4 国内外预知维护研究概况 4 , 5 , 1 6 , 1 7 】 尽管预知维护刚刚起步，但是目前在国内外都有一些地方进行了试点，取得 了一些运行的经验。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= 一： ( 1 ) 国外预知维护概况 目前，国外在预知维护技术研究与实践应用方面都取得了较多的成功经验， 比较突出的有美国、德国、日本、法国等国家，比较著名的机构有美国电力研究 院诊断检修中- i i , 、美国c s i 公司、同本发电设备检修协会等，以及一些仪器仪表 公司，如e n t e k i r d 公司、西马力公司等，它们已经将多种诊断和检修系统运 用于电厂锅炉、汽轮机、发电机、辅机以及输变电网站上。 西班牙i b e r d r o l a 水电厂、葡萄牙e d p 水电厂已经研制成功远程维护预知 系统，它们使用了预知维护技术，该系统与电厂原有的s c a d a 及m i s 系统相互 通信和联结，构成一个c m m s 系统。 ( 2 ) 国内预知维护概况 我国电力系统最早提及预知维护问题是在1 9 8 6 年检修工作会议上，并在1 9 8 7 年新颁布的发电厂检修规程中明确指出，“应用诊断技术进行预知检修是设备 检修的发展方向”。1 9 9 7 年原电力部选定天津大港电厂和上海石洞口二厂为开展状 态检修技术研究的试点，1 9 9 8 年5 月，华中电力集团公司召开研讨会，对预知维 护工作进行了部署，确定隔河岩水电厂和首阳山火电厂分别为华中电网预知维护 试点厂。 1 3 本文主要研究工作 本文在回顾国内外维护理论发展过程和总结现有研究成果的基础上，基于智 能控制维护- 技术管理集成系统( i c m m s ) 的思想，提出并开发了用于水轮机调 节系统的基于多智能主体( m a s ) 的预知维护系统。 从功能的角度将预知维护系统分为“状态监测和预测”、“故障诊断和预诊断” 以及“维护策略制定”三大模块；按照硬件实现，系统又可分为智能采集设备、 现地维护站、中央维护站和远程维护站四部分。本文根据这两条主线全面阐述了 预知维护系统的研究与开发。 由于水轮机调节系统的预知维护研究涉及面广，知识构成复杂，本文重点研 究了调节系统状态的监测与预测、调节系统故障诊断与决策方法以及基于多主体 系统的维护等三个方面的内容。同时详细地描述了维护系统中智能采集单元、现 地维护站、中央维护站以及远程维护站的实现。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= 一： ( 1 ) 国外预知维护概况 目前，国外在预知维护技术研究与实践应用方面都取得了较多的成功经验， 比较突出的有美国、德国、日本、法国等国家，比较著名的机构有美国电力研究 院诊断检修中- i i , 、美国c s i 公司、同本发电设备检修协会等，以及一些仪器仪表 公司，如e n t e k i r d 公司、西马力公司等，它们已经将多种诊断和检修系统运 用于电厂锅炉、汽轮机、发电机、辅机以及输变电网站上。 西班牙i b e r d r o l a 水电厂、葡萄牙e d p 水电厂已经研制成功远程维护预知 系统，它们使用了预知维护技术，该系统与电厂原有的s c a d a 及m i s 系统相互 通信和联结，构成一个c m m s 系统。 ( 2 ) 国内预知维护概况 我国电力系统最早提及预知维护问题是在1 9 8 6 年检修工作会议上，并在1 9 8 7 年新颁布的发电厂检修规程中明确指出，“应用诊断技术进行预知检修是设备 检修的发展方向”。1 9 9 7 年原电力部选定天津大港电厂和上海石洞口二厂为开展状 态检修技术研究的试点，1 9 9 8 年5 月，华中电力集团公司召开研讨会，对预知维 护工作进行了部署，确定隔河岩水电厂和首阳山火电厂分别为华中电网预知维护 试点厂。 1 3 本文主要研究工作 本文在回顾国内外维护理论发展过程和总结现有研究成果的基础上，基于智 能控制维护- 技术管理集成系统( i c m m s ) 的思想，提出并开发了用于水轮机调 节系统的基于多智能主体( m a s ) 的预知维护系统。 从功能的角度将预知维护系统分为“状态监测和预测”、“故障诊断和预诊断” 以及“维护策略制定”三大模块；按照硬件实现，系统又可分为智能采集设备、 现地维护站、中央维护站和远程维护站四部分。本文根据这两条主线全面阐述了 预知维护系统的研究与开发。 由于水轮机调节系统的预知维护研究涉及面广，知识构成复杂，本文重点研 究了调节系统状态的监测与预测、调节系统故障诊断与决策方法以及基于多主体 系统的维护等三个方面的内容。同时详细地描述了维护系统中智能采集单元、现 地维护站、中央维护站以及远程维护站的实现。 华中科技大学硕士学位论文 本文对水轮机调节系统的预知维护进行了比较全面的研究，因而具有一定的 理论研究和实际应用价值。全文围绕预知维护的“状态监测与预测”、“故障诊断 与预诊断”和“维护决策制定”三大功能模块展开论述，章节安排如下： 第l 章引出了本文将要讨论的主要问题。首先，综述了设备维护研究的现状 以及发展过程，分析了水电站开展预知维护的必要性，介绍了预知维护的基本原 理以及预知维护理论的发展现状及趋势。 第2 章提出了水轮机调节系统预知维护的体系结构。首先论述了建立水轮机 调节系统预知维护的主要原则以及系统所要完成的主要功能，描述了预知维护的 参考模型，最后提出了水轮机调节系统预知维护的体系结构。 第3 章阐述调节系统预知维护中的状态监测与预测的实现。在分析调节系统 状态监测内容的基础上，提出了实时监测和性能测试两种具体的状态监测手段， 介绍了基于微控制器的数据采集装置。最后，提出四种状态预测模型，介绍了最 优模型的选择准则。 第4 章阐述了调节系统预知维护中的故障诊断研究。通过分析调节系统故障 诊断的内容和特点，阐述了预知维护系统中用到的三种诊断方法及其实现。 第5 章阐述了基于m a s 的水轮机调节系统故障诊断与决策系统的实现。首先 介绍了m a s 的基本概念以及在水轮机调节系统故障诊断中的应用。接着描述了基 于m a s 的调节系统故障诊断与决策系统的结构以及单个a g e n t 的构成。最后分别 阐述了a g e n t 之间的通信协调机制、冲突消解机制以及维护决策的制定。 第6 章介绍了预知维护系统的中央维护站和远程维护站的软件研究成果。提 出了中央维护站的系统结构，描述了所开发系统的菜单体系结构以及人机交互界 面，介绍了远程维护站的构成以及两种远程访问的方式。 第7 章全面系统地总结了全文，并指出了有待进一步开展的工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 i c m m s 框架下水轮机调节系统预知维护 提要：论述了建立水轮机调节系统预知维护的主要原则以及系统的主要功能 建立了预知维护的参考模型，最后提出了水轮机调节系统预知维护的体系结构 2 1 预知维护系统设计基本原则 按照智能控制一维护一技术管理集成系统的思想，预知维护系统应按如下基本原 则设计：丌放式的体系结构、基于网络的远程维护、智能化现地监测、虚拟现实 技术以及高可靠性等8 2 ”j 。 2 1 1 开放式体系结构 预知维护系统设计首先必须充分地考虑到它的开放性。开放性具体体现在两 个方面。 ( 1 ) 系统资源的开放性 系统资源的开放性主要体现在水轮机调节系统预知维护系统应该按照c m m s 的思想进行设计”2 ”，力求从发电过程的状态信息采集、诊断分析到控制决策、 维护决策、管理决策，全面考虑资源共享，实现全局最优。在与水电厂原有的监 控( 控制) 、m i s ( 管理) 等相对已经较为完备的系统实现信息交流、资源共享的 基础上，开发预知维护系统。 预知维护系统与电厂m i s 互连，可以共用一套局域网，减少投资费用。同时 在预知维护系统中提供技术管理的平台，供维护人员参考，充分发挥电厂m i s 的 作用。 预知维护系统与电厂监控系统互连，可以把预知维护的结果提供给监控系统， 使运行和调度人员可以轻松地掌握调节系统的健康状态；同时监控系统获得的大 量过程信息，又可以方便地传输给预知维护系统，使预知维护系统在最小的硬件 投资基础上，获得尽可能多的状态信息，得到更精确的分析诊断结论；预知维护 系统的现地单元和控制系统的现地单元可以互为冗余，从而为故障诊断提供依据。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 i c m m s 框架下水轮机调节系统预知维护 提要：论述了建立水轮机调节系统预知维护的主要原则以及系统的主要功能 建立了预知维护的参考模型，最后提出了水轮机调节系统预知维护的体系结构 2 1 预知维护系统设计基本原则 按照智能控制一维护一技术管理集成系统的思想，预知维护系统应按如下基本原 则设计：丌放式的体系结构、基于网络的远程维护、智能化现地监测、虚拟现实 技术以及高可靠性等8 2 ”j 。 2 1 1 开放式体系结构 预知维护系统设计首先必须充分地考虑到它的开放性。开放性具体体现在两 个方面。 ( 1 ) 系统资源的开放性 系统资源的开放性主要体现在水轮机调节系统预知维护系统应该按照c m m s 的思想进行设计”2 ”，力求从发电过程的状态信息采集、诊断分析到控制决策、 维护决策、管理决策，全面考虑资源共享，实现全局最优。在与水电厂原有的监 控( 控制) 、m i s ( 管理) 等相对已经较为完备的系统实现信息交流、资源共享的 基础上，开发预知维护系统。 预知维护系统与电厂m i s 互连，可以共用一套局域网，减少投资费用。同时 在预知维护系统中提供技术管理的平台，供维护人员参考，充分发挥电厂m i s 的 作用。 预知维护系统与电厂监控系统互连，可以把预知维护的结果提供给监控系统， 使运行和调度人员可以轻松地掌握调节系统的健康状态；同时监控系统获得的大 量过程信息，又可以方便地传输给预知维护系统，使预知维护系统在最小的硬件 投资基础上，获得尽可能多的状态信息，得到更精确的分析诊断结论；预知维护 系统的现地单元和控制系统的现地单元可以互为冗余，从而为故障诊断提供依据。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = # = = = = j = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = 一一 ( 2 ) 系统升级的开放性 对于任何一个系统，都有一个不断发展和完善的过程，预知维护系统也不例 外。随着资金的不断补充，可以逐步监测更多的变量；随着技术的不断进步，故 障诊断知识将不断地得到更新；随着现场新的要求，系统也会增减更多新的功能， 这些都要在现有的系统上进行升级换代。为了以后升级的方便，必须对维护系统 的开发放在一个长期的角度来考虑，能够使现有的系统方便地进行扩充。 2 1 2 基于网络的远程维护 随着信息技术的不断发展，网络化成了系统开发的趋势。系统应该充分地利 用网络资源，通过计算机网络或电话电缆实现信息的远距离传输，使得地域网络 维护中心或者是专家组以及设备供应商可以在远离现场的地方随时监测设备的运 行情况，进行必要的诊断，给出适当结论和对策；可以远程地更新专家知识库， 设雹监控系统的参数等。 要实现远程故障诊断，异地故障诊断专家系统必须通过i n t e r n e t 获得调节系统 的状态和故障信息，查询本地故障诊断专家系统数据库中的数据。因此，基于w e b 的数据库技术是实现远程故障诊断的前提。 同时，考虑到系统的安全性，必须考虑防火墙，进行适当的用户身份认证。 防火墙技术是实现远程维护的关键技术之一。 2 1 3 智能化现地监测单元 现地状态监测单元应该采用基于微处理器的智能仪器仪表，可以在现场实现 多通道的数据采集和处理，并具有通讯功能，可随时将处理后的数据通过通讯网 络传送到预知维护系统的中央维护站。 2 1 4 虚拟现实技术 虚拟现实的最大特征是沉浸性和交互性。它以仿真的方式创造了一个反映实 体对象实时变化与相互作用的声像俱全的三维图形世界，并可直接参与和探索仿 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = 目= = = = ；= = = ；= = = i = 一一 真对象在所处环境中的作用和变化。利用虚拟现实和多媒休技术，可以形象生动 地表现系统的状态，把故障的发生以生动、形象、简单的方式展示给异地故障诊 断专家系统，以弥补不能亲临现场的不足，提高故障诊断的准确率。 2 1 5 高可靠性 系统的可靠性是决定设备预知维护系统功能能否真正实现的根本性因素。因 此在系统设计初期，就应非常重视系统的可靠性，这主要从以下两个方面来保证： 充分重视传感器的选择、安装、接线、抗干扰、标定、调试等各个环节及硬件设 计、制作工艺上的可靠性要求；充分考虑信号的存储、传输、特征提取算法、内 存的冲突管理、中断的冲突管理等方面的可靠性。 2 2 预知维护参考模型 根据前述的预知维护基本原理，水轮机调节系统预知维护的参考模型如图2 1 所示 2 3 e 在模型中，整个预知维护过程分为状态监测与预测、故障诊断与预诊断 和维护决策制定三个环节。 1 1j 监测与预测 监测与预测的目的就是对系统的健康状况进行实时监视并对其发展趋势及时 分析，它分为“调节系统状态监测”、“调节系统状态预测”和“调节系统态势分 析”三个部分。 “调节系统状态监测”通过数据采集系统，采集调节系统及其相关设备的若 干参数。同时对这些原始数据进行处理，以获取调节系统当前的状态信息。 “调节系统状态预测”用调节系统及其相关设备的历史数据和当前状态数据， 对调节系统下一时刻的状态进行预测。 “调节系统态势分析”对调节系统的状态信息进行分析，据此作出判断。一 般包括四种判断信息：调节系统正常、调节系统故障( 故障已经发生) 、调节系统 降级( 在可预测的未来将出现不正常状态) 、不确定状态。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = 目= = = = ；= = = ；= = = i = 一一 真对象在所处环境中的作用和变化。利用虚拟现实和多媒休技术，可以形象生动 地表现系统的状态，把故障的发生以生动、形象、简单的方式展示给异地故障诊 断专家系统，以弥补不能亲临现场的不足，提高故障诊断的准确率。 2 1 5 高可靠性 系统的可靠性是决定设备预知维护系统功能能否真正实现的根本性因素。因 此在系统设计初期，就应非常重视系统的可靠性，这主要从以下两个方面来保证： 充分重视传感器的选择、安装、接线、抗干扰、标定、调试等各个环节及硬件设 计、制作工艺上的可靠性要求；充分考虑信号的存储、传输、特征提取算法、内 存的冲突管理、中断的冲突