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抽水蓄能电站设备运行大数据管理

编辑:   发布时间:2018-09-05

引言

     运行设备的开关量信号是反映发电厂运行设备性能的运行大数据,通过对系统/装备内某些重要开关量信号进行统计和分析,可以评估系统/装备的整体性能,如压力保持、建压时间等性能指标,通过系统/装备性能指标的分析也可以预先发现系统/装备内水泵、管道、阀门和控制回路的潜在故障,从而为设备的状态检修提供有效的支撑。

     例如,当一个液压系统的保压性能呈现下降趋势时,往往是由于承压设备的密封损坏、管路泄漏、压力泵磨损等隐蔽性缺陷或自动控制元件的定值偏移、控制回路偶发性故障或泵效率下降等隐蔽性电气缺陷等原因所致。

     目前设备运行大数据管理技术存在以下问题:

1)缺乏自动识别和纠错技术。对于因设备检修、异常动作或误发信号等随机造成多发或少发的错误开关量信号,往往只能依靠人工进行核对、识别和剔除。

2)缺乏有科学有效的分析手段。由于监控系统内的运行数据非常庞大,要在海量的数据进行分析,过去通常采用随机选点和等采样周期选点的方法,遴选其中的数据“代表”进行分析,导致采样不充分和不全面。

3)缺乏智能化的分析App。使得分析极难采用计算机对海量开关量数据进行批量分析,不仅耗费大量人力资源,其分析结果也存在一定的失真和不足。

4)缺乏系统性的管理模式。从数据分析的策划、实行和闭环管控方面没有形成系统性的管理和技术标准。

     本文的技术方法和管理内容可以有效解决上述问题,以运行设备保压性能为例简要先容抽水蓄能电站运行设备数据分析技术,先容“三未”设备快速普查技术及先容运行数据分析管理的要点。

1运行设备保压性能状态分析技术

     运行设备保压性能状态分析技术包括开关量纠错技术、异常工况快速甄别技术、专业分析App的开发三个部分。

     考虑到机组在检修状态下,设备保压性能的开关量数据并不反映设备运行的客观实际,没有判断运行性能的使用价值。因此,在分析过程中需要对检修期间的开关量信号进行甄别和剔除。以一个压力系统为例,若将连续两个相同状态开关量信号的时间差定义为保压间隔时间差k,将一个保压做功周期内两个不同状态开关量信号的时间差定义为保压做功时间差t。不难发现,k的数值与t的数值不为同一数量级,即通常t为1分钟内的秒级数值,而k则为1小时内的分级数值,k>>t。因此,当开关量信号错序时,将出现t ≈ k或t>k的数值关系。因此可根据这一特性设置标准纠错判据进行自动纠错。

     定义指定t区间的样本数与总样本数的比值为t的概率密度ft。经大量的数据统计和分析实践验证,保压做功的确定性具体呈现为频次数据ft满足以平均值或最大频值为中心,依次向正负坐标方向快速锐减,近似于正态分布的概率分布τ。而对于分布τ不近似呈正态分布时,则辅以保压做功周期的历史统计参数观察保压性能的变化趋势,以找出性能劣化的拐点。值得注意的是,受安装工艺,做功对象不同等客观因素影响,同一原理,同一型号的不同设备的分布τ也有较大差别,具体表现为平均值、最大频值和均方差存在差异。考虑到正态分布中,偏离中心±1.96倍均方差的数据点为小概率事件,若将这一思想应用于工况甄别中,无疑可为不同设备保压性能分析提供自适应快速定位反映异常运行状态的开关量信号的有效工程手段。

     运行设备保压性能状态分析专业App(The Professional Software for Running Equipment Pressure Retaining State Analysis,简称REPRSA)选用MatLab和C#语言进行混合编程。目前,REPRSA分析App适用于抽水蓄能机组转轮压水系统、尾闸液压系统、球阀液压系统、调速器液压系统、高压气系统、高压断路器操作机构等系统的保压效率及保压性能分析和消防水系统、渗漏排水系统的效率分析。REPRSA可根据用户设置的组合字符进行不同分析功能和输出功能的私人定制。通过选项卡可实现自动实现图形输出和根据分析结果自动生成分析报告的文本输出。REPRSA分析计算的基本流程为:

1)根据用户输入的字符组合定制相关分析功能;

2)开关量纠错;

3)异常工况甄别;

4)图形输出和文本输出。

     以广东某抽水蓄能电厂2015年1月1日至5月18日#5、#6机组球阀液压系统保压性能的状态分析为实例,使用REPRSA进行分析。如图1所示,#5、#6机组液压系统为同一原理,同一型号的不同设备。液压系统采用容积式液压传动结构,两台油泵互为主备用,保压原理为气囊内氮气体积一定,通过压力开关控制球阀油泵启停打压以控制油压在55bar~60bar的区间内。

图1 球阀液压系统原理图

图2~3分别示出REPRSA输出的#5、#6球阀保压做功时间差t5和t6(单位为秒)的概率分布,图中纵坐标为区间[0, 1]的概率,横坐标为保压做功时间差(单位为秒)。t5近似于正态分布,可见#5球阀液压系统保压性能良好,运行稳定。t6正常也应如t5相近处于[30, 45]秒的区间内,却呈现中间低两边高的浴盆形状,且在区间[2,5]秒的工况数较多。图4为#6球阀k6的历史统计,纵向曲线通过k6每周的均方差反映波动量,横向曲线为k6的平均值,不难可以发现k6的数值为平稳变化,并从第13周开始逐渐降低,说明油泵启动越来越频繁,保压性能呈现逐渐劣化的迹象。现地检查压力表读数正常,校验压力开关定值没有偏移,管路也无漏油点。后来现地投退#6机球阀下游密封时发现油压有短时较大波动(从55bar降至50bar),经确认为#6机球阀油压系统储能罐气囊压力不足导致油压回路储压能力下降,补气后发现,气囊端盖密封破损漏气导致,更换密封后恢复正常。

图2 #5球阀t5的分布图

图3 #6球阀t6的分布图

图4 #6球阀k6的历史统计

2 “三未”设备快速普查技术

     随着电网规模的扩大,负荷水平的不断提高,运行设备的检修管理难度日益提高。开关、刀闸、主变分接开关等运行设备,未严格实行国家及行业标准规范、企业生产设备运行管理制度及厂家有关设备运维要求,超过相关规定周期而长时间未操作、未维护、未轮换(简称“三未”)的问题显现。

     2003年美国电网“8.14”事故,2005年莫斯科电网“5.25”事故,2006年华中电网“5.29”事故和“7.1”事故,2014年东莞“4.11”事故,无不昭示目前国内外技术水平远达不到使各设备完全可靠地工作,设备故障,不正确动作等异常状态都可能导致电网任一环节失效,进而引发连锁跳闸,最后成为事故扩大的直接原因。因此需要对众多涉网设备进行周期性排查梳理,制定相关风险防范措施,杜绝“三未”设备,以预防设备因素导致的电网事故。

     当前相关研究多局限在检修模式,计划编制,运维策略及其可视化方面,针对“三未”设备普查则未见报道。考虑到设备进行操作、维护、轮换时,其状态均会发生变化,且可通过送出开关量,记录下当下的时间和状态。因此,可以通过梳理海量历史开关量信号,掌握设备最近一次动作情况,实现对“三未”设备的排查。然而由于开关量信号的数目较为庞大,且存在二次安防要求下的相关访问限制,使得长期缺乏从海量开关量信号中批量筛选排查设备开关量信号的技术方法。致使无法使用计算机快速进行“三未”设备的排查工作。此外,一旦批量搜索方法不合理,使用计算机搜索,将极容易引起厂站主计算机假死,对设备运维带来不利影响。仅能依靠人工排查费时费力,又极容易出错。

     提出的“三未”设备快速普查技术,运用计算机模拟检索过程,实现了在不接入新设备且不改变原有生产信息管理系统配置的前提下,通过自适应算法自动分历史时段的直接从二次安防三区办公网中获取检索结果,最后自动判断给出需要进行检查性操作设备的建议。使得长期依赖于人工处理的繁琐工作得以自动通过计算机多、快、好、省的完成。

     模拟手工网页检索,将三区办公网为客户端,以生产管理系统数据源为服务器的B/S网络构架,与以办公电脑上专业App为客服端,以三区办公网为虚拟服务器的C/S网络构架进行串联,进而实现快速普查技术专业App与生产管理系统数据源的无缝连接。

     将动作时间TSS和当前检索时间作差,若差值超过阈值δT,则安排计划进行检查性操作,若差值不超过δT则无需安排计划进行检查性操作。其中检查性操作是指操作工作本身无操作设备的需要,但为验证被操作设备的操作性能是否满足要求而进行的设备操作。

     以下对广东某蓄能电厂A厂2015年1月1日至2016年2月1日的开关量信号为实例进行分析。

1)由MatLab读取表1所示的检索条件S,通过urlread函数从生产管理系统在检索区间△T(即[T1,T2],T1=2015-10-01 00:00,T2=2016-01-01 00:00)内进行检索。S11未检索得到结果。S12检索得到结果后,使用regexp函数由替换后获取的开关量时间记录和状态记录如表2所示。则500kV 50012刀闸最近一次动作时间TSS12为2015-12-27 16:23:49:060。

表1  搜索条件S

表2  搜索结果V1

2)将S中未检索得到结果的S12存至S1中,再以S1为检索条件,在生产管理系统继续对前一个检索区间T(即[(T1-ΔT),T1],ΔT =3个月)进行检索。仍未搜索得到,则继续前向检索,直至检索区间[(T1-3×ΔT),(T1-2×ΔT)],获得检索结果V2如表3所示,则500kV 50267地刀最近一次动作时间TSS11为2015-01-06 08:54:34:101。

表3 检索结果V2

3)将动作时间TSS11和TSS12与当前检索时间T2作差,差值分别为359天和4天,由于500kV 50267地刀的差值超过阈值10个月,需对安排计划进行检查性操作。

     可见,该技术通过计算机编程直接在办公网模拟手工检索,在不接入新设备且不改变原有生产信息管理系统配置的前提下,自适应分时段不重复的实行排查,最后自动判断给出需要进行检查性操作设备的建议,使得长期依赖于人工处理的繁琐工作得以自动通过计算机多、快、好、省的完成。

3运行设备数据分析管理要点

     运行设备数据分析的管理思路主要借鉴PDCA的管理模式进行各环节的闭环管理,并形成企业的管理标准或制度。

     对于策划环节:

     由运行部负责运行设备数据分析工作的归口管理。运行部每年3月前根据上一年度的《运行数据分析工作总结回顾》组织对运行设备重要度、设备故障后果识别,以确定需要进行分析的系统和分析周期,并依此制定年度定期分析的工作计划,即《运行数据分析计划表》。

     依据分析方法制定《广州蓄能水电厂运行数据分析技术规范》,并为管理标准或制度提供操作层面的技术支撑。《运行数据分析计划表》依据《广州蓄能水电厂运行数据分析技术规范》评估各运行数据分析的工作量,将工作平均分解摊派至每月完成。数据分析工作开展过程中,运行部可结合运行设备的运行方式和运行情况调整《运行数据分析计划表》中相应系统(设备)的运行数据分析工作安排。

     实行环节主要理顺了数据分析的管理流程及各环节的具体要求,主要包括:

1)根据《运行数据分析计划表》安排的每月数据分析工作由运行部值班员或巡检员负责,于当月20日前依据《广州蓄能水电厂运行数据分析技术规范》开展并完成《运行数据分析报告》的编写。

2)各《运行数据分析报告》应按照《运行数据分析报告模板》的格式和内容要求进行编写,经值长审核后由运行部主任组织审定。

3)对于运行数据分析发现的设备缺陷和合理化建议,负责运行数据分析工作的值班员或巡检员应按设备缺陷管理业务、设备科技、技改项目及合理化建议业务要求进行填报。

4)经审定的《运行数据分析报告》每月提交至设备部,由设备部对《运行数据分析报告》的结论和建议进行技术分析,将设备的检查和消缺工作要求下达至维修部,并督促维修部完成,将需要进行运行方式调整的工作内容要求下达至运行部,并由运行部完成。

5)维修部根据设备部的要求和《运行数据分析报告》的结论和建议,在机组检修或专业巡检期间,组织专业人员进行设备的检查和消缺工作。

     检查及回顾环节主要规定了以下管理要求:

1)运行部应就数据分析技术和各系统(设备)运行数据分析方法每年对运行部员工进行培训,当数据分析技术和各系统(设备)运行数据分析方法有变化时,应在3个月内对运行部员工进行培训。

2)《运行数据分析报告》提交设备部后,设备部就《运行数据分析报告》的技术引导和消缺情况反馈给运行部。运行部就设备部反馈的技术引导进行识别,并及时改进运行数据分析技术。

3)运行部结合运行数据分析工作的开展情况和设备部反馈的技术引导和消缺情况在每年12月对全厂年度运行数据分析管理实行情况进行回顾、分析和总结,并编写《运行数据分析工作总结回顾》。

4)运行部每年结合《运行数据分析工作总结回顾》的要求,对管理标准和技术标准,持续改进,进行适当的完善和修订,并依此制定下一年度定期分析的工作计划,即《运行数据分析计划表》。

4应用及评价

     2015年成果应用以来曾十余次提前发现隐形缺陷,使得通过开关量记录预知感观无法辨识的故障模式成为可能,预先发现设备隐性故障,提高设备可靠性而产生的年经济价值不可估量。项目实现了调速器等十余个关键系统的数据分析功能,分析工作只需一人即可完成,而所用时间仅为过去的1/2,分析的数据量则为过去的十万倍以上,并可获取可视化程度更高的趋势图和指标分析及异常数据报表。规避超过相关规定周期而长时间未操作、未维护、未轮换的“三未”设备风险的同时,也使原耗费职工1~2个工作日的工作得以通过计算机自动完成。此外,抽水蓄能电站设备运行大数据管理借鉴PDCA的管理模式对各环节进行了闭环管理,使得数据分析工作推进得更规范、更系统、并在推进工作中持续改进。(此专文摘自《88必发娱乐游戏》杂志文库,专文主创单位:调峰调频、广东蓄能企业)

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