智能電廠二次系統(tǒng)運維管理模式研究

王國清 , 呂力行

浙江浙能電力股份有限公司蕭山發(fā)電廠，浙江 杭州 311251

0 引 言

《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》中明確表示，2025 年前必須保障智能制造落實“兩步走”戰(zhàn)略，即到2025 年能夠構(gòu)建起全新的智能制造支撐體系，促使重點產(chǎn)業(yè)能夠初步實現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型[1]。《中國制造 2025》國家發(fā)展綱要中也強調(diào)必須推動行業(yè)實現(xiàn)快速智能化的轉(zhuǎn)型升級與跨越式發(fā)展，形成支撐我國與世界接軌的全新體系[2]。在國家大力發(fā)展和社會廣泛關(guān)注的背景下，智能制造時代已然來臨，并成為了各個行業(yè)未來發(fā)展的主要方向。在智能制造深入推進(jìn)的影響下，各種設(shè)施設(shè)備表現(xiàn)出綜合性、智能性、交互性特征，且呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)可視化、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、過程透明化等特點，在促進(jìn)先進(jìn)制造能力提升和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級上發(fā)揮了非常關(guān)鍵的作用[3]。同時，智能制造也對設(shè)施設(shè)備的日常連續(xù)性運作提出了更高的要求，突發(fā)性的故障可能帶來的極大的安全風(fēng)險，為此，設(shè)施設(shè)備的維護(hù)管理成為至關(guān)重要。二次系統(tǒng)是智能電廠與傳統(tǒng)電廠實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)最大的差異所在。借助二次系統(tǒng)電廠能夠促使電流互感器、電壓與一次系統(tǒng)形成連接，并通過保護(hù)裝置和自動化系統(tǒng)對一次設(shè)備進(jìn)行控制與調(diào)度，保證整個電力系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定、健康運行。近年來，在智能電網(wǎng)持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化的背景下，目前已經(jīng)實現(xiàn)了全網(wǎng)信息共享、數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸、采集和控制單元電網(wǎng)信息監(jiān)測獲取等功能[4]。在全新的時代背景下，電廠二次系統(tǒng)的運行維護(hù)管理也逐漸實現(xiàn)了自動化、智能化和數(shù)字化運作，在提升電廠安全性和設(shè)備可靠性發(fā)揮了重要作用[5]。但因電廠二次系統(tǒng)運維管理缺乏統(tǒng)一、完整、系統(tǒng)的維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，造成運維管理概念不明確，給日常運維管理工作帶來了諸多問題。為此，基于智能化時代的全新要求，結(jié)合電廠二次系統(tǒng)的特點，打造起全新的運維管理模式，使其更加符合智能制造系統(tǒng)的特性，有必要提升智能裝備的使用價值。

1 電廠二次系統(tǒng)運維管理問題診斷與分析

1.1 電廠二次系統(tǒng)運維管理問題診斷

1)當(dāng)前維護(hù)系統(tǒng)的功能目標(biāo)定位不明確，開展預(yù)測性維護(hù)的設(shè)備整體覆蓋率也相對較低，絕大部分設(shè)備很難實現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和動態(tài)監(jiān)測，仍然是人工記錄和離線采集的方式運作，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的真實性、準(zhǔn)確性都無法確定，設(shè)備狀態(tài)故障診斷分析能力有較大的提升空間[6]。

2)配套的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備資源嚴(yán)重不足，針對所獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)信息無法實現(xiàn)分析和數(shù)據(jù)管理，并未形成成熟的設(shè)備壽命預(yù)判和健康狀態(tài)評估監(jiān)控管理模式，與此同時，還缺乏設(shè)備運維優(yōu)化機制。現(xiàn)階段，電廠二次系統(tǒng)系統(tǒng)與設(shè)施設(shè)備都處于分散的狀態(tài)下，缺乏落實預(yù)測性維護(hù)管理的相關(guān)條件，系統(tǒng)功能相對較為落后，以數(shù)據(jù)庫和表單為主，無法承載設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的功能接口，自然很難實現(xiàn)全程的預(yù)測性維護(hù)管理。

3)現(xiàn)行二次系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)與智能制造標(biāo)準(zhǔn)有著較大差距，并未構(gòu)架起系統(tǒng)預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)體系，功能上也只是單純具備了基本的維護(hù)執(zhí)行和預(yù)測分析能力，但絕大部分都是根據(jù)離散數(shù)據(jù)和歷史故障數(shù)據(jù)來完成線下分析處理，缺乏系專業(yè)的評估、故障分析和健康預(yù)測等核心功能[7]。

4)現(xiàn)階段實施的管理流程中，并不具備狀態(tài)故障識別和預(yù)判等核心功能，維護(hù)組織也并未構(gòu)建起基于壽命預(yù)測和健康管理的評估體系，造成預(yù)測性診斷結(jié)果很難應(yīng)用于設(shè)備的運維決策。與此同時，設(shè)備的健康管理信息無法與電廠內(nèi)部管理系統(tǒng)建立起聯(lián)系，導(dǎo)致電廠二次系統(tǒng)運維管理流程處于孤立狀態(tài)。

1.2 電廠二次系統(tǒng)運維管理問題分析

根據(jù)上述運行管理情況，結(jié)合魚骨圖分析法對電廠二次系統(tǒng)運維管理問題原因進(jìn)行分析。魚骨圖分析結(jié)果如圖1 所示。

圖1 電廠二次系統(tǒng)運維管理問題分析魚骨圖

1.2.1 管理輸入輸出要求和接口關(guān)系不明確

1)電廠二次系統(tǒng)推行的設(shè)備運維管理表現(xiàn)出定位不明確的特點，并未與智能制造標(biāo)準(zhǔn)建立起聯(lián)系，仍然沿用的是傳統(tǒng)制造體系的輸入輸出運維管理模式。針對設(shè)備智能預(yù)測性維護(hù)的要求也缺乏明確性，造成新投入的智能裝備針對預(yù)測性維護(hù)的智能化規(guī)格很難做到全面，導(dǎo)致現(xiàn)有的預(yù)測性維護(hù)管理和標(biāo)準(zhǔn)無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

2)現(xiàn)階段，設(shè)備維護(hù)組織未充分發(fā)揮FMEA分析的功能，缺乏對故障失效和功能結(jié)構(gòu)的全面掌控，更多的是憑借著經(jīng)驗來開展維護(hù)管理工作，影響電廠二次系統(tǒng)的運行可靠性和安全性。

3)尚未構(gòu)架起針對企業(yè)管理體系架構(gòu)的頂層設(shè)計支撐，電廠在面對智能制造系統(tǒng)數(shù)字化運維信息化、體系化的趨勢下，并未及時根據(jù)智能制造的特性調(diào)整設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)的管理表中，也并未明確設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)與相關(guān)結(jié)構(gòu)之間的接口關(guān)系，同時針對關(guān)鍵零部件的預(yù)測性維護(hù)的覆蓋和維護(hù)系統(tǒng)建設(shè)投入方面也并未形成科學(xué)的規(guī)劃管理。

1.2.2 流程制度和技術(shù)規(guī)范有待完善

1)結(jié)合智能化二次系統(tǒng)運維管理新要求，并未形成針對設(shè)備健康度預(yù)測的明確標(biāo)準(zhǔn)體系?，F(xiàn)階段電廠二次系統(tǒng)的運維管理主要是基于預(yù)防性維護(hù)的層面上來實現(xiàn)延伸，但實際運行中更多的是以線下記錄與歷史故障數(shù)據(jù)來做出預(yù)判，絕大部分都是靜態(tài)或者離散狀態(tài)的線下預(yù)測分析，人為完成診斷信息的分析，預(yù)測可信度非常低，很難客觀體現(xiàn)出狀態(tài)的健康情況。

2)并未針對相關(guān)模型和標(biāo)準(zhǔn)來構(gòu)建起專門的業(yè)務(wù)運作流程，而是基于管理故障經(jīng)驗來形成二次系統(tǒng)運維管理模式，缺乏對二次系統(tǒng)運維管理的核心操作流程，更加談不上技術(shù)操作和規(guī)范，實際落地的執(zhí)行效果與常規(guī)運維管理措施的效果無明顯差異，但卻導(dǎo)致整個運作流程很難達(dá)到一致。

3)并無針對設(shè)備故障和健康管理的相關(guān)措施和手段，未開展故障診斷并實現(xiàn)設(shè)備健康的預(yù)測判定、壽命的預(yù)測等。在智能制造系統(tǒng)引入的背景下，若缺乏對設(shè)備健康狀態(tài)和故障信息的預(yù)判，不利于二次系統(tǒng)的日常運行和維護(hù)管理。

1.2.3 軟硬件資源配置不充分

1)絕大部分電廠二次系統(tǒng)設(shè)備都未配置運行數(shù)據(jù)監(jiān)測采集條件，但若全面改造必然面臨著較大的成本投入。這些新增加的成本投入很難直接兌現(xiàn)投資收益，運營單位必然會對成本壓力進(jìn)行綜合考量，導(dǎo)致日常運維很難獲得充足的資金支持，故設(shè)備的監(jiān)控仍然以人工記錄和監(jiān)測為主。

2)缺乏必要性的二次系統(tǒng)運維管理的軟硬件實施條件。現(xiàn)階段電廠二次系統(tǒng)設(shè)備的信息化系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都處于分散狀態(tài)，配套的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信還處于規(guī)劃完善中，進(jìn)度無法與數(shù)字化核心系統(tǒng)的要求相匹配。

3)未形成對智能制造系統(tǒng)信息化資源的支持體系。針對電廠二次系統(tǒng)的健康管理和壽命預(yù)測監(jiān)控是運維管理的重要任務(wù)，要保障該項措施有效執(zhí)行，必然需要獲得充分的算法支持和數(shù)據(jù)管理。現(xiàn)階段的系統(tǒng)功能仍然停留在數(shù)據(jù)庫和表單的階段，很難滿足預(yù)測性維護(hù)管理的實際要求和智能化制造的風(fēng)險評估要求。

2 智能時代下電廠二次系統(tǒng)運維管理模式優(yōu)化策略

2.1 電廠二次系統(tǒng)運維管理模式優(yōu)化

基于智能化時代的全新要求下以及電廠二次系統(tǒng)運維管理的典型問題，綜合電廠發(fā)展規(guī)劃與實際情況，對原有運維管理模式進(jìn)行全面優(yōu)化。全新運維管理模式是基于預(yù)測性維護(hù)管理理念下打造起的全新管理體系，管理過程的烏龜圖優(yōu)化，見圖2。

2.2 電廠二次系統(tǒng)運維管理模式建設(shè)

2.2.1 建立運維管理組織架構(gòu)

要對電廠二次系統(tǒng)運維管理進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)管理，就必須建立對應(yīng)的運維管理組織系統(tǒng)，生產(chǎn)系統(tǒng)的組織設(shè)計是運維生產(chǎn)準(zhǔn)備過程的重要內(nèi)容，組織設(shè)計的任務(wù)就是根據(jù)運維管理主要職責(zé)和生產(chǎn)特點建立的、符合實際需要的運維管理生產(chǎn)系統(tǒng)[8]。

1)重構(gòu)電廠二次系統(tǒng)運維管理系統(tǒng)架構(gòu)

參考智能制造和預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)模型，結(jié)合二次系統(tǒng)日常運營的特點，重構(gòu)運維管理系統(tǒng)架構(gòu)流程如圖3 所示。

圖3 二次系統(tǒng)運維管理架構(gòu)流程重構(gòu)圖

2)電廠二次系統(tǒng)運維管理優(yōu)化流程

以此為基礎(chǔ)，對電廠二次系統(tǒng)運維管理流程進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的運維管理關(guān)鍵的流程活動說明見表1。

表1 電廠二次系統(tǒng)運維管理流程活動說明

2.2.2 構(gòu)建信息化管理系統(tǒng)

智能化時代背景下電廠二次系統(tǒng)運維管理需要具備的軟硬件系統(tǒng)資源，主要包括底層的設(shè)備狀態(tài)采集監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與接口、故障診斷與預(yù)測的數(shù)據(jù)系統(tǒng)資源、數(shù)字化關(guān)于智能維護(hù)管理的信息化平臺等。系統(tǒng)資源的層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電廠二次系統(tǒng)運維管理系統(tǒng)資源層次圖

智能化時代背景下海量傳感器和智能平臺的信息交互，以及人機界面的高效交互，對二次系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的實時通信、對網(wǎng)絡(luò)有多樣化的需求以及極為苛刻的性能要求，智能電廠的升級同步伴隨著對控制網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的全面升級拓展?？刂凭W(wǎng)絡(luò)具有設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳遞與溝通的互操作性，具備明顯的通信實時性、安全性、可靠性特點，能提供相對應(yīng)的實時通信。 目前控制網(wǎng)絡(luò)已從傳統(tǒng)的分布式控制（DCS）發(fā)展到較為先進(jìn)的現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)（IOT）控制。面向全新的二次系統(tǒng)運維管理可以充分應(yīng)用控制網(wǎng)絡(luò)通信的實時性、安全性和可靠性，將采集到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)通過控制網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠實時地傳到對應(yīng)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，以實現(xiàn)對二次系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的高效存儲，用于后續(xù)分析使用[9]。

通過多種傳感器、儀器儀表等實時采集得到的涵蓋設(shè)備操作情況、工況狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)等體現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，這些具備時間序列差異的大量數(shù)據(jù)通?？煞Q為大數(shù)據(jù)?；诠收项A(yù)測和健康管理理論模型（PHM），可以在充分拓展設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、存儲、預(yù)處理的基礎(chǔ)上，建立基于大數(shù)據(jù)的智能故障診斷與預(yù)測分析的算法系統(tǒng)，主要包括狀態(tài)預(yù)測智能預(yù)警模塊、故障診斷專家?guī)?、健康狀態(tài)監(jiān)測評估模塊、部件壽命預(yù)測算法模塊、故障停機管理模塊等，相應(yīng)的算法輸出可以滿足電廠二次系統(tǒng)設(shè)備運維管理的基本需求。這方面需要智能電廠在推進(jìn)智能化升級的同時部署相應(yīng)的數(shù)據(jù)計算技術(shù)和數(shù)據(jù)分析工具，基于采集到的海量設(shè)備大數(shù)據(jù)，定制化開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)算法模型，將實時采集的傳感器數(shù)據(jù)與設(shè)備全生命周期歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，輔助設(shè)備維護(hù)管理者更迅速、更全面地把握設(shè)備故障失效的發(fā)生，實現(xiàn)設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)的控制。

2.2.3 科學(xué)制定管理流程制度與技術(shù)規(guī)范

設(shè)備FMEA 是預(yù)測性維護(hù)的前置基礎(chǔ)，結(jié)合電廠二次系統(tǒng)設(shè)備特點，參考最新版FMEA 手冊，編制《設(shè)備FMEA 分析作業(yè)指導(dǎo)書》，對設(shè)備FMEA 分析過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而指導(dǎo)設(shè)備狀態(tài)采集點必要性的確定。設(shè)備FMEA 分析結(jié)果的輸出以設(shè)備FMEA 流程說明中的主要字段為主。

由于智能電廠二次系統(tǒng)是一個復(fù)雜的設(shè)備組成體，不同類別設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集水平存在較大差異且通訊協(xié)議不統(tǒng)一，為了規(guī)范設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集的技術(shù)方案，實現(xiàn)設(shè)備預(yù)測性維護(hù)過程中不同設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集方式的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化，控制采集方案的實施成本，制定《設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)范》，規(guī)定設(shè)備狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)定義、SCADA 系統(tǒng)的設(shè)計原則和應(yīng)用軟件開發(fā)及系統(tǒng)的調(diào)試、運行等[10]。同時基于設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的故障診斷預(yù)測并參考PHM 理論、浴盆曲線模型，結(jié)合電廠的具體情況和客觀能力條件限制，編制《設(shè)備健康狀態(tài)評估作業(yè)指導(dǎo)書》，搭建科學(xué)合理且適合電廠二次系統(tǒng)運維管理實際的設(shè)備健康狀態(tài)評估模型如圖5 所示。按此模型制定對應(yīng)的設(shè)備健康狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行分析，參考評分標(biāo)準(zhǔn)見表2。以各維度評價得分加權(quán)平均算出的百分制表示設(shè)備健康指數(shù)（健康度），最后輸出針對性的評估報告，為設(shè)備維護(hù)策略管理決策提供支持。

表2 健康狀態(tài)評價參考評分標(biāo)準(zhǔn)

圖5 健康狀態(tài)評估模型

運行時間分析參考模型如圖6 所示，按照設(shè)備浴盆曲線周期中不同時間段故障失效水平的差異分為早期失效期、偶然失效期和損耗失效期。

圖6 二次系統(tǒng)故障失效浴盆曲線

3 結(jié)論

本文以電廠二次系統(tǒng)運維管理為研究對象，綜合智能制造時代背景的全新要求，發(fā)現(xiàn)其在智能化水平、數(shù)字化水平和管理體系、規(guī)范上都存在諸多問題。面對智能電網(wǎng)的全面發(fā)展，二次系統(tǒng)運維管理應(yīng)當(dāng)形成多功能性、高精度和高效率的全新管理模式，通過現(xiàn)代化技術(shù)手段形成對二次系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備的動態(tài)預(yù)測，制定更為科學(xué)的健康狀態(tài)分析和計劃維護(hù)活動，最大程度上提升二次系統(tǒng)的運行安全性與穩(wěn)定，為電廠的健康運作和高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)。