郭 榮，張 強(qiáng)，陳榮澤，陳家穎

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 201100）

0 引言

狀態(tài)檢修（Condition Based Maintenance，CBM）也稱預(yù)測性維護(hù)，是指根據(jù)先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù)提供的設(shè)備狀態(tài)信息，判斷設(shè)備的異常，預(yù)知設(shè)備的故障，在故障發(fā)生前進(jìn)行檢修的方式。實現(xiàn)設(shè)備的全方位、全生命周期管理，有效提高設(shè)備可靠性和壽命，實現(xiàn)狀態(tài)檢修成為智能電廠十大建設(shè)目標(biāo)之一[1]，是業(yè)界公認(rèn)的電廠降本增效、高效和智能化運營的重要工具和平臺。

在高比例消納可再生能源的背景下，火電機(jī)組參與到深度調(diào)峰往往導(dǎo)致較大的設(shè)備磨損和壽命損耗，以及較高的單位裝機(jī)檢修費用，同時也威脅到了燃煤機(jī)組的運行安全性和可靠性?；痣娖髽I(yè)迫切需要采用狀態(tài)檢修技術(shù)，希望在改善設(shè)備健康程度和降低單位千瓦檢修費用上同步取得明顯成效，提高企業(yè)在不斷放開的電力市場上的競爭力。

目前，國內(nèi)一些專家學(xué)者和研究人員已對OSA-CBM開放體系架構(gòu)狀態(tài)檢修系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)、體系及應(yīng)用做了一定探索和實踐[2-6]，尚無面向發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的狀態(tài)檢修開放體系研究，本文在分析當(dāng)前發(fā)電企業(yè)狀態(tài)檢修應(yīng)用現(xiàn)狀及問題的基礎(chǔ)上，提出了發(fā)電廠狀態(tài)檢修開放系統(tǒng)架構(gòu)，并分析了該架構(gòu)體系在發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢。

1 發(fā)電企業(yè)狀態(tài)檢修現(xiàn)狀

1.1 發(fā)電廠設(shè)備檢修方式

據(jù)統(tǒng)計2018 年全國火電發(fā)電量4.92 萬億千瓦時，仍約占全國全口徑發(fā)電量的70%。但由于國內(nèi)煤電企業(yè)采購成本居高不下和燃煤發(fā)電機(jī)組利用小時持續(xù)偏低，煤電企業(yè)經(jīng)營壓力仍然很大，2018 年全國近50%的火電企業(yè)虧損。所以，如何更科學(xué)地管理好發(fā)電設(shè)備，保證電廠安全生產(chǎn)，優(yōu)化檢修費用和提升煤電經(jīng)濟(jì)性，已成為擺在煤電企業(yè)面前不容回避的問題。

在傳統(tǒng)的檢修方式下，人力、物力以及財力都有巨大的浪費，雖然保證了發(fā)電設(shè)備的穩(wěn)定性，但是經(jīng)濟(jì)性卻無法保證。當(dāng)前電力行業(yè)市場化程度的提高，導(dǎo)致發(fā)電企業(yè)對于檢修費用上漲壓力越來越敏感，更促使發(fā)電設(shè)備的檢修不僅能夠保證電力生產(chǎn)的穩(wěn)定性和安全性，同時還能兼顧檢修費用的經(jīng)濟(jì)性。

狀態(tài)檢修的目的是在不影響設(shè)備正常運行或盡量減少影響的前提下，通過在線精確測量得到發(fā)電設(shè)備相關(guān)技術(shù)參數(shù)，經(jīng)過狀態(tài)檢修專家系統(tǒng)的分析，提煉出設(shè)備發(fā)生故障時的早期征兆和特征，對設(shè)備發(fā)生故障時的故障點、故障深度以及發(fā)生故障的發(fā)展趨勢做出準(zhǔn)確的判斷，指導(dǎo)檢修計劃的制定，使得設(shè)備能夠得到更好的維修以及保養(yǎng)。做到最大限度地減少因為檢修造成的停電時間，延長設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的維修和修復(fù)的成本，從而做到“應(yīng)修必修、修必修好”。

1.2 狀態(tài)檢修實施的經(jīng)濟(jì)效益與問題分析

實施狀態(tài)檢修的經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，美國國防部相關(guān)獨立調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，狀態(tài)檢修可以減少25%～30%的檢修費用，減少35%～45%的設(shè)備停運時間，實現(xiàn)高達(dá)10 倍的投資回報率[7]。西門子在美國紐約某675 MW 燃煤電廠實施狀態(tài)檢修后[8]，年度維修費用節(jié)約200 萬美元，年度運行相關(guān)費用節(jié)約120 萬美元，常備備品減少34.7 萬美元。

圖1 OSA-CBM功能模塊Fig.1 OSA-CBM Functional module

狀態(tài)檢修作為一項重要技術(shù)，國內(nèi)各大發(fā)電集團(tuán)均有試點布局，但由于發(fā)電設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)涉及傳感器、計算機(jī)、人工智能等眾多學(xué)科，發(fā)電企業(yè)作為狀態(tài)檢修系統(tǒng)用戶很難進(jìn)行專業(yè)的集成和維護(hù)，很多專門從事狀態(tài)檢修技術(shù)開發(fā)的科研院所、各大公司紛紛推出了自己的產(chǎn)品和服務(wù)。這些產(chǎn)品功能單一、價格偏貴、互不兼容，并不能很好地解決設(shè)備維護(hù)問題。同時，封閉的系統(tǒng)模式限制了技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展，市場壟斷給發(fā)電企業(yè)用戶帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，限制了狀態(tài)檢修技術(shù)的推廣，很多工廠沒有能力購買先進(jìn)的狀態(tài)檢修系統(tǒng)，依然沿用落后的維護(hù)技術(shù)，很多可以避免的生產(chǎn)故障不時發(fā)生，給發(fā)電企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。市場迫切需要一套在開放系統(tǒng)的環(huán)境下，可以用不同廠家的產(chǎn)品作為組成部件來構(gòu)成系統(tǒng)，滿足在不同廠家生產(chǎn)的相同功能的產(chǎn)品間互換的規(guī)范與準(zhǔn)則。

2 OSA-CBM狀態(tài)檢修體系概述

狀態(tài)檢修系統(tǒng)開放體系架構(gòu)（Open System Architecture for CBM，OSA-CBM），是由美國海軍提供部分資助，波音、卡特彼勒、羅克韋爾等公司聯(lián)合組建的工業(yè)小組制定的一套促進(jìn)狀態(tài)檢修系統(tǒng)的信息流動的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和框架。

OSA-CBM 描述了建立狀態(tài)檢修系統(tǒng)的六大功能塊，如圖1 所示，以及這些模塊之間的接口。該標(biāo)準(zhǔn)提供了集成多種不同的軟件組件的方法，并通過指定組件之間的輸入和輸出來簡化流程。簡單地說，它描述了一個用于狀態(tài)檢修的標(biāo)準(zhǔn)化信息傳遞系統(tǒng)：

1）數(shù)據(jù)采集層（Data Acquisition Layer）。數(shù)據(jù)采集層經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字傳感器連接現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該層為狀態(tài)檢修系統(tǒng)提供了訪問數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)的接口。

2）數(shù)據(jù)操作層（Data Manipulation Layer）。數(shù)據(jù)操作層的輸出包括過濾后的傳感器數(shù)據(jù)、頻譜等其它特征量。該層接受來自數(shù)據(jù)采集層或其他信號處理模塊的信號和數(shù)據(jù)，使用專門的特征提取算法進(jìn)行單個或多個信道的信號轉(zhuǎn)換。

3）狀態(tài)檢測層（State Detection Layer）。狀態(tài)檢測層接受來自數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)操作層和其它狀態(tài)監(jiān)測層的數(shù)據(jù)，主要作用是將特征值與期望值或運行閾值進(jìn)行比較，輸出到狀態(tài)指示器上，也可以根據(jù)事先規(guī)定的閾值發(fā)出警報。

圖2 OSA-CBM層次體系結(jié)構(gòu)擴(kuò)展Fig.2 OSA-CBM Hierarchical architecture expansion

4）健康評估層（Health Assessment Layer）。健康評估層接受來自不同的狀態(tài)檢測器或其它健康評估模塊的數(shù)據(jù)，當(dāng)被監(jiān)測的系統(tǒng)、子系統(tǒng)或設(shè)備部件劣化時，確定它們是否健康，并對故障狀態(tài)提出具有一定置信度的建議。

5）預(yù)測評估層（Prognostics Assessment Layer）。預(yù)測評估層根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的健康狀態(tài)預(yù)測設(shè)備未來的健康狀態(tài)，或估計在給定計劃使用剖面下的設(shè)備剩余使用壽命（RUL，Residual Useful Life ）。

6）建議生成層（Advisory Generation Layer）。建議生成層接受來自健康評估層和預(yù)測評估層的數(shù)據(jù)，給出活動建議和方案選擇，包括相關(guān)的維修活動時間表。

基于OSA-CBM 技術(shù)體系，ISO13744 描述了所有層次模塊之間的相互作用，以及與終端或其他軟件系統(tǒng)相互作用的外部模塊，擴(kuò)展了表達(dá)模塊，用于各層次模塊的技術(shù)顯示和信息表示，如圖2 所示。而且顯示健康評估、預(yù)測評估或決策支持建議以及報警的人機(jī)界面，具備報告異常狀態(tài)將在什么時間出現(xiàn)的能力。另外還增設(shè)了接口模塊，用于外部系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲和模塊的外部接口配置。

3 開放架構(gòu)典型設(shè)計

圖3 發(fā)電廠狀態(tài)檢修系統(tǒng)開放體系架構(gòu)Fig.3 Open system architecture of power plant condition maintenance system

圖4 基于SPARK的大數(shù)據(jù)運算框架集成Fig.4 Integration of big data computing framework based on SPARK

如圖3 所示為發(fā)電廠狀態(tài)檢修系統(tǒng)開放體系架構(gòu)，根據(jù)OSA-CBM 規(guī)范，該體系架構(gòu)的核心模塊分為六層：數(shù)據(jù)采集層（DA）、數(shù)據(jù)操作層（DM）、狀態(tài)檢測層（SD）、健康評估層（HA）、預(yù)測評估層（PA）、建議生成層（AG）。核心功能模塊通過外部接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并在信息表達(dá)模塊終端進(jìn)行顯示交互。

3.1 數(shù)據(jù)采集層

發(fā)電廠狀態(tài)檢修系統(tǒng)開放架構(gòu)數(shù)據(jù)獲取層。一方面，通過外部接口模塊進(jìn)行主輔機(jī)運行歷史數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成以及基于Spark大數(shù)據(jù)框架的運算集成（如圖4 所示）；另一方面，還可以根據(jù)發(fā)電設(shè)備狀態(tài)檢修的具體需求，新增振動、局放、壓力、溫度、流量等關(guān)鍵測點，采用現(xiàn)場智能儀表/傳感器、現(xiàn)場總線等方式進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)的獲取。

3.2 數(shù)據(jù)操作層

在集成運算與數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)操作層實現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取層中抽取數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證數(shù)據(jù)一致性。通過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)探索、數(shù)據(jù)降維、頻譜分析、特征工程等方法，完成發(fā)電廠關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)特征挖掘；采用并行ETL、并行多維分析、并行數(shù)據(jù)挖掘算法等邊緣計算和云計算技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實施FT-stream 動態(tài)數(shù)據(jù)挖掘算法，實現(xiàn)火電廠主輔機(jī)設(shè)備歷史故障信息的關(guān)聯(lián)挖掘，最終實現(xiàn)支持狀態(tài)檢修及決策支持的目的。

表1 關(guān)鍵參數(shù)分級表Table 1 Classification table of key parameters

3.3 狀態(tài)檢測層

發(fā)電廠狀態(tài)檢修系統(tǒng)狀態(tài)檢測層除了對關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)信號進(jìn)行閾值判斷外，還采用了主成分分析（PCA）、支持向量機(jī)（SVR）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行狀態(tài)回歸與分類，通過人工智能預(yù)警算法對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行有效判斷和預(yù)測。

3.4 健康評估層

發(fā)電設(shè)備健康狀態(tài)評估根據(jù)其故障和劣化趨勢將設(shè)備健康狀態(tài)分為4 種：正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)和嚴(yán)重狀態(tài)。通過引入分級評分的機(jī)制，以國家和行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)安全生產(chǎn)規(guī)范以及專家經(jīng)驗等知識為依據(jù)，根據(jù)設(shè)備參數(shù)重要程度分級和劣化程度分級，將設(shè)備的4 種健康狀態(tài)進(jìn)行評估。

1）參數(shù)重要程度分級

將發(fā)電設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)按照其對發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)的重要程度分為4 個級別，對應(yīng)的重要程度值為1 ～4 分，重要程度越大，重要程度值越高。表1 為關(guān)鍵參數(shù)分級表。

2）狀態(tài)劣化程度評分

將關(guān)鍵參數(shù)所反映的設(shè)備狀態(tài)劣化程度或者故障嚴(yán)重程度進(jìn)行4 個程度的評分，為了將設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分，按照劣化程度將取劣化程度值分別為2、4、8 和10，劣化程度值越高，劣化程度越大。表2 為狀態(tài)劣化程度評分表。

3.5 預(yù)測評估層

發(fā)電設(shè)備預(yù)測評估是通過設(shè)備健康狀態(tài)，需要確定設(shè)備是否需要修理以及需要在多久之后修理：機(jī)組設(shè)備處于正常狀態(tài)，則保持運行；處于注意狀態(tài)時也無需修理，但是需要加強(qiáng)對設(shè)備的監(jiān)測，跟蹤并分析注意狀態(tài)的原因，采取必要的預(yù)防措施；處于異常狀態(tài)則需要根據(jù)其產(chǎn)生原因，采取針對性的措施，適時安排檢修；對于嚴(yán)重狀態(tài)，需要盡快安排檢修或者立即停機(jī)，以防止更惡劣的情況發(fā)生。

表2 狀態(tài)劣化程度評分表Table 2 Deterioration degree score table

3.6 建議生成層

當(dāng)發(fā)電設(shè)備狀態(tài)由正?；蜃⒁鉅顟B(tài)轉(zhuǎn)為異?；驀?yán)重時，狀態(tài)檢修平臺會觸發(fā)一個事件流程并發(fā)出警示，提醒點檢人員核實。事件經(jīng)核實不是由于測點異常等因素造成的誤報，開始事件處理流程，若為誤報則該事件由點檢人員手動取消，事件結(jié)束，否則給出相關(guān)的維修活動時間表。事件處理流程充分考慮電廠用戶的角色職能權(quán)限劃分，使?fàn)顟B(tài)檢修事件處理與角色職能權(quán)限相匹配，在不同層級的用戶間傳遞，直至事件關(guān)閉，形成閉環(huán)。

3.7 信息表達(dá)模塊

狀態(tài)檢修本身不僅僅是設(shè)備管理部門的職責(zé)，而是一種全員參與的生產(chǎn)維修方式，因此發(fā)電廠狀態(tài)檢修系統(tǒng)開放架構(gòu)模型借助信息表達(dá)模塊實現(xiàn)與電廠運行、管理、試驗等多部門的充分互動，并形成一體化應(yīng)用的優(yōu)勢。例如，發(fā)電廠狀態(tài)檢修系統(tǒng)不僅向設(shè)備維護(hù)人員提供檢修建議，還可以向運行人員提供運行參考，對故障或缺陷進(jìn)行提前主動干預(yù)；狀態(tài)檢修系統(tǒng)通過互聯(lián)ERP 等管理系統(tǒng)，自動生成檢修料單。

3.8 外部接口模塊

發(fā)電廠狀態(tài)檢修系統(tǒng)通過OPC、IEC61850 等實時接口對發(fā)電廠及其電氣系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行獲??；利用表結(jié)構(gòu)或Comtrade 接口連接故障錄波等高頻瞬態(tài)關(guān)鍵機(jī)組波形數(shù)據(jù)記錄；對于主、輔機(jī)大量的運行、檢修、試驗等文件非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)流/數(shù)據(jù)塊統(tǒng)一接口進(jìn)行讀??；打通MIS、ERP、巡點檢等信息管理系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫接口，為發(fā)電廠狀態(tài)檢修系統(tǒng)開放架構(gòu)一體化應(yīng)用創(chuàng)造條件。

4 應(yīng)用分析

OSA-CBM 規(guī)范定義了一種在狀態(tài)檢修系統(tǒng)中移動信息的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。更深入地研究揭示了一種狀態(tài)檢修領(lǐng)域降低成本、提高互操作性、增加競爭、整合設(shè)計變更與進(jìn)一步協(xié)作的方法。層次不同的技術(shù)模塊使?fàn)顟B(tài)檢修結(jié)構(gòu)層次化、組件化。不同的研究機(jī)構(gòu)和公司可以發(fā)揮在各自領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，充分實現(xiàn)技術(shù)整合，共同推進(jìn)狀態(tài)檢修技術(shù)在企業(yè)的發(fā)展，該技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電行業(yè)主要有如下優(yōu)勢：

1）成本。OSA-CBM 可以幫助企業(yè)節(jié)省大量成本，因為系統(tǒng)集成商和供應(yīng)商將不必花費時間創(chuàng)建新的或?qū)Ｓ械捏w系結(jié)構(gòu)。節(jié)省也將來自于沒有能力開發(fā)整個狀態(tài)檢修系統(tǒng)的單個供應(yīng)商。由于標(biāo)準(zhǔn)被分解為功能組件，多個供應(yīng)商可以競爭開發(fā)選定的功能塊，從而降低狀態(tài)檢修系統(tǒng)的集成成本。

2）專業(yè)。當(dāng)供應(yīng)商不受限制地提供整個狀態(tài)檢修系統(tǒng)時，他們可以集中在一個或幾個領(lǐng)域。專業(yè)化的增加將有助于開發(fā)更好的算法和技術(shù)，不能提供整個CBM 系統(tǒng)的小公司現(xiàn)在可以專門生產(chǎn)一個或多個功能塊。

3）競爭。OSA-CBM 允許所有供應(yīng)商使用相同的輸入和輸出接口。將功能與信息實現(xiàn)分離，競爭現(xiàn)在可以發(fā)生在功能層面，而不是系統(tǒng)或整體解決方案層面。

4）合作。不僅可以增加競爭，合作也可以增加。將狀態(tài)檢修系統(tǒng)分割成單獨的獨立塊，將使多個供應(yīng)商能夠在不同的模塊上進(jìn)行每一項工作并密切合作。由于標(biāo)準(zhǔn)還定義了接口，如果使用相同的技術(shù)開發(fā)，每個模塊將能夠與其他模塊無縫地通信。

5 結(jié)論

發(fā)電廠設(shè)備狀態(tài)檢修系統(tǒng)開放架構(gòu)以及帶來的模塊間互操作性是未來狀態(tài)檢修關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用的關(guān)鍵，通過制定一系列供應(yīng)商中立的接口、服務(wù)和協(xié)議規(guī)范，在狀態(tài)檢修系統(tǒng)開放架構(gòu)的環(huán)境下，可以用不同廠家的產(chǎn)品作為組件進(jìn)行系統(tǒng)集成，也可以在不同供應(yīng)商的相同功能的產(chǎn)品間進(jìn)行互換，為發(fā)電廠采用多家產(chǎn)品集成系統(tǒng)以及系統(tǒng)的維護(hù)帶來極大方便，也有利于發(fā)電廠狀態(tài)檢修產(chǎn)業(yè)向組件化、專業(yè)化發(fā)展。有助于打破市場壟斷，促進(jìn)技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展，形成發(fā)電廠狀態(tài)檢修數(shù)字生態(tài)與企業(yè)聯(lián)盟。