水电站核心设备健康状态评估关键技术概论

摘 要：正确判断水电站设备的健康状态具有十分重要的意义。因此，本文在概括介绍水电站设备状态评估系统研究形势的基础上，重点分析了设备状态检查、设备故障判断、寿命预判和设备状态评价等水电站设备健康状态评估关键技术，并且总结了水电站设备健康状态评估系统的研究意义。

关键词：水电厂；电力设备；状态评估；状态检测

1 绪论

众所周知，中国的大中型水电站必须具有长期工作的可靠性、安全性和稳定性。而随着科技日新月异的发展，这些水电站具有逐渐提升的自动化程度，这使得水电站各种设备之间有着更加紧密和复杂的联系[1-2]。传统的以经验和主观判断为基础的设备管理方法，因其不具备理论指导而不能很好地迎合实际需求。所以，为了能对大中型水电站设备的健康状态做出全面合理的评估，必须形成一个完备的，具有高度可操作性和效率的评估系统，让管理人员能够对设备状况有切实的掌握，进一步保障各项设备能够正常运行，并且对水电企业的设备管理和检修工作也有着一定的指导作用。[3-4]

2 水电站核心设备状态评估关键技术

在现阶段，我国对水电站设备健康状态评估体系的探索仍属于初级阶段，而这种评估是检修不可缺少的标准，特别是对大中型水电站而言，相关的研究工作尚才起步，导致实际应用中可以参考的资料非常匮乏。[5]此外，现存的研究工作大多以单独的水电站设备为对象，以实时监测为主，很少有以整体设备状态评估为研究对象的。当然，现在飞速发展的科技为设备状态评估打开了一个新的窗口，研究人员综合各种理论、方法和技术，得到了许多工作成果。本文针对水电站核心设备（如发电机、变压器等）的健康状态评估研究现状，进行了详细介绍。

2.1 设备状态检测

设备状态检测起源于状态检修。由于人们对状态检修的重视程度日渐提升，设备状态监测也成为了热点。设备状态检测关键在于技术，也就是说以监测手段为途径，探测设备相关的各方面信息，诸如振动、噪声、应力等。利用相关技术对获取的信息加以处理，从而得到设备状态的情况，设备的运转、或者是可能出现的异常，都能够得得知，一旦出现了劣化倾向，也能够对其程度进行判断。设备状态检测能够为设备的检修提供科学依据，提升了设备检修合理性，降低企业设备维护成本。所以，我国很多要求设备安全性特别高或者在设备维修方面花费太多的企业开始关注设备状态监测，特别是水电站行业企业。

王世山等介绍了振动法进行设备状态监测的原理和判断依据，认为振动法是有效监测设备状态的方法。孟永鹏等系统分析了对电力设备状态进行检测的各种方式以及优缺点，认为未来设备状态监测中，小波理论、神经网络会起着举足轻重的作用。潘宏侠等对变压器发生故障的问题总结，在此基础上，构建了电力变压器中油内气体的在线监测与故障诊断系统，该系统可以高效监测出变压器内部可能存在的故障。史钦锋在变压器在线监测系统的基础上对其进行了优化升级。

相对应地，市面上已经有完善的设备状态检测系统。例如，ABB 公司名下的OPTIMAX 软件，功能多样、覆盖面广，适用于许多国外电厂。美国AVO 公司的TrueGas 变压器油中气体在线监测设备，能够对八种气体进行检测；澳大利亚红相电力设备集团的DRMCC变壓器在线监测控制系统，持久工作的特性让它能对变压器的各方面信息进行不间断、全面的检测。目前中国的相关产品有，宁波理工监测设备有限公司的TRAN-A、TRAN-B型变压器故障在线监测设备，以及东北电力试验研究院研制的BSZ型大型变压器油色谱在线监测装置。

2.2 设备故障诊断

设备故障诊断又称设备状态诊断，它是指从设备状态数据的检测结果来发现设备的故障，随后对其原因进行分析，并且判断设备的后续状况。设备故障诊断中关键的是预测，因此需要将技术和理论相互结合，全面对设备状态进行判断。诊断所需要的数据多数来自于检测，也有部分是设备的性能指标。诊断需要的数据处理方法大多是建立在发展完善的基础理论上的，如神经网络、模糊数学和小波分析等。关于设备诊断技术的研究已经取得了既满足理论又能应用于实际的成果。

潘宏侠等使用了小波分析、信息融合等技术，开展了水电站设备中齿轮的传动系统的故障诊断研究。王玉雷等详细阐述了RBF网络模型及其特征，并在此基础上分析了在RBF网络在发动机设备故障诊断中的应用 。宫会丽等总结汇总了电力变压器故障，在此基础上构建了变压器故障诊断模型，并详细介绍了该模型的使用方法。采取设备诊断技术能够对设备状态进行预估，这种技术非常符合对设备安全系数很高的水电站行业。

2.3 寿命预测技术

寿命预测技术是以设备或部件为研究对象，判断其在规定运行环境下的正常运转时间的技术。一般地，寿命预测指的是剩余寿命预测，也称剩余寿命评估评定、机构完整性评估。寿命预测需要充足的资料、检验和试验工作为支撑。此领域的相关研究也很丰富。

日本电力设备部件残余寿命评估的办法是水电站核心设备部件进行破坏性与非破坏性试验，同时进行解析分析做寿命评估，将这三种方法进行综合比较从而得出其各自的优缺点，以及适用条件；在实际运行部件上作非破坏性试验或取样作破坏性试验并进行解析分析，验证这三种方法的适用条件；对三种方法进行全面评估，最后得到改善方案。

美国电力研究院采用的是“三级评估法”，这一方法也被其他国家所使用，此外美国还制订了比较完善的“综合寿命管理程序”，将其设为美国电力企业寿命管理工作的通用导则。“三级评估”一般需要破坏性试验、取样和机理研究，有时还要通过监测系统对损伤源头做出判断，提出应对方案。

我国的电力寿命管理工作尚且处于起步阶段，应用范围十分小，只能以个别的设备和部件为对象，进行某些技术的专业诊断。我国的杨萍学者对处于多泥沙河流中的水轮机混流式、轴流式叶片的腐蚀进行了调研，从对机组的可靠度、设备故障率、设备的平均无故障工作时间等多个维度对水电站设备的寿命进行了评估预测。除此之外，还可以采取应力分析、破坏试验等方式对水电站的核心设备寿命进行预测。

2.4 设备状态评估

与设备状态评估相关的研究不在少数，涵盖较为广泛繁杂的领域，因此设备状态评估只是一个泛泛的概念，与状态检测、故障诊断和寿命诊断都有联系，通史研究设备状态评估的研究人员，各自专注于不同的细化方面。总体上看，该领域的研究工作也不成熟，而且由于评估的目的、侧重点和技术都不尽相同，不同的研究方向所得到理论模型也不同。现在的设备状态评估研究方向主要是建立在试验数据上的，综合考虑历史试验数据、质量事件、家族事件各项因素从而得出设备的健康狀况，并根据它来决定是否对设备进行维修。不同的设备可能具有不同的表示设整体状态的参数，在实际工作中要结合具体情况。现阶段，以单独或者少量设备精确状态为对象的研究占多数。

目前主要的研究方向是以试验数据为基础的设备健康状态评估，是根据设备的历次试验数据，结合质量事件、家族事件等综合分析设备的健康状况，作为判断设备是否需要维修的依据。对不同的设备，表示设备整体状态的参数可能是不同的，需根据具体情况确定。目前这种针对单个或者少量的设备的精确状态的研究比较多。

唐志英学者结合KPI理论、数据挖掘理论、OLAP技术等，提出了一种新的对水电站的电力设备状态进行状态评估的方法，构建了数学模型，同时在实际情况中对该数学模型了实证分析。使用模糊数学技术理论，配合水电站变电设备的使用状态评估系统，可以把水电站变电设备的历史数据信息和对设备的预估实验数据信息结合起来，以此来对设备状态进行准确评估。

3 结语

尽管我国已有学者对水电站设备的状态评估进行了相关研究，取得了一定的成果，但是从整体上看这方面的工作还有许多需要开拓和深入的地方，评估的手段和方法种类繁多，缺乏统一的标准。尤其是根据设备的各种信息，包括设备自身特性、运行工况、运行时间、状态监测数据等，对整套的设备系统进行评估，确定整套的设备健康状态的研究还非常少见。然而这方面的研究具有非常重要的意义，它不仅帮助企业掌握整体设备状态的情况，让企业对事故多发期有准备和应对，提前去除安全隐患；而且可以帮助企业科学合理确定设备检修时间、更换时间，节约成本，避免浪费。因此开展在这一方面的研究很有科学价值和应用价值。

参考文献：

[1]杨贤.面向智能水电站的远程监测与分析系统[D].华中科技大学，2012.

[2]潘伟峰，麻志成，朱传古.水电主设备状态评价建模关键技术研究[J].水电站机电技术，2016，39（08）：52-54+96.

[3]潘伟峰，马程程，朱传古.水电厂主设备状态检修决策支持系统的设计与开发[J].水电与抽水蓄能，2016，2（06）：89-95.

[4]吴红艳，刘建勇，王伟.水电站变电设备状态检修[C].2010输变电年会论文集，2010.

[5]刘海鹏.大中型水电站设备健康状态评估体系研究[D].重庆大学，2010.

作者简介：李振坡（1983-），男，河南开封人，工程师，研究方向：水电站设备。