抽水蓄能机组设备可靠性分析平台及其方法
【专利摘要】本发明涉及抽水蓄能机组设备可靠性分析平台，包括可靠性测试平台及可靠性综合分析平台；所述的可靠性测试平台包括多种元部件测试装置及与所述多种元部件测试装置连接的系统总接口，所述的可靠性测试平台可测试元部件的各项基本性能参数；可靠性综合分析平台包括可靠性分布函数、参数估计算法，通过所述的可靠性测试平台测试获取待测元部件的故障样本数据，确定待测元部件所符合的可靠性分布函数，导入待测元部件故障统计数据，经过参数估计算法得出待测元部件的可靠性数学模型和分布曲线。分析平台功能强大，界面友好，操作简便，易于在技术人员中推广使用。
【专利说明】
抽水蓄能机组设备可靠性分析平台及其方法
技术领域
[0001] 本发明涉及设备可靠性评价领域，尤其涉及一种抽水蓄能机组设备可靠性分析平 台及其方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会生产、经济活动的自动化水平不断提高，人类对电力系统运行可靠性的 要求已经愈来愈高，而整个电力经营活动安全稳定运行的基础是电力生产设备的"安全可 靠运行"。当前电力生产设备愈来愈复杂，愈来愈昂贵，电力管理技术人员对设备可靠性的 要求和希望也愈来愈高。而目前行业内能够对电力生产设备可靠性进行测试、分析与评估 的综合性平台还十分罕见，对设备可靠性测试分析的方法和工具的研究还很缺乏。
[0003] 具体到抽水蓄能电厂，承担着电网调峰、调频、调相的重要任务，保证其安全可靠 运行对电网稳定性的作用不言而喻。由于抽水蓄能机组工况多、启停频，主辅设备动作频 繁，运行状态经常发生改变，因此设备各部件的生命周期相比于常规电厂较短，对设备可靠 性测试、分析与评估的必要性显得更为重要。
[0004] 长期以来，各电力生产单位的技术人员对抽水蓄能电厂设备部件可靠性评估的传 统方法是进行定期检查，通过定期检查时设备的状态来判断设备未来一段时间的可靠性。
[0005] 各电力生产单位的技术人员对抽水蓄能电厂设备部件传统可靠性评估方法存在 以下主要问题：
[0006] 1、设备部件的定期检查在概率学意义上存在随机性，由于设备部件是频繁动作的 损耗件，即便本次检查合格，也不能证明未来多长时间一定合格。
[0007] 2、不可靠的设备部件一般可以通过一两次测试，但无法经受数十上百次的检验， 而要靠人工进行成百上千次测试几乎是不可能完成的任务。
[0008] 3、传统方法很少有结合可靠性数学理论进行设备部件状态的评估。
[0009] 4、一直采用完全人工的方式对继电器进行校验。面对包含大量继电器的电气控制 系统的定检工作，技术人员不仅重复劳动的强度较大、校验效率低，容易造成疲劳，而且判 断校验数据是否满足技术要求，主要由校验人员本人决定，主观性较强，不利于设备的标 准化维护。
[0010] 5、校验工器具较为落后，由于校验时需要人工用短接线将外部交、直流电源电源 搭接在继电器的线圈端，因此存在技术人员在校验期间发生触电危险的安全隐患。
[0011] 6、传统校验方式也只能测出继电器的部分电参数，比如线圈电阻、常开触点电阻、 常闭触点电阻。而对于吸合电压、释放电压、动作时间等重要继电器参数无法测量。
[0012] 7、校验数据没有进行有效保存和归类。历次大小修过程中，继电器的定检数据一 般只孤立的保存在纸质定检文件中，并没有建立独立的数据库，将继电器的定检数据有效 归类进行保存。这样将不利于从继电器定检历史数据中发现客观规律，判断相关二次设备 的健康状态和潜在隐患，为机组设备的状态检修工作提供决策支持，从而避免电力系统控 制与保护设备在运行中因为继电器的问题导致的各种异常和故障。
[0013] 在这种情况下，必须考虑开发相应测试平台对抽水蓄能电厂的重要设备部件进行 可靠性测试、分析和评估。
【发明内容】
[0014] 有鉴于此，有必要针对上述的至少一个问题，一方面提供一种抽水蓄能机组设备 可靠性分析平台，包括可靠性测试平台及可靠性综合分析平台；
[0015] (1)所述的可靠性测试平台包括多种元部件测试装置及与所述多种元部件测试装 置连接的系统总接口，所述的可靠性测试平台可测试元部件的各项基本性能参数;所述的 可靠性测试平台收到需求命令经过所述的系统总接口，所述的系统总接口根据要求命令读 取对应的所述测试装置中的测试数据并保存，再通过系统总接口将数据发送到所述的可靠 性综合分析平台；
[0016] (2)所述的可靠性综合分析平台包括可靠性分布函数、参数估计算法，通过所述的 可靠性测试平台测试获取待测元部件的故障样本数据，确定待测元部件所符合的可靠性分 布函数，导入待测元部件故障统计数据，经过参数估计算法得出待测元部件的可靠性数学 模型和分布曲线。
[0017] 其中，所述的可靠性综合分析平台还包括专家系统，输入对待测元部件的期望可 靠度后，专家系统自动计算该可靠度下待测元部件能够连续工作的时间，并给出维护策略 及更换建议。
[0018] 其中，所述的元部件测试装置包括继电器测试装置、弹簧疲劳测试装置、电子元器 件老化测试装置，可测试各个元部件的各项电气参数、重复动作测试、疲劳测试。
[0019] 其中，所述的故障样本数据可以通过试验数据获得，试验数据是由可靠性测试平 台对待测元部件进行寿命测试或重复疲劳性测试而获得。还可以通过现场数据获得，所述 的现场数据是待测元部件在实际运行过程中用户记录的故障统计数据。
[0020] 其中，所述的可靠性分布函数包括指数型分布、正态型分布、对数正态分布、威布 尔分布（双参数、三参数）。所述的参数估计算法包括最小二乘估计（LSE)、极大似然估计 (MLE)、最佳线性无偏估计(BLUE)、简单线性无偏估计(GLUE)、区间估计。
[0021] 本发明的另一方面提供一种抽水蓄能机组设备可靠性分析方法，包括以下步骤： [0022] (1)测试待测元部件的各项基本性能参数；
[0023] (2)通过多组疲劳性测试或重复动作测试获取待测元部件的故障样本数据；
[0024] (3)确定待测元部件所符合的可靠性分布函数；
[0025] (4)读入待测元部件的故障统计数据；
[0026] (5)利用参数估计算法计算可靠性分布函数待定性状参数；
[0027] (6)获得待测元部件的可靠性数学模型和分布曲线。
[0028] 其中，还可以包括专家系统分析，输入对待测元部件的期望可靠度后，专家系统自 动计算所述可靠度下待测元部件能够连续工作的时间，并给出维护策略及更换建议。
[0029]本发明的有益效果：
[0030] 1、本发明开创性设计出一套抽水蓄能机组设备可靠性综合测试分析平台，包括可 靠性测试平台及可靠性综合分析平台，具备元器件参数性能测试和设备可靠性分析评估 等多种功能，既可依赖可靠性测试平台及可靠性综合分析平台两部分配合使用来测试元部 件的可靠性数学模型和分布曲线，又可独立使用来测试待测元部件的各项基本性能参数。
[0031] 2、抽水蓄能机组设备可靠性综合测试分析平台是集软、硬件于一体的智能测试分 析系统，其功能强大，具备元器件参数性能测试和设备可靠性分析评估等多种功能。适用于 电力行业生产过程中设备定检、设备状态评价、设备寿命分析、设备可靠性评估等多种应用 需求。
[0032] 3、可靠性测试平台可用来测试元部件的各项基本性能参数，以其中的继电器测试 装置为例，既可进行继电器重复动作试验来测试寿命，又可对电磁继电器的各项特性参数， 实践证明该装置安全、易用，高效、通用，具有十分广阔的推广应用前景。
[0033] 4、可靠性综合分析平台自带多种元件库模型和参数估计算法，可应用于大部分电 力生产设备的可靠性分析与评估，在电力生产设备愈来愈复杂，愈来愈昂贵，设备可靠性要 求愈来愈高的当今社会，其应用前景十分广泛。
[0034] 5、平台内置专家系统，能够根据用户需求，自动评估待测元部件的最佳使用寿命， 并给出维护建议，是技术管理人员制定设备维护管理策略的好帮手。
[0035] 6、抽水蓄能机组设备可靠性综合测试分析平台功能强大，界面友好，操作简便，易 于在技术人员中推广使用。
【附图说明】
[0036] 图1抽水蓄能机组设备可靠性分析平台整体结构示意图
[0037] 图2可靠性测试平台拓扑结构图
[0038] 图3可靠性综合分析平台流程图
【具体实施方式】
[0039 ]下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0040] 图1为根据本发明的基于故障统计数据的抽水蓄能机组设备可靠性分析平台100 的结构示意图，平台采用分布式设计，包括2个部分:可靠性测试平台101及可靠性综合分析 平台102;由于采用分布式设计方案，极大降低了平台两部分之间的耦合性，提高了两部分 的独立性，靠性测试平台101及可靠性综合分析平台102既可配合使用，又可独立使用，因 此抽水蓄能机组设备可靠性分析平台100使用的灵活性非常强。
[0041] 靠性测试平台101由多种测试装置及系统总接口 215构成，如图2所示，测试装置包 括继电器测试装置211、弹簧疲劳测试装置212、电子元件老化测试装置213及其它测试装置 214〇
[0042] 靠性测试平台101的作用之一是可用来测试元部件的各项基本性能参数，以其中 的继电器测试装置211为例。既可进行继电器重复动作试验来测试寿命，又可对电磁继电器 的各项特性参数(线圈电阻、接触电阻、吸合/释放电压、吸合/释放时间、吸合回跳、释放回 跳等)进行自动检测，并达到相当高的测试精度。
[0043] 靠性测试平台101的另一作用是与可靠性综合分析平台102配合使用来测试待测 元部件的可靠性数学模型和分布曲线。该用途下，靠性测试平台101用来对待测元部件进行 重复动作测试，直至元部件性能不达标停止。通过多组疲劳性测试获取待测元部件的故障 样本数据。
[0044] 可靠性综合分析平台102是抽水蓄能机组设备可靠性分析平台的核心，得到待测 设备元部件故障样本数据后，通过该可靠性综合分析平台102可以便捷地对该元部件进行 快速而精确的可靠性预测，并给出该元部件的维护建议。
[0045] 如图1所示，基于故障统计数据的抽水蓄能机组设备可靠性分析平台包括可靠性 测试平台101及可靠性综合分析平台102,他们之间的数据传输是双向实时的。可靠性综合 分析平台102通过系统总接口 215发出数据需求命令给可靠性测试平台101，可靠性测试平 台101收到需求命令后将自己的测试数据发回给可靠性综合分析平台102。
[0046] 具体而言，如图2,可靠性测试平台101收到的需求命令首先经过内部系统总接口 215,总接口根据要求读取内部对应测试装置(比如继电器测试装置211)中的测试数据并保 存下来，再通过系统总接口 215将数据发送出去。
[0047] 可靠性综合分析平台102根据待测元部件的种类，确定其所符合的可靠性分布函 数类型。通过导入待测元部件故障统计数据，经过内置的多种参数估计分析算法得出待测 设备的可靠性数学模型和分布曲线。用户输入对设备的期望可靠度后，便能自动计算该可 靠度下设备的能够连续工作的时间，并给出维护策略及更换建议，具体包括以下步骤：
[0048] 321，获取测试数据或者现场数据;抽水蓄能机组设备可靠性分析及评估的基础是 故障样本数据，故障样本数据的准确性直接影响着可靠性分析的准确度，因此故障样本数 据的来源十分重要。本分析平台的故障样本数据主要是通过试验数据或现场数据得到。试 验数据是由可靠性测试平台对待测元部件进行寿命测试或重复疲劳性测试而得到的;现场 数据是待测元部件在实际运行过程中用户记录的故障统计数据。用户通过本平台可以十分 方便地将故障样本数据读入至平台中，为进行设备可靠性分析评估提供数据基础。
[0049] 322,设备类型选择，确定待测元部件所符合的可靠性分布函数；电力设备中不同 种类的元部件，其所符合的可靠性分布函数是不尽相同的。比如继电器、接触器、电动机等 符合威布尔分布，开关、断路器等符合指数分布，而弹簧、齿轮等机械件符合正态分布。
[0050] 本发明的可靠性分布函数包括了继电器、接触器、弹簧、电子元件等元部件的可靠 性函数，用户只需勾选对应的测试元部件，便可自动生成该部件的数学模型。当待测元部件 在库中没有用户所需的器件时，用户也可以通过新增器件，并为新增器件指定可靠性分布 数学模型，包括指数型分布、正态型分布、对数正态分布、威布尔分布(双参数、三参数)等。
[0051] 例：以符合继电器可靠性数学模型的威布尔分布为例，其失效分布函数F(t)为：
[0058] tr = n(-lnR)1/i! (4)
[0059] 失效率函数A(t)为：
[0061] 式中:q表示尺度参数;β表示形状参数，指的是失效模式。
[0062] 323,参数估计算法选择，待测元部件可靠性模型确定后，通过读入故障数据样本， 采用一系列参数估计算法计算数学模型中的待定形状参数，从而确定符合待测元部件的真 实可靠性分布函数。参数估计算法包括:最小二乘估计(LSE)、极大似然估计(MLE)、最佳线 性无偏估计(BLUE)、简单线性无偏估计(GLUE)、区间估计等，用户只需勾选对应的参数估计 算法，便会自动采用该算法计算待定形状参数。
[0063] 例：以自带威布尔分布的最小二乘估计为例说明计算过程。
[0064] 将式(3)左右变形，连续取两次对数可得：
[0065] ln[-lnR(t) [ =β1η?-β1ηη (6)
[0066] 令：
[0067] x = lnt，y = ln[_lnR(t)]
[0068] Α = β，Β = _β1ηη
[0069] 则式（6)可化为：
[0070] Y=AX+B (7)
[0071 ]对于线性回归方程(7)，回归系数A和B的最小二乘解如下：
[0074]采用最小二乘法进行参数估计时，为了得到最佳的回归直线，关键是提高经验分 布函数的精度，传统的经验分部函数计算方法是通过近似中位秩式式(9)得到。
[0076]式中：i为故障设备的顺序号;η为样本的总容量。
[0077]平均秩次法计算公式如（10)~（13)。
[0081] R(tk) = l-F(tk) (13)
[0082] 式中：Ak为故障样品的平均秩次;k为故障样品的顺序号;Ak-1为前一个故障样品 的平均秩次;AAk为平均秩次增量;i为所有样品按故障前动作次数的顺序排列号;tk为第i 个样品的故障前动作次数。在故障数据样本已知的情况下可利用式（10)~（13)计算出一组 经验可靠性指标，然后利用最小二乘法拟合回归直线，确定威布尔分布模型的尺度参数η和 形状参数β。
[0083] 324,参数求解；
[0084] 325,分布曲线作图；获得待测元部件的分布曲线图形；
[0085] 326,数学模型结果显示，获得可靠性数学模型显示。
[0086] 327,期望值输入，求得待测元部件可靠性寿命函数后，用户可以输入元部件期望 可靠度；
[0087] 328,设备维护建议，可根据内置专家系统自动计算其使用寿命和建议维护周期， 为电站技术人员制定设备的运行维护策略提供参考。
[0088]抽水蓄能机组设备可靠性分析平台操作简单，可以一键测试待测元部件的各项特 性参数;可靠性综合分析平台界面友好，仅需简单的操作，分析结果便可以图形形式直观 输出。
[0089]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种抽水蓄能机组设备可靠性分析平台，其特征在于，包括可靠性测试平台及可靠 性综合分析平台； (1) 所述的可靠性测试平台包括多种元部件测试装置及与所述多种元部件测试装置连 接的系统总接口，所述的可靠性测试平台可测试元部件的各项基本性能参数;所述的可靠 性测试平台收到需求命令经过所述的系统总接口，所述的系统总接口根据要求命令读取对 应的所述测试装置中的测试数据并保存，再通过系统总接口将数据发送到所述的可靠性综 合分析平台； (2) 所述的可靠性综合分析平台包括可靠性分布函数、参数估计算法，通过所述的可靠 性测试平台测试获取待测元部件的故障样本数据，确定待测元部件所符合的可靠性分布函 数，导入待测元部件故障统计数据，经过参数估计算法得出待测元部件的可靠性数学模型 和分布曲线。2. 根据权利要求1所述的可靠性分析平台，其特征在于，所述的可靠性综合分析平台还 包括专家系统，输入对待测元部件的期望可靠度后，专家系统自动计算该可靠度下待测元 部件能够连续工作的时间，并给出维护策略及更换建议。3. 根据权利要求1所述的可靠性分析平台，其特征在于，所述的元部件测试装置包括继 电器测试装置、弹簧疲劳测试装置、电子元器件老化测试装置，可测试各个元部件的各项电 气参数、重复动作测试、疲劳测试。4. 根据权利要求1所述的可靠性分析平台，其特征在于，所述的故障样本数据通过试验 数据获得，试验数据是由可靠性测试平台对待测元部件进行寿命测试或重复疲劳性测试而 获得。5. 根据权利要求1所述的可靠性分析平台，其特征在于，所述的故障样本数据还可以通 过现场数据获得，所述的现场数据是待测元部件在实际运行过程中用户记录的故障统计数 据。6. 根据权利要求1所述的可靠性分析平台，其特征在于，所述的可靠性分布函数包括指 数型分布、正态型分布、对数正态分布、威布尔分布。7. 根据权利要求6所述的可靠性分析平台，其特征在于，所述的威布尔分布包括双参 数、三参数。8. 根据权利要求1所述的可靠性分析平台，其特征在于，所述的参数估计算法包括最小 二乘估计（LSE)、极大似然估计（MLE)、最佳线性无偏估计（BLUE)、简单线性无偏估计 (GLUE)、区间估计。9. 一种抽水蓄能机组设备可靠性分析方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 测试待测元部件的各项基本性能参数； (2) 通过多组疲劳性测试或重复动作测试获取待测元部件的故障样本数据； (3) 确定待测元部件所符合的可靠性分布函数； (4) 读入待测元部件的故障统计数据； (5) 利用参数估计算法计算可靠性分布函数待定性状参数； (6) 获得待测元部件的可靠性数学模型和分布曲线。10. 根据权利要求9所述的可靠性分析方法，其特征在于，还包括专家系统分析，输入对 待测元部件的期望可靠度后，专家系统自动计算所述可靠度下待测元部件能够连续工作的 时间，并给出维护策略及更换建议。
【文档编号】G01M13/00GK106093613SQ201610357596
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】冯凌云, 巩宇, 邱小波, 梁彦, 黄中杰, 吴昊, 代雄, 茹浩, 杨铭轩, 徐陶龙, 于亚雄, 罗茜
【申请人】广东蓄能发电有限公司