基于模糊层次方法的泵站机泵健康综合评价方法与流程

1.本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种基于模糊层次方法的泵站机泵健康综合评价方法。


背景技术：

2.水泵和电机是泵站运行的主要设备，设备的安全稳定运行对整个泵站的运行至关重要，提前预判机组运行状态，降低机组事故率，提高其安全可靠性，对泵站机组实施状态监测与故障诊断是必然要求。
3.目前，对机组运行状态的判断评价主要依靠检维修人员的主观经验，没有统一标准评价机组运行状态，没有合适的大数据指导检维修作业，检维修过程多为“计划检修”，导致检维修提前，降低机组效率，或检维修滞后，机组易出现较大故障，机组运行寿命缩短，难以满足机组“无人值班、少人值守”的发展趋势。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种基于模糊层次方法的泵站机泵健康综合评价方法，以解决现有技术中存在的机组检维修缺乏统一大数据指导，检修时机无法把控的技术问题。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种基于模糊层次方法的泵站机泵健康综合评价方法，包括以下步骤：
7.获取机泵待评价指标；
8.根据机泵待评价指标，获取n个一级评价因子；
9.根据一级评价因子，为每一个一级评价因子获取m个二级评价因子；
10.计算每一个二级评价因子在对应的一级评价因子中的二级权重系数w
2i
，其中，1≤i≤m；
11.计算每一个一级评价因子在待评价指标中的一级权重系数w
1j
，其中，1≤j≤n；
12.获取所有二级评价因子的评价值；
13.根据二级评价因子的评价值及二级权重系数w
2i
，计算一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
；
14.对一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
进行归一化处理，获取机泵待评价指标评价系数矩阵r；
15.根据机泵待评价指标评价系数矩阵r及一级权重系数w
1j
，计算一级评价因子的隶属矩阵r＇；
16.根据一级评价因子的隶属矩阵r＇,评价泵站机泵健康状态。
17.优选地，所述“计算每一个二级评价因子在对应的一级评价因子中的二级权重系数w
2i”或所述“计算每一个一级评价因子在待评价指标中的一级权重系数w
1j”包括以下步骤：
18.采用带有自动调节的层析分析法计算二级权重系数w
2i
或一级权重系数w
1j
，或者
根据各评价因子对上一级评价因子的影响等级关系计算二级权重系数w
2i
或一级权重系数w
1j
。
19.优选地，所述“采用带有自动调节的层析分析法计算二级权重系数w
2i
或一级权重系数w
1j”包括以下步骤：
20.获取同一级评价因子中，每一个评价因子与其他评价因子的重要程度c
ij
；
21.根据重要程度c
ij
，分配二级权重系数w
2i
或一级权重系数w
1j
。
22.优选地，所述“获取所有二级评价因子的评价值”包括以下步骤：
23.获取二级评价因子的定性评价值y；或者基于算式(ⅰ)，计算获取二级评价因子的定量评价值y：
[0024][0025]
式中，x表示二级评价因子的实际值，s1、s2、s3分别表示等级评价标准值， i、k、l为常数，根据具体参数选定。
[0026]
优选地，所述“根据二级评价因子的评价值及二级权重系数w
2i
，计算一级评价因子的评价系数矩阵r
1j”中，通过算式(ⅱ)计算一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
：
[0027]
r
1j
＝w
2i
×
y
i
[0028]
算式(ⅱ)
[0029]
式中，y
i
表示由二级评价因子的评价值所形成的矩阵。
[0030]
优选地，所述“对一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
进行归一化处理，获取机泵待评价指标评价系数矩阵r”中，通过算式(ⅲ)，对一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
进行归一化处理。
[0031][0032]
优选地，所述“根据机泵待评价指标评价系数矩阵r及一级权重系数w
1j
，计算一级评价因子的隶属矩阵r＇”中，通过算式(ⅳ)，计算一级评价因子的隶属矩阵r＇。
[0033]
r’＝r
×
w
1j
[0034]
算式(ⅳ)
[0035]
优选地，所述“根据一级评价因子的隶属矩阵r＇,评价泵站机泵健康状态”中，将一级评价因子的隶属矩阵r＇与量化后的评价等级进行计算，计算出对应的评价等级的数值，从而确定泵站运行状态的评级。
[0036]
由上述技术方案可知，本发明提供了一种基于模糊层次方法的泵站机泵健康综合
评价方法，其有益效果是：基于计算机大数据技术，基于层次分析方法及模糊综合评价方法，对泵站机泵的运行状态进行实时评估，实现对机泵运行状态的在线检测，实现机泵泵站的“无人值班、少人值守”。另一方面，通过对泵站机泵的运行状态的实时评估，为确定机泵检维修时间节点提供数据参考，避免检维修提前，降低机组效率，或检维修滞后，机组易出现较大故障，机组运行寿命缩短。
附图说明
[0037]
图1是主电机和主水泵的综合评价模型总体结构图。
[0038]
图2为振动评价模型结构图。
[0039]
图3为电气评价模型结构图。
[0040]
图4为无转子断条时的电流频谱图。
[0041]
图5为一根断条时电流频谱图。
[0042]
图6为温度评价模型结构图。
[0043]
图7为点检评价中主水泵评价模型结构图。
[0044]
图8为点检评价中电动机评价模型结构图。
[0045]
图9为运行评价模型结构图。
[0046]
图10为运行效率模型评价结构图。
具体实施方式
[0047]
以下结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
[0048]
请参看图1，一具体实施方式中，一种基于模糊层次方法的泵站机泵健康综合评价方法，包括以下步骤：
[0049]
s100、获取机泵待评价指标，即确定需要对机泵的某一项性能进行评价。例如，该机泵待评价指标可能包括机泵的运行状态、机泵的剩余服务年限等。
[0050]
s200、根据机泵待评价指标，获取n个一级评价因子。也就是说，在确定机泵待评价指标的基础上，选取与该待评价指标有直接影响的若干一级评价因子。例如，评价机泵的运行状态时，选取机泵振动因子、电气因子、温度因子、点检因子、运行评价因子及效率评价因子六项，作为一级评价因子。
[0051]
根据一级评价因子，为每一个一级评价因子获取m个二级评价因子。即，为对一级评价因子做出量化评价，需要对每一个一级评价因子的参数进行合理的表征，通过获取与每一个一级评价因子直接相关的表征参数，作为二级评价因子。例如，当一级评价因子为机泵振动因子时，其对应的二级评价因子可选为推力轴承的x、y、z方向的振动数据、下导轴承x、y方向的振动数据、水导轴承的x、y方向的振动数据、叶轮外壳的振动数据。例如，当一级评价因子为电气因子时，其对应的二级评价因子可选为相不平衡数据、转子断条数据、匝间短路数据。
[0052]
s300、计算每一个二级评价因子在对应的一级评价因子中的二级权重系数 w
2i
，其中，1≤i≤m。各个二级评价因子在一级评价因子中的比重可能不同，代表各个二级评价因子对一级评价因子的影响大小不同，根据影响大小，为每一个二级评价因子赋予不同的二
级权重系数w
2i
。
[0053]
一实施例中，根据各二级评价因子一级评价因子的影响等级关系计算二级权重系数w
2i
，即根据影响等级关系，综合评判各二级评价因子的权重，赋予其不同的权重系数。
[0054]
作为优选，采用带有自动调节的层析分析法计算二级权重系数w
2i
。具体地，首先获取二级评价因子中，每一个评价因子与其他评价因子的重要程度c
ij
。例如，假设某个一级评价因子具有n个二级评价因子，分别标记为u1，u2，...，u
n
，设 c
ij
为u
i
相对于u
j
的重要程度，根据1～9标度法，判断两两评价指标之间的重要性。具体地，例如，u
i
相对于u
j
同样重要，则标记为1；u
i
相对于u
j
稍微重要，则标记为3；u
i
相对于u
j
明显重要，则标记为5；u
i
相对于u
j
特别重要，则标记为7；u
i
相对于u
j
绝对重要，则标记为9；位于两者之间的则记为2、4、6、8。根据重要程度c
ij
的判断结果，确定每个二级评价因子的二级权重系数w
2i
。
[0055]
s400、计算每一个一级评价因子在待评价指标中的一级权重系数w
1j
，其中， 1≤j≤n。
[0056]
各个一级评价因子在待评价指标中的比重可能不同，代表各个一级评价因子对待评价指标的影响大小不同，根据影响大小，为每一个一级评价因子赋予不同的一级权重系数w
1j
。一级权重系数w
1j
的确定过程参考二级权重系数w
2i
的确定过程，此处不在赘述。
[0057]
s500、获取所有二级评价因子的评价值。即量化二级评价因子，使其具有可计算性。
[0058]
首先，确定评价等级标准，例如，将机泵运行状态评价等级分为四级，分别为良好，可用，需检查，需停机，并确认每一级别的分布范围，如良好，则80<u≤100；如可用，则60<u≤80；如需检查，则40<u≤60；如需停机，则u≤40。其中，例如，标记s1＝80，s2＝60，s3＝40。
[0059]
对于无法用检测数据进行量化的二级评价因子，可采用专家评价法，直接为其进行赋值。对于可以用检测数据进行量化的二级评价因子，则通过算式 (ⅰ)，计算得到二级评价因子的评价值。
[0060]
式中，x表示二级评价因子的实际值，s1、s2、s3分别表示等级评价标准值， i、k、l为常数，根据具体参数选定。
[0061][0062]
值得说明的是，当各标准对应的数据为越小越优型时，按上式进行计算，同理，当评定因素对应的四级标准为越大越优型时，函数相反。
[0063]
如此，每一个一级评价因子所对应的所有二级评价因子形成一个矩阵y
i
，该矩阵y
i
以评价等级的个数为列数，以二级评价因子的个数为行数形成。
[0064]
s600、根据二级评价因子的评价值及二级权重系数w
2i
，计算一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
。即，通过算式(ⅱ)计算一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
。
[0065]
r
1j
＝w
2i
×
y
i
[0066]
算式(ⅱ)
[0067]
s700、对一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
进行归一化处理，获取机泵待评价指标评价系数矩阵r。
[0068]
经过步骤s600，可对应得到n个一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
，即每一个一级评价因子对应一个评价等级的个数为列数，以二级评价因子的个数为行数形成的矩阵。
[0069]
对n个一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
进行归一化处理，例如，通过算式 (ⅲ)，对一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
进行归一化处理。
[0070][0071]
即对n个一级评价因子的评价系数矩阵r
1j
以列为基准，进行归一化处理后，相当于每一个一级评级因子被赋予一个评价值，最终得到一个以评价等级的个数为列数，以一级评价因子个数为行数的矩阵r。
[0072]
s800、根据机泵待评价指标评价系数矩阵r及一级权重系数w
1j
，计算一级评价因子的隶属矩阵r＇。即通过算式(ⅳ)，计算一级评价因子的隶属矩阵r＇。
[0073]
r’＝r
×
w
1j
[0074]
算式(ⅳ)
[0075]
s900、根据一级评价因子的隶属矩阵r＇,评价泵站机泵健康状态。一级评价因子的隶属矩阵r＇最终显示了若干一级评价因子的评价状态。本实施中，例如，若全部一级评价因子的评价状态显示为可用或良好，则评价为机泵可用；若超过三项以上需检查或超过一项以上需停机，则需要加强检查或停机检维修。
[0076]
以下通过一具体实施方式，进一步说明本发明的技术方案及技术效果。
[0077]
请参看图1，本实施例中，模糊层次综合评价是基于层次分析的模糊综合评价方法。本系统评价论域为{良好，可用，需检查，需停机}，并且对应量化为 {100，80,60,40}。参照资料及经验，选取综合评价指标的归一化权重为振动评价(0.25)、电气评价(0.25)、温度评价(0.2)、点检评价(0.15)、运行评价(0.075)、效率评价(0.075)。
[0078]
(1)振动评价
[0079]
请参看图2，振动评价过程，分别获取推力轴承的x、y、z方向的振动数据、下导轴承x、y方向的振动数据、水导轴承的x、y方向的振动数据、叶轮外壳的振动数据，再分别对各自数据按照层次分析方法的评价方法进行评价，获得对应的评价结果，再各自经过模糊层次综合评价得出推力轴承评价结果、下导轴承评价结果、水导轴承评价结果、叶轮外壳评价结果，这些评价结果再经过模糊层次综合评价，得出振动评价结果。
[0080]
具体地，为确定振动评价范围与论域关系，参考了db32/t1360
‑
2009设定电动机的振动阀值，如表1所示。根据电动机的结构、转速范围，选择报警阈值，当监测值超限时及时报警。
[0081]
表1泵站主电机运行的允许振幅值
[0082][0083]
本实施例中，选取机组正常转速为175r/min左右，根据资料，其带推力轴承支架的垂直振动允许值为0.12mm，带导轴承支架的水平振动允许值为16mm，叶轮外壳的水平允许振幅为0.07mm，超过允许值则报警，由于报警值应为正常值下限的1.25倍，停机值应为报警值下限的1.25倍，因此，振动评价范围与论域关系如表2所示。
[0084]
表2振动评价指标范围与论域关系表
[0085][0086]
振动评价模型中，选取第一层评价指标：推力轴承、下导轴承、水导轴承、叶轮外壳的权重系数均相等，故振动评价的第一层评价权重设为w1＝(0.25，0.25，0.25，0.25)，第二层评价指标：推力轴承的x、y、z方向的评价指标权重系数也相等，故推为轴承子评价指标的权重为w
11
＝(1/3,1/3,1/3)，下导轴承的x、y方向评价指标的权重系数相等，故下导轴承子评价指标的权重为w
12
＝(0.5，0.5)，水导轴承的x、y方向评价指标权重也相等，故水导轴承
的子评价指标权重w
13
＝(0.5,0.5)。
[0087]
(2)电气评价
[0088]
请参看图3，电气评价的评价流程为：获取相不平衡、转子断条、匝间短路数据，分别对数据进行相不平衡评价、转子断条评价、匝间短路评价，并获取相应的评价结果，最后对三个评价结果进行模糊层次综合评价，最终得到电气评价结果。
[0089]
为确定电气评价范围与论域关系，参考相关资料，如gb/t15543
‑
2008《电能质量三相电压不平衡》中规定：电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％。
[0090]
转子断条故障情况下，定子电流的频谱图中会出现特征频率为(1
‑
2s)f、 (1+2s)f的幅值，如图4和图5所示。并参照表3判断电机转子故障状况。
[0091]
表3转子断条评估表
[0092]
等级峰值/db状态调整建议1>60非常好/254
‑
60好/348
‑
54一般进一步监测442
‑
48可能有故障增加监测频率536
‑
421
‑
2个断条测试确定故障630
‑
36多个断条立即维修7<30故障严重立即维修或用备用电机
[0093]
根据以上相不平衡、转子断条、匝间短路故障的国家标准或参考资料，电气评价的子评价指标范围与评价之间对应关系如表4所示。
[0094]
表4电气评价指标范围与评价论域关系表
[0095][0096]
根据1～9标度法，判断两两评价指标之间的重要性，则电气评价指标的权重计算
如表5所示。
[0097]
表5电气评价指标的权重计算
[0098]
评价指标相不平衡转子断条匝间短路相不平衡0
‑1‑
1转子断条100匝间短路100
[0099]
其中，0表示具有完全一致性或具有满意的一致性。
[0100]
(3)温度评价
[0101]
请参看图6，温度评价流程为：先获取推力轴承湿度数据、上导轴承温度数据、下导轴承温度数据、定子温度数据、上油缸温度数据、下油缸温度数据，分别对这些数据进行推力轴承温度评价、上导轴承温度评价、下导轴承温度评价、定子温度评价、上油缸温度评价、下油缸温度评价，并对应获取评价结果，对6个评价指标的评价结果进行模糊层次综合评价，最终得到温度评价结果。
[0102]
为确定温度评价指标范围与论域关系，参考相关资料，如jb/t8644
‑
1997 规定，轴承温升不得超过环境温度35℃，最高温度不得超过80℃。“水轮发电机设计与计算”手册中规定，推力轴承瓦温度限值规定为70℃，国产水轮发电机中推力轴承瓦温度新国标gb/t7894
‑
2001中限值为75℃。轴承情况见表6所示。
[0103]
表6轴承情况表
[0104]
轴承类别材料温度上限/℃推力轴承弹性金属材料55上导轴承巴氏合金70下导轴承巴氏合金70
[0105]
且根据泵站实际运行数据可知，推力轴承的正常温度范围为38
‑
43℃，上导轴承和下导轴承的温度都是30
‑
35℃，定子温度是80
‑
83℃，上油缸和下油缸温度正常是22
‑
28℃，本系统均选取正常范围值的下限值为良好的下限值。
[0106]
综上所述，确定温度评价指标范围与论域关系如表7所示。
[0107]
表7温度评价指标范围与论域关系表
[0108][0109][0110]
温度评价指标的权重计算如表8所示。
[0111]
表8温度评价指标的权重计算
[0112][0113]
(4)点检评价
[0114]
请参看图7与图8，点检评价流程为：获取立式离心泵数据和电动机数据，分别对数据进行立式混流泵评价和电动机评价，并得出各自评价结果，对结果采用模糊层次综合评价，最终得到点检评价结果。点检评价模型对泵站的主水泵和主电动机进行评价，该模型的第一层为主水泵和电动机两项评价指标，然后对主水泵与主电机进行评价，最后由模糊层次法得出评价结果。
[0115]
其中，主水泵评价流程为：根据主水粟点检的数据，分别对主水泵的液压调节机构、叶轮室、叶轮、叶片外壳问隙、间隙闸门、拦污栅、进出水流道、进人孔、橡胶轴承、检修阀、和其他项目进行评价，得出各模型评价结果，对结果再进行模糊层次综合评价，最终，得到主水泵评价结果。其每个评价指标的权重都相等，故对应评价指标的权重系数为：w
41
＝(1/11，1/11，1/11，1/11， 1/11，1/11，1/11，1/11，1/11，1/11，1/11)，每个评价指标的子评价指标权重也都相等，故权重系数为：w
411
＝(1/3,1/3,1/3)，w
412
＝l，w
413
＝(1/3,1/3,1/3)， w
414
＝(0.5，0.5)，w
415
＝(1/3,1/3,1/3)，w
416
＝(1/3,1/3,1/3)，w
417
＝1， w
418
＝1,w
419
＝(0.5,0.5)，w
4100
＝l，w
4111
＝(1/3,1/3,1/3)。
[0116]
对应的每部分点检结果全部用良好/合格/不合格/很差来评定，为量化计算，良好为90分，合格为70分，不合格为50分，很差为30分，评定范围与评定论域对应关系均一样。
[0117]
主电动机评价流程为：获取电动机所有评价指标的点检结果，根据结果分别对电动机的定子、上下油缸、冷却器、转子、空气间隙、滑环碳刷、测温系统、励磁装置、励磁变压器进行评价，并得出相应的评价结果，对各自评价结果再进行模糊层次综合评价，最终得到电动机的评价结果。其每个评价指标的权重都一样，故权重系数为；w
42
＝(1/9,1/9，1/9，1/9，1/9，1/9，1/9，1/9， 1/9)，w
421
＝(1/3，1/3，1/3)，每个评价指标的子评价指标的权重也都相等，故权重系数为：w
422
＝(0.5，0.5)，w
423
＝l，w
424
＝(0.5，0.5)，w
425
＝l， w
426
＝(0.2，0.2，0.2，0.2，0.2)，w
427
＝(0.5，0.5)，w
428
＝(0.5，0.5)， w
429
＝(0.5，0.5)。
[0118]
(5)运行评价
[0119]
请参看图9，运行评价流程为：分别获取主水泵和主电动机的累计运行时间数据和大修后运行时间数据，分别对数据进行评价，得出对应的评价结果，对各自的评价结果进行模糊层次综合评价，得出主水泵运行评价结果和主电机运行评价结果，再采用模糊层次综合评价，最终获得运行评价结果。其中，主水泵和主电机运行评价指标权重系数相等，故对应的权重为w5＝(0.5,0.5)，且主水泵和主电机运行评价的下一层评价指标的权重系数也相等，所以w51＝(0.5,0.5)，w52＝(0.5,0.5)。
[0120]
为确定运行评价范围与论域关系，参考相关资料，主机组检修周期如表9 所示。
[0121]
表9主机组检修周期
[0122][0123]
因此，根据表9，各评价指标与评价范围的对应关系如表10所示。
[0124]
表10运行评价指标评价范围与评价论域关系表
[0125][0126]
(6)运行效率评价
[0127]
请参看图10，运行效率评价流程为：获取当前运行效率数据，对当前运行效率进行评价，获得当前运行效率评价结果即为运行效率评价结果。
[0128]
根据相关资料，运行效率是根据流量计算得来，运行效率的评价范围与评价论域关系如表11所示。
[0129]
表11运行效率评价范围与评价论域关系表
[0130][0131]
(7)综合评价
[0132]
综合评价指标权重系数为振动评价(0.25)、电气评价(0.25)、温度评价 (0.2)、点检评价(0.15)、运行评价(0.075)、运行效率评价(0.075)。根据以上6项评价指标的实测值与评价结果表，再进行综合评价计算，得出各评价指标结果与综合评价结果表，如表12所示。
[0133]
表12各评价指标评价结果与综合评价结果表
[0134][0135]
其中，1
‑
4表示4个不同评价过程的评价结果。
[0136]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。