（水利水电工程专业论文）水电厂智能控制维护管理系统方法论和技术.pdf

摘要 智能控制一维护一管理集成系统( i c e s ) 将目前生产过程自动化中控制、维 护、技术管理三个相对孤立的领域集成为一个协调的系统。应用系统科学的基本原 理和有关企业集成的方法论，本文提出了面向生产过程的建模方法论和水电厂自动 化系统 c 加v l s 参考模型。从能量转换的角度看，水力发电过程的结构是不变的，因 此用面向过程方法建立起来的水电厂模型具有很高的稳度和重用性。本文提出的参 考模型抓住了水电厂的相似性和不变性特点，功能模块能够在i c e s 中自然、方便 地重新分布，并保证了系统成员之问的协调。 为了实现水电厂智能控制一维护一管理集成系统，本文提出了混合型智能自动 化系统( h s a s ) 。该系统既采用全分布式的系统结构体系，又能够将基于现场总线 的和传统的现场设备集成在一起。 在技术管理领域，水电机组的整体性能评估方法和实现系统目前是一个空白。 然而，设备的性能评估是i c e s 中不可缺少的部分。本文建立了关于水电机组性能 评估的概念、指标、准则和方法论体系。提出了水电机组经济性能评估的算法并开 发了相应的软件。该软件可以对水电机组的运行管理水平、维护状态等方面进行定 量评估。实际案例的研究表明了这种方法的有效性。 在维护领域，对状态监测给出了清晰的定义，对水电厂状态监测的相关技术进 行了全面的分析和总结，提出了i c i 删s 参考模型下水电厂状态监测系统的集成框架。 基于本文提出的水电机组的状态评估，提出了经济性能维护( e b m ) 的维护策略， 并用案例说明了该策略的实旖。 在控制领域，应用如理论中的干扰抑制方法( d a a ) ，提出了- - e e 设计水轮机 调速器的设计方法，并进行了仿真验证。 最后，探讨了自动化系统集成中的哲学思想。旧顾系统论、自动化学科发展历 史的基础上，总结了系统科学和和自动化系统的发展规律，提出了“以不变应万变” 的自动化系统建模与集成的思想。 关键词：系统集成，水力发电，水力发电机组，性能评估，经济性能维护，状 态监测，系统工程 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t b a s e d o nt h e p r i n c i p l e s o f s y s t e m t h o u g h t a n dr e l a t e d e n t e r p r i s ei n t e g r a t i o n m e t h o d o l o g i e s ， a p r o c e s s o r i e n t e d m e t h o d o l o g y a n d i c m m s ( i n t e l l i g e n t c o n t r 0 1 m a i n t e n a n c e t e c h n i c a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) r e f e r e n c em o d e lf o rh y d r o p o w e r p l a n t sa r ep r o p o s e d b e c a u s et h es t l l l c b l r e s o ft h eh y d r o p o w e rg e n e r a t i n gp r o c e s sa r e u n c h a n g i n gf r o mt h ep o i n to f v i e wo f e n e r g yc o n v e r s i o n ，t h em e t h o d o l o g ye m p l o y st h e p r o c e s s o r i e n t e da p p r o a c h e s t om o d e lt h eh y d r o p o w e r p l a n t s ，a n dt h em o d e l s c o n s 仃u c t e d t h r o u g ht h i sm e t h o d o l 0 9 3 a r e s t a b l ea n dr e u s a b l e t h ep r o p o s e dr e f e r e n c em o d e l g r a s p s t h es i m i l a r i t i e sa n d u n c h k n g e a b i l i t i e s o ft h e h y d r o p o w e rp l a n t s t h e r e f o r e ，t h e r e d i s t r i b u t i o no f t h ef u n c t i o nm o d u l e si n s i d et h es y s t e mc a l lb ed o n ei nan a t u r a la n d e a s ) w a ) w h i l et h es y n e r g i e sa m o n g t h ec o m p o n e n t so f t h es y s t e ma r eg u a r a n t e e d t oi m p l e m e n tt h ei c m m si nh y d r o p o w e rp l a n t s ，h s a s ( h y b r i ds m a r ta u t o m a t i o n s y s t e m ) i sp r o p o s e d i nw h i c ht h ec o n v e n t i o n a lc o n l x o l l e r sa n d f i e l d b u sb a s e d c o m p o n e n t sa r ei n t e g r a t e du n d e rf u l l ) , d i s t r i b u t e ds y s t e ma r c h i t e c t u r e i nt h et e c h n i c a l m a n a g e m e n td o m a i n ，t h ep e r f o r m a n c e e v a l u a t i o nm e t h o d sa n d i m p l e m e n t a t i o ns y s t e mi sal a c u n ai t e mt ot h eh g u sm y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n gu n i t s ) h o w e v e r , i ti si n d i s p e n s a b l ef o ri c m m s as y s t e mo fc o n c e p t s ，i n d e x e s ，c r i t e r i aa n d m e t h o d o l o g i e sf o rt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no nh g u si se s t a b l i s h e d a ne c o n o m i c p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na 1 9 6 r i t h ma n ds o f t w a r ef o rh g u si sp r e s e n t e d 、i t hw h i c ht h e e f f i c i e n c ys t a t e ，l e v e lo fo p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n d t h em a i n t e n a n c es t a t eo f a nh g u c & q b em e a s u r e dt h r o u g hq u a l i t a t i v ei n d e x e s ar e a lt e s tc a s es t u d yi l l u s t r a t e de f f e c t i v e n e s s o ft h em e t h o d b a s e do nt h i s m e t h o d ，an e wm a i n t e n a n c es t r a t e g y , e b mf e c o n o m i c p e r f o r m a n c eb a s e dm a i m e n a n c e ) i sp r o p o s e da n di l l u s t r a t e dt h r o u g hac a s es t u d y 1 nt h em a i n t e n a n c ed o m a i n ，t h ec o n c e p to fc o n d i t i o n m o n i t o r i n gi sc l e a r l yd e f i n e d a n d r e l a t e dt e c h n o l o g i e sf o rh y d r o p o w e r p l a n t sa r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d t h ec o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mi si n t e g r a t e di n t ot h ei c m v i su n d e rt h er e f e r e n c em o d e lp r o p o s e d a b o v e a sac o n t r i b u t i o nt ot h ec o n t r o ld o m a i n ，b a s e do nt h ed a a ( d i s t u r b a n c ea t t e n u a t i o n i i i a p p r o a c h ) o fh 。t h e o r y , a n e wm e t h o dt od e s i g nh y d r a u l i c t u r b i n e g o v e m o r s i s p r o p o s e d f i n a l l y , s o m ep h i l o s o p h i c a lt h o u g h t l e t s o ft h ea u t h o rf o rt h es y s t e mi n t e g r a t i o n a r e p r e s e n t e d k e y w o r d s ：s y s t e mi n t e g r a t i o n ，h y d r o p o w e r , h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n g u n i t ，p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n ，e c o n o m i cp e r f o r m a n c eb a s e dm a i n t e n a n c e ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g - s y s t e m e n g i n e e r i n g a u t o m a t i s a t i o n ，i n 9 6 n i e r i es y s t 6 m e ，i n t 6 9 r a t i o n ，i n t e l l i g e n c e ，e v a l u a t i o n d e p e r f o r m a n c e s ，c e n t r a l e s h y d r 0 6 l e c t r i q u e s b a s e do nt h es y s t e mt h o u g h ta n dg e r a m ，am e t h o d o l o g ya n di c m m s ( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 m a i n t e h a n c e t e c h n i c a i m a n a g e m e n ts y s t e m s ) r e f e f e n c em o d e if o rh y d r o p o w e rp l a n t sa r ep r o p o s e db e c a u s et h es t r u c t u r e so ft h e h y d r o p o w e rg e n e r a t t n gp r o c e s sa r eu n c h a n g i n g ，t h em e t h o d o l o g ye m p l o y st h ep r o c e s s o r i e n t e da p p r o a c h e st om o d e l t h eh y d r o p o w e rp l a n t s ，a n dt h em o d e l sc o n s t r u c t e dt h r o u g ht h i sm e t h o d o l o g ya r es t a b l ea n dr e u s a b l et h ep r o p o s e d r e f c r e n c em o d e ig r a s p st h es i m i l a r i t i e sa n du n c h a r t g e a h i l i t i e so f t h eh y d r o p o w a rp l a n t s ，t h e r e f o r et h er e d i s t r i b u t i n g o ft h ef u n c t i o nm o d u l e si a s i d et h es y s t e mc a nb ed o n ei nan a t u r a la n de a s yw a y w h i l et h es y n e r g i e sa m o n gt h e c o m p o n e n t so ft h es y s t e ma r eg u a r a n t e e dt oi m p l e m e n tt h el c m m si nh y d r o p o w a rp l a n t s h s a s ( h y b r i ds m a r t a u t o m a t i o ns y s t e m ) i sp r o p o s e di nw h i c hi n t e g r a t e st h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o l l e r sa n df i e l d b u sb a s e dc o m p o n e n t s u n d e rf u l l yd i s t r i b u t e ds y s t e ma r c h i t e c t u r e i nl h em a i n t e n a n c ed o m a i n ，t h ec o n c e p to fc o n d i t i o nm o n i t o r i n gi sc l e a r l yd e f i n e d a n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e sf u r h y d r o p o w a rp l a n t sa r es u m m a r t z e da n da n a l y z e d t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mj si n t e g r a t e di n t ot i l ei c m m s u n d e rt h er e f e r e n c em o d e lp r o p o s e da b o v e 1 nt h et e e h n i c e im a n a g e m e a td o m a i n ，t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm e t h o d sa n di m p l e m e n ts y s t e mi sai a c u n ai t e r nt o t h eh g u s ( h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n gu n i t s ) ，h o w e v e ri ti s i n d i s p e n s a b l ef o ri c m m s s o m ei m p o r t a n tc o n c e p t s i n d e x e s ，c r i t e r i o n sa n dm e t h o d o l o g i e sf o rt h ep e r f o m m n c ee v a l u a t i o no nh g u sa r ep r o p o s e da ne c o n o n d c p e r f o r m a n c e se v a l u a t i o ns y s t e mf o rh g u si sp r o p o s e d ，w i t hw h i c ht h ee f f i c i e n c ys t a t e t h e l e v e io fo p e r a t i o n m a f i a g e m e r i t ，a n dt h em a i n t e n a n c es t a t eo f h g uc b em e a s u r e dt h r o t l g l lq u a l i t a t i v ei n d e x e sar e a lt e s tc a s e i i l u s t r a t e de f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o db a s e do ut h i sm e t h o d ，an e wm n i n t e n a n c es t r a t e g y ，e b m ( e c o n o m i c p e r f o r m a n c eb a s e dm a i n t e n a n c e ) i sp r o p o s e da n di l l a s t r a t e dt h r o u g hac a s es t u d ya sac o n t r i b u t i o nt ot h ec o n t r o i d o m a i n ，an e wm e t h o d ，d a a ( d i s t u r b a n c ea t t e n a a t i o na p p r o a c h ) i sp r o p o s e dt od e s i g nl l y d r a u l i ct u r b i n e g o v e r n o l s f i n a l l y ，s o m ep h i l o s o p h i c a lt h o u g h t l e t so f t h ea u t h o rf o rt h es y s t e mi n t e g r a t i o na r ep r e s e n t e d a u t o m a t i o n ，s y s t e me n g i n e e r i n g ，i n t e g r a t i o n ，i n t e l l i g e n c e ，p e r f o r u z a n c ee v a l u a t i o n ，h y d r o e l e c t r i cs y s t e m s 一一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一 l c st r a y a u xd 憎s e n 憎sc o n t r i b u e n tau f ld ：se n j e u xm a j e u r sd ei e n t r e p r i s ee t e n d u e i i 6 ea ud o m a i n ed el ap r o d u c t i o n d 6 n e r g i ee l e c t r i q u e l o b j e c t i fe s td em a i n t e n i re nd y n 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a n ti ac o a n a i s s a n c e 鲥n 6 r i q u e ，d en i v e a ut e r r a i n ，a p p l i c a b l ea 1 a u t o m a t i s a t i o nd et o u t ec e m r a l e h y d r o l e c t r i q u e l ar a i s ee l lo m v r ed ec om o d 6 1 ed e 俺f 6 r e n c ec o n d u i tal ap r o p o s i t i o n 寸u n ea r c h i t e c t u r eh s a s f h y b r i ds m a r ta u t o m a t i o ns y s t e m ) q u ii n t 6 9 r ee l lu nt o u tc o h * r e n ts a ri e sp o i n t sd ev u ec o n t r 6 1 e ，m a i n t e n a n c ee t g e s t i o nt e c h n i q u e i e sd i f f 6 r o o t sc o m p o s a n t sd a u t o m a t i s a t i o nd i s t r i b u 6 s ，s u p p o r t 6 sp a rd e sa c t i o n n e a r s ，c a p t e u r s ， o oc o n t r f l e u r sc o n v e n t i o n n e l sd en i v e a nt e r r a i n p a rr a p p o r t 矗c e l l oa r c h i t e c t u r e 1 e sc o n c e p t si a n o v a n t sd e “s u r v e i l l a n c ec o n d i t i o n n e l l e ”p o u rl t i l o tm a i n t e n a n c ee td 。 ”a l l 6 n u a t i o nd ep e r t u r b a t i o n s ”p o u r1 1 i e ( c o n t r 6 1 es e n td 6 f i n i se t6 t u d i 6 sa f i nd e t r ei n t 6 9 r 6 so us y s t 6 m ei c m m s d ep l u s n o u sp r o p o s o n s 。p o u rl ag e s t i o nt e c h n i q u e ，d e sc o n c e p t s ，c r i t 6 r e s e to u t i l s p o u r 1 1 6 v a l u a t i o nd e p e r f o r m a n c e sd e sh g u s ( h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n gu n i t s ) c e t t ec o n t r i b u t i o n e s tb a s 6 es u ri ad e f i n i t i o nd u n s y s t 6 m ed 6 v a l u a t i o nd e sp e r f o r m a n c e s6 c o n o m i q u e s u t i l i s a n td e sd e s c r i p t e u r sq u a n t i t a t i f sm e s u r a n ti 6 t a td e f f i c a c i t 6 1 en i v e a ud eg e s t i o nd el e x p l o i t a t i o ne tl t 6 t a td em a i n t e n a n c ed ec e su n i t 6 s u n on o u v e l l es t r a t 6 9 i ee nl i e na v e ci s m a i n t e n a n c e i n t i t u l 6 ee b m ( e c o n o m i cp e r f o r m a n c eb u s e dm n i n t e n a n c e ) ，e s ta t h s if o r m a l i s 6 e u e n s e m b l ed eo o s p r o p o s i t i o n se s tv a l i d 6 es u rb o o6 t u d ed ec o s a u t o m a t i s a t i o n ，l n 9 6 n i e r i es y s t 6 m e ，i n t 6 9 r a t i o n ，i n t e l l i g e n c e ，e v a l u a t i o n d e p e r f u r m a n c e s ，c e n t r a l e s h y d r o 引e c 仃i q u c s b a s e do nt h es y s t e mt h o u g h ta n dg e r a m am e t h o d o l o g ya n di c m m s ( i n t e l l i g e n tc o n t r o l m a i n t e h a n c e t e c h n i c s i m a n a g e m e n ts y s t e m s ) r e f e f e n c em o d e if o rh y d r u p o w a rp l a n t s a r ep r o p o s e d b e c a o s et h es t r u c t u r e so ft h e h y d r o p o w e rg e n e r a t i n gp r o c e s sa r eu n c h a n g i n g ，t h em e t h o d o l o g ye m p l o y s t h ep r o c e s s - o r i e n t e da p p r o a c h e st om o d e l t h eh y d r o p o w e rp l a n t s ，a n dt h em o d e l sc o n s t r u c t e dt h r o u g ht h i sm e t h o d o l o g ya r es t a b l ea n dr e u s a b l et h ep r o p o s e d r e f e r o o c em o d e ig r a s p st h es i m i l a r i t i e sa n du n c h a n g e a b i l i t i e so f t h eh y d r o p o w e rp l a n t s t h e r e f o r et h er e d i s t r i b u t i n g o ft h ef a n c t i o nm o d u l e si n s i d et h es y s t e mc a nb ed o n ei nan a t u r a ia n de a s yw a y w h i l et h es y n e r g i e sa m o n gt i l e c o m p o n e n t so f t h es y s t e ma r eg u a r a n t e e d t oi m p l e m e n tt h el c m m si nh y d r o p o w e rp l a n t s ，h s a s ( h y b r i ds m a r t a u t o m a t i o ns y s t e m lj sp r o p o s e dl nw h i c hi n t e g r a t e st h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o l l e r sa n df i e l d b u sb a s e dc o m p o n e n t s u n d e r f u l l yd i s t r i b u t e ds y s t e ma r c h i t e c t u r e i ut h em a i n t e n a n c ed o m a i n ，t h ec o n c e p to fc o n d i t i o nm o n i t o r i n gi s c l e a r l yd e f i n e d 。a n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e sf o r h y d r o p o w e rp l a n t sa r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mi si n t e g r a t e di n t ot h el c m m s u n d e rt h er e f e r e n c em o d e lp r o p o s e da b o v e i nt h et e c h n i c a im a n n g e m e n td o m a i n ，t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm e t h o d sa n di m p l e m e n t s y s t e mi sai a c u n ai t e r nt o t h eh g u s ( h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n gu n i t s ) 。h o w e v e ri ti s i n d i s p e n s a b l ef o rl c m m s s o m ei m p o r t a n tc o n c e p t s i n d e x e s c r i t e r i o n sa n dm e t h o d o l o g i e sf u rt h ep o r f o r m a n c ee v a l u a t i o no nh g u sa r ep r o p o s e da ne c o n o n l i c p e r f o r m a n c e se v a l u a t i o ns y s t e mf o rh g u si sp r o p o s e d ，w i t hw h i c ht h ee f f i c i e n c ys t a t e t h el e v e lo fo p e r a t i o n m a 0 8 l g e m e n t ，a n dt h em a i n t e n a n c es t a t eo f a nh g uc a nb em e a s u r e dt h r o u g l lq u a l i t a t i v ei o d e x e s ar e a it e s tc a s e i i l u s t r a t e de f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d b a s e do ot h i sm e t h o d ，an e wm a i n t e n a n c es t r a t e g y 。e b m ( e c o n o m i c p e r f o r m a n c eb a s e dm a i n t e n a n c e ) i sp r o p o s e da n di l l u s t r a t e dt b x o n g hac a s es t u d ya sac o n t r i b u t i o nt ot h ec o n t r o l d o m a i n ，an e wm e t h o d ，d a a ( d i s t u r b o n c ea l l e n u a t i o na p p r o a c h ) 。i sp r o p o s e dt o d e s i g nh y d r a u l i ct u r b i n e g o v e r u o r s f i n a l l y ，s o m ep h i l o s o p h i c a lt h o u g h t l e t so f ( h ea u t h o rf o rt h es y s t e mi n t e g r a t i o na r ep r e s e n t e d a u t o m a t i o n ，s y s t e me n g i n e e r i n g ，i n t e g r a t i o n ，i n t e l l i g e n c e ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，h y d r o e l e c t r i cs y s t e m s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 君子佳非异也，善但与物也。一一苟子 g e n t l e m e na r en o tu n i q u e i nn a t u r ef r o mo t h e r s ；d e s p i t et h e ) a r eg o o da tu t i l i z i n gt h ep o w e ro fn a t u r e s x u n z i i th a sb e e na l l i m p o r t a n ti n d i c a t i o no fm a n k i n d sc i v i l i z a t i o np r o c e s st h a t u t i l i z e s a n ) r t y p e so fp o w e rt oh e l po rt o t a l l yr e p l a c et h eh u m a n l a b o u rs i n c et h eb e g i n n i n go ft h e h u m a nh i s t o r yw a t e rr e s o u r c e sa r es oi m p o r t a n tt oh u m a nb e i n g st h a tt h e ) a r ee s s e n t i a l l i v i n ac o n d i t i o n sf o rs u r v i v a l s om o s t o ft h ea n c i e n tc i v i l i z a t i o ns i t e su 7 e r el o c a t e da l o n g t h er i v e r s h y d r o p o w e ri so n eo ft h eo l d e s tf o r m so fn a t u r a le n e r g yt h a to u ra n c e s t o r s h a r n e s s e d ，a n du s i n gw a t e r p o w e r t og e n e r a t ee l e c t r i c i t yr e p r e s e n t sm o r et h a no n e c e n t u r 3 o f t e c h n o l o g y , w h i c hi sa l m o s t a so l da st h ei n v e n t i o no ft h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i n g h o w e v e r , h o b t om a k et h eh y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n gp r o c e s ss a f e r , m o r er e l i a b l ea n d m o r ee f f i c i e mi ss t i l la na c t i v er e s e a r c hf i e l d i nw h i c ht h e r ea r es t i l l s p a c e s f o r i m p r o v e m e n t t h ea u t o m a t i o ns y s t e mf o rh y d r o p o w e rp l a n ti s t h en e u r a lc e n t r eo ft h e p l a n ta n dt h em o s tr a p i d l yd e v e l o p i n gf i e l di nt h eh y d r o e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g t h i st h e s i s a i m st oc o n t r i b u t eal i t t l et ot 1 1 i se n d 1 1d e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i o ns y s t e m sf o r h y d r o p o w e rp l a n t s h y d r o p o w e r h a st h ef o l l o w i n