设备管理系统的建模论文

设备管理系统的建模论文（通用12篇）

设备管理系统的建模论文 篇1

摘要：中国石油炼油与化工分公司于2006开发建设了适用于25家地区炼化企业设备管理的信息化系统——设备综合管理平台, 共计16个功能模块, 动设备管理模块是其中之一。由于建设初期功能设计以账表单为主, 无法满足各级设备管理人员对设备管理信息化的需求, 因此对动设备模块进行了专业深化升级。升级工作以UML建模的方式进行, 实现系统功能覆盖、流程优化、专业深化的目标。

关键词：UML,信息系统,设备管理,炼化企业

动设备是炼化企业生产的动力基础, 是企业安全生产、效益产生的源动力, 做好动设备管理工作是企业提高竞争力的重要保障。动设备管理类别众多、关键设备影响范围大, 业务范围涵盖设备全过程管理, 动设备管理工作的标准化、精细化、专业化要求日趋提升。

1 设备综合管理平台动设备业务深化建模

“十二五”期间, 为了实现中国石油信息化工作“业务主导、统筹推进”工作要求, 推进设备制度化、标准化、专业化和精细化管理;消患治本, 强化动设备本质安全, 确保炼化装置长周期安全稳定运行, 开展动设备专业深化工作。

本次动设备业务深化建模的流程如图1所示:

2 动设备业务深化模型分析

统一建模语言UML (Unified Modeling Language, UML) 是一种绘制软件蓝图的标准语言, 可以对软件密集型系统的制品进行可视化、详述、构造和文档化。UML灵活、表达能力强, 非常实用。它对建模的作用, 正如程序设计语言对编码的作用一样。UML只是一套用以建模的符号体系, 而不是方法, 也不是软件过程。但它可以在各种建模方法、各种软件过程中使用。

3 组织视图模型

人力资源是企业最重要的组成元素, 人利用动设备模块管理系统完成计划、管理和控制等功能。人力资源建模和管理对企业的行为和生存发展具有极其重要的作用。组织视图模型主要描述企业的组织结构和职责。与其它视图 (如功能视图和信息视图) 是紧密关联的。组织结构规范人员的行为方式与活动空间, 反映组织系统中人员之间的相互作用和影响。

为了研究组织系统的行为复杂性, 组织模型需要抽象地描述企业组织要素、关联性、与环境的关系。本文采用的是组织结构框图模型。组织结构框图模型采用树状结构描述各个组织机构的设置、从属关系和人员角色等。根据需要, 组织结构框图模型的描述程度可以不断细化, 直到底层的组织机构和具体的员工。

图2所示的组织结构框图模型描述了典型石化企业与动设备管理工作有关的组织结构和角色。

4 静态模型的建立

动设备业务深化需求分析的主要工作是获得系统需求.而用例图和类图主要用于描述系统的需求。用例图和类图可以用规范化的方式来描述系统的功能, 帮助我们更好地了解系统需求, 是系统功能分析的重要工具。下面分别进行建模。

1) 建立用例模型

通过建立用例图模型, 管理、技术、开发人员和用户能够发现现行系统的不足, 规划新的系统目标。用例图模型是信息视图模型等其他模型设计的基础和起点。根据建模的目的, 功能模型描述的详细程度是变化的。因此, 用例图模型通常包括一组逐渐细化的层次模型。

一般在进行系统顶层设计时, 可以采用树状结构逐渐分解功能。这种树状功能结构模型 (又称为功能树) 从总体上描述系统的功能布局。系统功能树模型的优点是直观和概括, 清晰地表现了系统的构成。功能树模型的缺点是信息含量小, 不能表达功能模块之间复杂的交互关系。它也不能表达功能执行的条件和产生的结果。因此, 功能树模型往往用于系统总体设计的初始阶段。支持宏观分析与决策。随着分析与设计工作的深入, 功能树模型需要转化成其他形式的功能模型。

在面向对象的设计方法UML框架中, 系统设计人员可以建立用例框图表示角色通过信息系统所能完成的操作功能。

图3采用UML用例框图描述了典型石化企业动设备专业管理的主要业务功能。从图中可以看出, 车间设备员、分厂机动科员、机动处专工、状态检测人员是用例框图中的角色, 他们启动各用例的执行。车间设备员进行日常巡检, 发现故障及缺陷, 完成机泵切换、润换油加换、代用油品变更等工作;分厂机动科员和机动处专工对代用油品的变更进行审核;状态检测技术人员负责机组或泵群的状态检测, 结合RCM的方法给出检修专家建议;检维修人员负责设备的检修。

2) 建立类模型

用例图是以客户语言的方式来描述并表达系统的外部视图, 是从客户的角度来描述系统要为不同角色提供的功能和支持。在此基础上, 类图可从系统内部和系统实施的角度来描述整个系统。类图设计的过程就是职责分配的过程, 而派生和委托是两种分配职责的基本方法。职责分配的基本原则是单一功能原则, 一个类的设计围绕一个主要职责展开。通过建立各实体间的继承关系和聚集关系, 可以绘制出招生模块的类模型, 如图4所示。

5 动态模型的建立

静态模型定义了系统的结构和组成, 然而实际的系统都是活动的, 要通过系统元素的相互作用来实现, 动态模型就是用来解决这个问题的。UML中描述系统动态行为的顺序图、状态图、协作图和活动图都可以进行动态建模。但这4种图各有优缺点, 侧重点也不完全一样。顺序图突出对象间交互的顺序, 而协作图的布局方法能更清楚地表示出对象之问静态的连接关系。在协作图中, 对象是可以随意排列的, 因此, 纵使有编号也相当凌乱, 但顺序图就不一样, 所有对象都在顶端, 对象的安排顺序多少与信息传递的顺序有关。如果想显示跨越多用例或多线程的复杂行为, 可以考虑用活动图。所以在实际运用中, 要根据具体情况而选择用不同的图。如果对系统中的每个类都画出4种图的话, 也许这样做很完美, 但太浪费人力和物力。设计者可以选择一种能够更好地帮助理解类的动态模型图。一般而言, 在对一个复杂软件系统进行动态建模时, 应根据用例图和类图, 首先建立序列图, 然后从每一个用例的角色出发, 找到与其交互的对象及其之间的消息传递;其次再建立活动图, 描述程序运行过程中各项操作的实现流程。如图5所示的活动图就是庞大的动设备专业管理模块中的UML动态模型图之一。此图描述的动设备油品变更的活动图, 从图中可以看出油品变更的总流程, 用泳道分割成生产车间、分厂机动科和公司机动处三道。生产车间通过现场巡检建立缺陷隐患记录, 通过对油质分析形成油品变更的申请, 经过分厂机动科和公司机动处的审核, 最终形成变更后的润滑五定手册。用活动图把流程绘制出来, 使业务流程清晰明了, 方便开发人员之间的沟通。

6 动设备专业功能模块的开发

动设备专业功能模块的开发通过系统分析阶段建立好的动设备管理模块的UML模型后, 即可着手系统的开发工作了。可在Windows操作系统下采用J2EE、EJB等基于Java的跨平台技术进行开发、选用Oracle作为主要的底层数据库。

7 结论

本文采用统一建模语言UML结合面向对象技术对炼化设备管理系统 (2.0版) 动设备专业管理模块进行建模。动设备专业管理是设备管理的重要组成部分, 是炼化企业现场管理工作的核心。动设备专业管理模块的建立, 及实现动设备管理信息化、网络化, 有助于提高动设备现场管理的质量与管理水平。用UML对动设备专业管理模块进行软件建模分析, 有助于把系统需求和业务流程用可视化图形简单明了的表示出来, 使软件开发更加灵活、严谨, 也加强了系统开发人员之间的理解和交流。

参考文献

[1]刘志成.UML建模实例教程[M].电子工业出版社, 2011.

[2]谭云杰.大象—Thinking in UML[M] (第二版) .水利水电出版社, 2012.

[3]车皓阳.UML面向对象建模与设计[M] (第2版) .人民邮电出版社, 2011.

设备管理系统的建模论文 篇2

Hexapod型隔振系统的建模与仿真

以Hexapod压电智能主动隔振平台系统在航天器高精度隔振和定位中的应用为基础,建立了Hexapod型隔振平台的虚拟样机.用MATLAB设计了控制系统,并介绍了控制系统的控制算法.通过MATLAB与ADAMS的结合,对Hexapod压电智能隔振和定位系统进行了仿真,得到了该隔振平台在低频(2-50 Hz)时的.隔振仿真结果,结果表明了该系统在航天器低频隔振上的有效性.

作 者：盛慧 董猛 文立华 SHENG Hui DONG Meng WEN Li-hua 作者单位：刊 名：科学技术与工程 ISTIC英文刊名：SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING年，卷(期)：7(13)分类号：V465.1关键词：六足系统 隔振 仿真

设备管理系统的建模论文 篇3

现代汽车发动机制造业对装备生产线自动化水平和无故障运行有很高的要求，柔性运输线是其最重要的组成部分。滚道升降设备是连接柔性运输线中不同输送高度滚道的关键设备，通用性强，适合模块化设计，以减少产品开发时间，便于产品升级，提高设计制造效率等。另根据公司研究表明，重量轻而结构合理的产品将赢得竞争优势，那么最大限度地减少重量将成为设计者追求的目标。

本文针对滚道升降设备结合 SolidWorks软件的参数化建模手段和强大的 Simulation功能模块实践了完整的 CAD/CAE设计解决方案，内容覆盖“设备组成原理—参数化建模—虚拟机干涉检查—减重优化”，贯穿整个设计过程。该一体化设计解决方案可为企业开发其他新产品提供技术保障。

一、滚道升降设备参数化建模

1.滚道升降设备组成和工作原理

滚道升降设备主要由 13个关键部分组成（图 1），分别为底座 1、立柱 2、导轨 3、滑台 4、配重 5、驱动装置 6、驱动链轮组 7、驱动链条组 8、固定端9、配重链条组 10、配重导轮组 11、驱动导向链轮组 12和上下缓冲器组 13。滑台 4上安装的滚道组不属于设备的组成部分，为设备的升降负载，负载能力小于 100kg，滚道内宽 350mm。滚道升降设备滑台 4上下移动是利用动滑轮原理，驱动装置 6伸出和退回带动驱动链轮组 7上下移动，环绕在驱动链轮组 7上的驱动链条组 8一端通过固定端 9连接在立柱 2顶部，另一端绕过驱动导向链轮组 12带动滑台 4随之在导轨 3上反向滑动，移动极限位置由上下缓冲器组 13限制。配重 5上下移动是利用定滑轮原理，通过配重链条组 10绕过配重导轮组 11随之上下移动。配重 5起到抵消惯性运动、平衡滑台 4的作用。

在发动机柔性运输线中，不同高度的滚道间连接仅对滚动升降设备的最低输送高度有着不同的需求，其他部分均可通用。基于此条件本设备仅设置一个参数变量最低输送高度 H，设计者可通过修改 H值来获取任意最低输送高度的模块化滚道升降设备。图 1虚线框内所有零件随最低输送高度 H改变均整体上移。本设备最低输送高度600mm，适用于升降行程在 200mm～ 300mm以内的滚道升降。

2. SolidWorks参数化建模

SolidWorks是一款功能强大的机械设计软件，通过零件模型尺寸参数的改变，其工程图、隶属的设备模型及设备工程图都随之同步改变。分析滚道升降设备最低输送高度 H值变化的要求，通过改变立柱 2的高度尺寸参数值即可实现，其尺寸关系为立柱 2高度 L=最低输送高度 H+350，其他与 H变化无关的特征尺寸在建模时注意选择合适的与 H无关的参考基准进行标注。如图 2所示。

设备其他零件均按装配约束关系正确的安装在立柱 2上，如图3所示。设备模型完成装配后，通过干涉检查命令，检查零件间是否有装配干涉现象或运动零件是否有碰撞或互相干扰等，以消除设备制造前虚拟样机上的设计错误 ，如图 4所示。

二、 SolidWorks二次开发改变特定参数

1.程序运行过程

SolidWorks软件具有灵活的开发兼容能力，如VBA、Visual C++和 VB等编程语言都可以对其进行二次开发。本文的二次开发是以 VBA编程语言进行，该程序功能可实现任意设备的特定参数值获取和修改，这对于企业其他核心功能部件的参数化提供了方便的设计途径。程序运行前界面如图5所示，提供可提取参数的总数量为4个，参数个数可根据需要调整。

程序运行前，滚道升降设备虚拟样机需要在 SolidWorks中打开。执行程序后，程序获取具有“参数”二字名称的特征，如“参数上料高度 H+ 350”，且根据模型中设置的特定参数名称的数量自动过滤掉无用输入框，仅保留具有特定参数名称的输入框。设计者在输入框内输入所需的最低输送高度值，点击确定，样机模型发生变化，结果如图 6所示，滚道升级设备由输送高度 600mm变为850mm。

2.程序关键代码

在此仅给出程序关键代码，程序书写格式未按程序正常缩进样式给出。

三、SolidWorks Simulation优化分析

1.立柱 2优化前准备

通过对滚道升降设备中关键件立柱 2进行 Simulation静力学分析，可优化其结构，减轻其设计重量。焊接件立柱 2材料为 Q235-A，主要材料属性如下：密度 7860kg/m3，弹性模量 212GPa，泊松比 0.288，屈服强度235MPa。采用自由网络划分方式，底面固定约束。加载面为顶端接触面，载荷大小 400kgf。立柱 2设计要求：von Mises应力的大小 <50MPa；最大位移 <0.02mm；第一阶固有频率>150Hz。进行 simulation优化分析操作步骤前，须对立柱 2的初始结构做静态分析和频率分析，分析结果都将被优化分析采用。分析前需要简化模型上的孔和细节设计。执行静态分析时，网格密度调整到良好状态，解算器默认选择 FFEPlus；执行频率分析时，为使分析中包含载荷效应，解算器选择 Direct Sparse。分析结果如图 7所示，最大 von Mises应力为2.3MPa，最大位移0.005mm，第一阶固有频率 199Hz，所有的设计约束都满足。

2.立柱2优化分析

优化分析由三个设计参数组成，变量、约束和目标。设计变量主要关注焊接板材的厚度 （需选择公司标准规格板材，主要有 20mm和 25mm两种规格 ）和底板开口窗的长 ×宽尺寸；约束主要涉及应力约束、位移约束和频率约束；优化目标主要是保证约束的条件下，立柱 2装配体的质量最小化。考虑到优化计算量的大小，须尽量减少变量种类和设置合理步长，优化分析属性设置如图 8所示。

3.立柱优化结果

优化分析完成后，SolidWorks中模型几何尺寸已经发生了变化。基于这个原因，优化分析模型不建议用原有模型文件。切换到结果视图中，可以看到，优化第49种情形被推荐，优化后的立柱 2所有焊接板材厚度由 25mm优化为 20mm，底端开口窗尺寸由 150mm×100mm优化为 200mm×150mm，设计质量从 280.32kg下降到 222.94kg，节省材料约 20.5%。优化后 von Mises应力为 3MPa；最大位移 0.006mm；第一阶固有频率为182.85Hz。优化结果完全满足设计要求 ，如图 9和图 10所示。

四、结语

（1）通过模块化建模理念和二次开发方式改变设备参数值的设计手段，能够快速、高品质的满足市场对企业产品的需求。

（2）通过 SolidWorks虚拟样机检查，帮助设计者在设计过程的早期预防设计错误，从而最大限度节省新产品开发费用。

设备管理系统的建模论文 篇4

随着计算机科学的进步,现代化的工程技术系统正朝着大规模、复杂化的方向发展。这类系统一旦发生事故,就可能造成人员和财产的巨大损失。因此,切实保障现代化复杂系统的可靠性与安全性,具有十分重要的意义。

大型火电厂主要设备包括锅炉、汽轮机和发电机等,其作用是完成从热能到机械能再到电能的转换过程。设备与设备之间的耦合性、系统的复杂性等都决定了火电厂是一个高故障率和故障危害性很大的生产场所,这些故障都将造成重大的经济损失和社会后果。因此,通过故障诊断的技术手段,对设备状态参数进行监测和分析,来判断设备是否存在异常、故障的部位和原因、故障的劣化趋势,以确定合理检修时机很有必要[1]。

随着对机组安全性要求的进一步提高,人们不仅希望能够在出现故障时提供故障的检测与隔离,还要求能在机组设备发生故障前就能预先知道,也就是能够进行故障预警。这样,就能够有足够的时间采取措施以防止故障的发生,避免不必要的损失。故障预警技术使维修从被动反应到主动预防,再到事先预测和规划管理,在一定程度上代表了设备故障诊断方法和维修体系的发展方向[2]。

文献[3]采用了神经网络方法实现电厂送风机设备的故障监测,文献[4]中Lewin提出了基于主元分析的预测维修方法,文献[5]利用灰色理论进行趋势预测以实现故障预警。目前已有的故障预警方法都是以趋势预测为主线,即根据设备的预测信息模型,预测设备的未来时刻趋势,进而利用故障检测与诊断方法对过程预测值进行分析,确定将来是否存在故障。这种技术方法已经取得了一定成果,但就预测方法本身而言存在一定的局限性,例如神经网络,它的不确定因素较多,且极易陷入局部极小值状态等缺点,造成预测信息模型的精度不高、出现故障误报的现象。

本研究提出的基于相似性建模的发电机组设备故障预警技术的基本思想是:实时监测设备的运行状态,并利用相似性建模技术产生设备实测值的估计值,通过比较设备实测值与估计值之间的残差大小,并根据相似性原理,作出设备状态是否正常的决策,以实现在设备发生故障之前发出预警信息,采取相应的措施[6]。该系统是以相似性原理为核心,以正常运行状态下的历史数据为建模基础,通过对海量的数据进行处理,在计算机的控制下完成、信号转换、数据采集、谱图处理、定量计算、故障诊断各个步骤,对设备的多种故障特征进行定量分析,再通过专家故障诊断系统给出设备内部故障的早期结论性报告,从而构建状态检修的基础。

1 状态估计与监测

预警系统的状态估计过程是在相似性理论建模技术下完成的。

1.1 相似性理论

设有向量和向量,当其相似性函数sim(X,Y)<ε时(ε为给定的相似性阈值),称向量X,Y在以ε为界的情况下相似,记为X≈Y。相似性函数sim(X,Y)满足正定性、对称性和三角不等式。

(1)正定性,sim(x,y)≥0,当且仅当X=Y时,sim(x,y)=0;

(2)对称性,sim(x,y)=sim(x,y);

(3)满足三角不等式,sim(a,c)≤sim(ab)+sim(b,c)。

当取相似性函数sim(X，Y)为X、Y之间的欧氏距离d(X，Y)时,即sim(X，Y)=d(X，Y),当d(X，Y)<ε时,称向量Y在欧氏距离下以ε为界相似。

两个向量的欧氏距离反映了它们之间的差异程度,数值越大,差异度大,但是向量的欧氏距离受原序列具体数据量纲单位的影响,其数值会超过1,在多种情况的研究中就很难准确比较向量之间的相似和接近程度。因此,与相异度相对应,本研究需要用相似度(similarity)来对两个对象相似程度进行数值度量。在这里需要指出的是,相似度是描述模式与模式之间、样本与样本之间、或者某一个样本或同一模式中的样本的相似性的一种尺度,通常用它来度量差异性。两个对象越相似,它们的相似度就越高。相似度最好是非负的,并常常在0(不相似)和1(完全相似)之间取值。本研究通过该方法找出当前状态与模型状态中的最近距离来完成设备测点的状态估计。

对于任意两个向量X={x1，x2，…xn}和向量Y={y1，y2，…yn},sim(XY)为X与Y之间的相似性函数,给定阈值ε>0,如果X≈Y,定义s(X，Y)=1-sim(X，Y)/ε,即s(X，Y)为序列X与Y的相似度。

1.2 建模过程

由于相似理论是以海量历史数据为依托,且训练样本数据决定了估计模型的准确度,建模所使用的历史数据的选取极其重要。本研究从一组历史数据中生成过程对象,用来生成设备模型的历史数据应该满足以下要求[7]:

(1)涵盖了一段足够长的运行时间;

(2)每组数据都表达了设备对象的一个正常状态;

(3)满足每一组采样值中各个变量的同时性,必须是同一时刻的采样值。

模型生成的功能就是从这些状态集合中抽取出最能代表过程对象特性的状态点,然后用这些状态点构建设备过程对象的模型。例如对大唐云冈电厂建立设备预警系统模型时所挑选的数据包含了一年四季的工况,且每个设备的相关测点的数据都在其正常运行的范围内,从而更全面、更正确地覆盖设备运行工况。

本研究选好的设备模型数据构成了该设备的历史状态空间,即设备状态的初级模型。该系统接收到现场设备采集的实时数据时,首先判断设备当前数据测点在历史状态空间中的位置,得到当前状态和模型状态之间的距离,从而进一步确定当前设备状态的相似度,通过利用相似度和模型内部各个参照点的坐标,就可以生成对这个运行状态的估计值。该系统针对设备每个测点的估计值不仅仅取决于该测点长期的历史运行规律,同时也取决于该测点和其他测点之间的关联相似度,屏蔽了干扰信号对估计值的影响,大大增强了估计值的精确度和可靠性。当设备工作状态发生变化出现故障隐患时,由于动态特性的改变,输入观测向量将偏离正常工作空间,通过历史状态空间无法构造其对应的精确预测值,导致预测精度下降,残差增大,相似度百分比降低。

其中,本研究中所论述的故障预警系统的模型建立和实现是在北京中瑞泰科技有限公司研发的故障预警商业软件上完成的。山西某电厂利用相似性建模方法生成的引风机模型y向振动测点的实测值与估计值(残差)曲线图如图1、图2所示。

1.3 监测

基于相似建模的故障预警系统为用户提供了设备相似度曲线图,用户可通过此图来实现设备的在线状态监测,直观地判断设备状态是否正常。相似度曲线的绘制方法如1.1节所述。

如在某一时刻,某一设备模型所用测点的实测值X={x1，x2，…xn}与估计值Y={y1,y2,…yn},利用公式求出相似度:

引风机模型的相似度曲线图如图3所示。在相似度曲线图中有一根绿色的虚线(软件实际运行界面中有颜色显示),是该设备的相似度监测线,是通过模型历史数据反算的设备相似度安全线。当本研究用正常运行数据模型对设备正常状态的数据状态进行计算,会得到正常状态的相似度值,取正常状态的相似度值中的最小值就形成了相似度监测线。相似度曲线是设备运行状况的表征,当相似度曲线在相似度曲线监测线的上方时,颜色是蓝色的,说明设备当前状态时良好的,不存在预警;如果相似度曲线在相似度监测线上方但是变成了棕色,表明设备在这个时间有越限点,但是设备并没有产生预警;当相似度曲线越过相似度监测线变成了黄色,表明设备产生预警,可能存在越限点,也可能没有越限点,需要进行关联查看。

当本研究将鼠标置于相似度曲线之上,出现了小球,表明捕捉到了相似度点,此时就会出现一个悬浮的透明对话框,在对话框中描述设备故障的关联测点,这个信息为诊断人员最终确定故障点和分析故障原因提供参考。

2 应用案例分析

山西某电厂对其1#机组的汽轮机、引风机、送风机、发电机、磨煤机等17个设备应用了故障预警系统,建模过程分为设备测点收集、设备正常历史数据挑选、模型建立和设备模型调试4个阶段。该案例中收集的系统设备测点信息以及建模的历史数据来源于该电厂的厂级监测系统,模型建立和设备模型调试都是在相似性建模软件平台上实现的。该系统为用户提供了设备状态监测图—相似度曲线图、故障规则查询界面等,实现了在提供设备参数异常的预警的同时,如果参数异常符合某些典型的故障模式,系统也可以实时、自动地根据设备参数异常情况初步判断一部分典型故障,并将结果实时显示出来,为诊断人员最终确定故障点和分析故障原因提供参考。

从9月15号起该电厂引风机Y向振动值持续偏高。PI监控画面显示如图4所示。画面中蓝色线(图中为深色)为1#引风机y方向振动值;绿线(图中为浅色)为1#引风机x方向振动值。

从电厂PI系统可以看出:从9月15号1#引风机y方向振动值增大。但并没有达到预警状态,但是引风机设备模型的相似度曲线变化较为剧烈。9月23号凌晨1点左右预警系统产生预警如图5所示。当本研究用鼠标圆点捕捉故障关联测点时,弹出1#引风机入口压力、1#引风机Y向振动和1#引风机入口挡板位置反馈3个测点。

由于电厂人员对于新系统不是很熟悉,并未注意到这一预警信息。9月27号1#引风机x方向振动也增大,由于x、y方向的振动值都有很大的增加,导致引风机不能正工作。电厂工作人员于10月2号开始停机检查。检查结果:风机本身就存在轻微的不对中,加上风机叶片积灰导致叶轮质量不平衡的现象更加严重,从而产生较强的振动。如电厂工作人员能及时发现这一信息,就可早点做出诊断决策,减少经济开支。

3 结束语

基于相似性建模的设备故障预警系统通过全面分析设备信息、辨识设备性能异常状况,为设备问题提供早期和可控的预警,并通过浏览器这种直观的方式将各种故障情况发布出来,同时浏览器也将出现问题的设备关联测点显示出来。相似性建模技术比起传统的预警方法,具有容易实施并且可以快速实施,能够有效地对线性、非线性和离散数据进行建模,故在多变量的高维度问题中表现稳健等优点。最后,本研究通过山西某电厂预警实例说明了该系统在电厂中的应用情况,同时表明该系统的预警结果可为设备维修及其管理人员在线监控设备运行状态、正确制定设备维修计划、确保设备安全运行提供科学依据[8]。

参考文献

[1]王志新.火电厂监控信息系统SIS及应用[M].北京:中国电力出版社,2009.

[2]BRIDGMAN M S.Relating failure prognostics to system benefits[J].Aerospace Conference Proceedings,2002(7):3521-3526.

[3]王静茹.基于神经网络的火电厂送风机状态检修系统研究[D].北京:北京交通大学机械与电子控制工程学院,2007.

[4]LEWIN D R.Predictive maintenance using PCA[J].Con trol Engineering Practice,1995,3(3):415-421.

[5]郭翔,孙万云.基于灰色理论的电厂设备状态趋势预测研究[J].仪器仪表用户,2006(5):6.

[6]CHANG Shu-ping,WU Rui-tao.The Application of Fail ure Prognostic System in State Monitoring of Power Plant Generation Equipments[C].GEESD,2011International Conference,Jilin:[s.n.],2011.

[7]常澍平,郭江龙,吕玉坤,等.非线性状态估计建模方法在故障预警系统中的应用[J].软件,2011,32(7):57-60.

设备管理系统的建模论文 篇5

基于系统动力学的通信装备战时保障系统建模初探

介绍了通信装备战时技术保障系统的运作体系和保障体制的.设计.通过运用系统动力学的思想,利用DYNAMO来建立并分析模型,直观简洁,而且可以通过调整参数来分析系统行为的变化,从而可以对决策提供帮助.

作 者：黄小军 王宣刚 HUANG Xiao-jun WANG Xuan-gang  作者单位：空军工程大学电讯工程学院,西安,710077 刊 名：电光与控制  ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL 年，卷(期)： 13(5) 分类号：V24 关键词：通信装备   战时保障系统   系统动力学   DYNAMO  

设备管理系统的建模论文 篇6

关键词：库存管理系统；UML；Rose

中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2007)15-30617-02

Based on the Rational Rose Realize Stock Management System Modeling Design

WU Li-Hua

(Guizhou University, Electronic science and information technology institute, Guiyang 550003，China)

Abstract:After introduced UML and the Rose characteristic, this article take the stock management system as an example, through the use case chart which realizethe demand of user, the succession chart and the interactive chart which expresses the system of object and a kind of between interactive, the realization chart describe system kind of and in kind of between connection, increase system kind of attribute and operation as well as with Rose produce class code, thus establishes one kind of general stock management system model.

Key words:stock management system; UML; Rose

1 引言

利用对象的思想为软件系统建模 ,已经成为软件开发的主要方法。UML是面向对象技术领域内占主导地位的标准建模语言。在面向对象的软件开发中,如果软件由近百个或更多对象构成 ,单凭简单的分析是很难理清的;并且为了利于大中型软件的维护和再使用 ,在具体写代码之前进行软件结构分析是很有必要的。这就需要有一个CASE(Computer Aided Software Engineering)工具来辅助分析。Rational公司发布的Rational Rose是UML建模语言实现最好的CASE工具之一。本文用一个实例说明结合UML和Rational Rose对系统的需求分析、设计有很大的帮助。

2 UML及Rational Rose的介绍

UML是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的标准的建模语言。它溶入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。它的作用域不限于支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过程。Rational Rose是美国Rationa1公司开发的产品之一，是一个面向对象的建模工具，既支持正向建模，也支持逆向建模。而Rose是实现这一目标的基本工具。Rose工具通过建立模型使开发人员能够把握程序开发的方向，准确完成需求规定的任务。Rose可视化工具可以与多种开发环境无缝集成，目前所支持的开发语言有VB (Visual Basic)，Java，PowerBuilder，C++，Ada，Smalltalk Fort等。

Rose的主要内容可以由下列五类图(共9种图形)来定义：

第一类是用例图，从用户角度描述系统功能，并指出各功能的操作者。

第二类是静态图 (Static diagram)，包括类图、对象图和包图。

第三类是行为图（Behavior diagram），描述系统的动态模型和组成对象间的交互关系。其中状态图描述类的对象所有可能的状态以及事件发生时状态的转移条件。通常，状态图是对类图的补充。

第四类是交互图（Interactive diagram），描述对象间的交互关系。其中有顺序图和合作图，这两种图合称为交互图。

第五类是实现图 ( Implementation diagram )。其中构件图描述代码部件的物理结构及各部件之间的依赖关系。

Rose的作用就是通过以上五类图，进行系统的全过程开发， 包括从需求规格描述到系统完成后测试的不同阶段。

3 库存管理系统的建模设计

3.1用例图分析与设计

在库存管理系统中涉及到的角色由系统管理员、普通用户和商品组成，对普通用户涉及有入库、出库、统计和查询需求等操作;系统管理员除以上操作外，还有用户权限管理、初始化系统、系统备份、系统还原、倒帐等操作。管理员参与的用例图如图1所示：

图1 管理员参与的主要用例图

3.2 静态图

3.2.1包图

根据系统的不同功能，将系统划为五个包：主要业务信息包，交互界面包，基本信息包，需要从库存管理系统获取信息的包，及其他系统向库存管理系统提供的信息包，其中主要业务信息包最为重要，类模型的包图如图2所示：

图2 类模型的包图

3.2.2 类图

主要业务包中有六个类：入库单，出库单，入库项，出库项，帐目，盘点类，其类图如图3所示：

图3 主要业务包中的类图

3.3活动图

活动图是描述满足用例要求所要进行的活动以及活动间的约束关系，有利于识别并行活动，以以下两个用例的活动图为例。

商品出库用例的活动包括：查询商品编号，如果有此商品编号，则进入查询是否此商品有库存状态，若没有则提示没有此商品并结束活动；查询此商品是否有库存，如果有则出库进行打印并结束活动，若没有库存则提示此商品没有库存，结束活动。商品出库用例的活动图如图4所示：

图4 商品出库用例的活动图

3.4 交互分析与设计

在商品入库的过程中，首先进入入库单界面，填写入库单并正确转入，如填写有错则返回入库单，检查库房库存量，如低于最高库存则入库，更新帐目并返回入库窗体，否则直接返回入库窗体。在整个过程中，其交互图如图5所示。

3.5 实现图分析与设计

在库存管理系统中我们定义一个通用角色类作为基类，用户和商品继承通用角色基类的属性，管理员、普通用户又继承用户的属性，其中商品详细信息、出库项和入库项类图发生聚合关系，其中部分类包含的属性和函数已经定义，其实现图如图6所示。

3.6 用Rose生成类代码及用Rose逆向转出代码

Rational Rose 2000支持将模型转化为用于数据库设计的数据模型，从而生成系统的框架代码，利用Rose的正向工程、反向工程等特性，可以实现模型与代码之间的相互转化，完成一次原形系统的开发后，如对原系统不满意，可通过程序代码返回分析设计阶段，进行模型的再分析、修改和调整，然后生成程序代码，直到用户满意为止。

图5 商品入库的交互图

图6 库存管理系统的实现图

4 结束语

通过对Rose的探讨可以看出，Rose能很好的实现UML语言在系统开发的各个阶段，其集成化支持环境为这种应用提供了很好的途径， 利用Rose这一可视化建模工具， 能够充分地捕获用户需求；准确反映系统的对象(类)及其之间的交互；方便迅速地生成程序语言代码；能够快速高效地进行系统建模， 从而使系统开发走上规范化道路。

参考文献：

[1]陈世川.UML在信息管理系统开发中的应用研究[J].能源技术与管理，2005.

[2]欧建雄,黄容,丁玉章等.用Rational Rose实现连锁企业网上采购系统的建模设计[J].计算机应用研究,2002，(10)：l12-l14.

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[4]刘超、张莉.可视化面向对象建模技术--标准建模语言UML[M]. 北京航空航天大学出版社，1999.

[5][美]Boggs W．著，邱仲潘等译．UML与Rational Rose 2002从入门到精通[M]．北京：北京电子工业出版社，2003.

设备管理系统的建模论文 篇7

根据机器人工业协会的定义,工业机器人是一种用于工业自动化应用的可以自动控制、可再编程的、多用途的三轴以上的可编程操纵器,它可以固定也可以移动。随着中国国民经济的发展、工业自动化水平的提升,中国工业机器人市场潜力日益增大,发展壮大我国自主品牌的机器人及自动化成套装备产业已成为当务之急[1,2]。作为工业机器人主要应用领域喷涂方面的喷涂机器人愈来愈具有发展前景。喷涂机器人不仅可以改善工人作业条件,而且还可以提高产品的质量、降低生产成本,从而提高企业的竞争力。由于喷涂机器人应用范围的扩大和所完成任务复杂程度不断增加,机器人工作任务的编程技术己经成为一个重要问题,其对机器人的推广应用及其应用效率的发挥起着越来越重要的作用。通常机器人编程方式可分为示教再现编程和离线编程。示教再现编程由于存在如下两个问题:(1)编程时需要机器人停止工作,这不但降低了效率,而且增加了生产的成本;(2)编程的精度往往取决于操作人员的工作经验。解决这一问题就需要采用离线编程的方法。而离线编程的关键就是对设备进行建模,这是整个离线编程系统的基础[3]。本文以Solid Works2009作为开发平台,以Visual Studio.net作为开发工具,实现了本实验室研发的喷涂机器人的三维建模。

2 Solid Works平台

Solid Works是基于Windows的主流三维设计软件,集成了CAD/CAPP/CAE/CAM/PDM等功能,在此平台上可完成产品的集成设计,工艺设计,有限元分析,数控加工编程,产品数据管理。同时Solid Works的二次开发平台也以其开发方法容易,强大的功能以及开发和维护成本低等一系列优点而被广大的技术人员所采用。Solid Works API提供了大量的COM对象用于二次开发,这些COM对象总共可以分为十大类,数百个对象,涵盖了Solid Works基本操作和全部的数据模型。通过对Solid Works的COM对象的调用,用户可以基于Solid Works平台,构建符合特定需求的二次开发系统。

3 喷涂机器人设备建模模块

喷涂机器人设备建模是指要计算机上首先“绘制”出机器人的3D模型,然后分别定义模型的各个关节的属性,通过定义这些属性,就可以控制机器人的模型,使之成为离线编程所需要的实体。喷涂机器人的设备建模包括四个部分,即零件建模、装配建模、参数化建模以及运动学建模。

3.1 零件建模模块

在整个的设备建模系统中,零件建模是最为基本的模块。一个零件就是一个独立的刚体,没有任何的自由度,它的属性也是最少的。为了提高离线编程系统的运行速度,在零件建模的时候,对机器人各操作臂和关节进行简化。如图1,左图为喷涂机器人小臂设计模型,右图为用于离线编程系统中的简化模型。简化后的小臂模型省去了原模型中的复杂特征曲面,只保留了总体特征和小臂长度尺寸。

3.2 装配体建模模块

当把所有的零件模块通过程序“绘制”出来以后,就需要对这些零件模块进行装配。装配时,在各个转动关节处,定义一些转角位置配合关系,用以锁定各个关节的转动位置。通过这些配合属性,可以控制机器人各关节的转动。如图2所示,利用大臂和小臂的上视基准面建立名为Angle3的夹角配合关系。夹角配合值为90-θ3。

3.3 参数化建模

参数化建模是指针对于系列化的机器人产品,提供参数化的人机交互界面,设置各关节臂长,可实现喷涂机器人3D模型的重构。本文采用Visual Studio.net作为开发工具,通过对Solid Works二次开发实现此功能。表1列出了喷涂机器人的基本参数,图3为二次开发获得的参数化建模的人机交互界面,以及重构后获得的机器人本体模型。

3.4 运动学模块

运动模块提供了设备的关节运动、运动到目标点、路径运动等功能。机器人运动学包含两类问题,第一个是正运动学问题,给定操作臂的关节变量,求解相应的末端执行器的位姿。第二个是逆运动学问题,已知末端执行器的位姿,则可以求解此状态下的关节变量[4]。运动模块的主要是通过对Solid Works的Motion模块进行二次开发实现。开发的流程如图4。

4 仿真实验

系统中的设备对象是由本实验室和广州数控设备有限公司联合研制的的喷涂机器人,设备具有六个自由度。建模后的机器人本体对象如图3。用于仿真研究的喷涂对象如图5。图6为仿真实验过程。仿真实验验证了所建的设备模型的正确性。

5 结论

对于离线编程系统来说,最基本的模块就是建模模块,建模的成功与否直接关系着后续的所有工作。本文的主要工作如下:(1)以Solidworks为开发平台,构建了喷涂机器人的设备模型;(2)以Visual Studio.net作为开发工具,通过Solidworks提供的API函数实现模型的重构和运动仿真;(3)针对复杂的喷涂曲面进行仿真实验,实验结果验证本文所建模型的正确性。

参考文献

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[2]陈坤聊,陈永明,林一松.基于SMP运动控制内核的机器人控制系统[J].机电工程技术,2009(3):19-20,28.

[3]冯胜强,胡绳荪,杜乃成.基于UG的弧焊机器人离线编程系统的设备建模[J].焊接学报,2008,29(4):90-94.

设备管理系统的建模论文 篇8

随着对电力企业的信息一体化系统平台需求的日益增加,实现真正的“信息共享、数据一点维护”,有效消除“信息孤岛”[1],必须要对电力系统建立统一的信息模型。然而,目前IEC 61970标准中对电力一次系统的CIM建模已基本完成,但标准中几乎没有涉及到电力二次系统设备的CIM模型。无论在国内还是国外,对二次系统的CIM建模研究都还处于初级阶段,应用更是空白,而随着与电力二次系统相关的继电保护及故障信息系统、广域保护系统、WAMS等在监控中心的建设,迫切需要完善标准,对二次系统进行CIM建模。

本文提出一种对电力二次系统设备建模的方法,通过对电力二次设备的变压器保护的CIM建模来验证该方法的有效性、正确性和可行性。

1 对电力系统CIM模型的理解

CIM本身是一个由元数据描述的抽象模型,对系统或设备进行CIM建模,只要做到系统的接口交换信息与CIM一致即可,即标准只注重系统的外部接口特征。

在对电力一次系统CIM模型的深入理解中,分析得到了CIM模型的一些重要特点[2]:

1)CIM具有可扩展性。2)CIM模型是层次化的。3)CIM模型是规格化的。4)CIM模型是静态的。

2 电力二次系统设备的CIM建模

2.1 二次系统的CIM建模原则

对于电力二次系统的设备进行CIM建模有其独特的地方。CIM标准中针对二次系统设备的对象非常简单,不够全面,不足以体现一二次设备间的关联。因此,必须对CIM模型进行扩展,根据实际变电站的各种保护以及与保护相关联的各种回路,进行归类、建模,使得CIM模型更加清晰、完善,便于信息共享。

因此,在对二次系统设备进行建模之前,首先分析得到了对二次系统设备进行CIM建模的特点及原则:一方面,对二次设备的CIM建模只要把各种设备所需要或所控制的信号来源及信号控制的开关设备之间的关系描述清楚即可,并不涉及设备动作原理的描述;另一方面,由于我国电力一次系统网架比较薄弱等特点,历史的发展中二次系统也形成了与国外的一些差异,只有充分考虑这些差异,建立的模型才能更全面、合理。

2.2 二次系统设备的CIM建模方法

根据二次系统设备建模的原则,二次系统设备模型的建立可以分三个步骤进行:首先,对已有CIM模型中涉及到二次设备的包进行详细的分析研究,主要是对保护包以及与保护相关的二次回路的操作。在保护包中,对所描述对象进行整体分析,形成对象类,并理清设备之间的拓扑关系,称之为拓扑建模;其次,针对变电站实际存在的各种保护和保护回路进行分类,提取必要参数作为类对象的固有属性,对类进行详细描述,称之为设备建模;最后,用CIM中的设备容器(Equipment Container)类把描述对象中的各种设备连接起来,形成一个完整的对象模型,称之为模型整合。

3 变压器保护的CIM建模

下面采用以上所介绍的二次设备CIM建模方法及步骤,对变压器保护进行CIM建模,以验证该方法的有效性和可行性,进而实现对整个电力二次系统的CIM建模。

首先,通过总结归纳得到变压器一般涉及的保护有[5,6]:差动保护,过电流保护,零序电流保护,过负荷保护,过励磁保护以及瓦斯保护等,在一次系统的CIM模型保护包中实例化这些保护,得到变压器保护的拓扑模型,如图1所示。拓扑模型描述了保护设备是如何通过闭合的开关联结在一起的逻辑定义。通过联结节点类,导电设备的端点零阻抗联结在一起;拓扑节点类是指在当前网络状态下通过闭合的开关联结在一起的一组联结节点,能够随着开关、断路器等改变状态而变化;拓扑岛类是抽象出来的网络电气联结的子集,它会随着隔离开关、断路器等改变状态而变化。

其次,在保护包中对保护进行具体化,分析各种保护的原理,对各个保护类进行详细建模,即添加必要的参数作为类的固有属性,使得保护更加具体。例如过电流保护主要的参数有整定范围、过流组件定值误差、后备段过流跳闸延迟时间等,分别将这些参数作为过流保护类的固有属性,并入类中,使类具体化。其他保护依次进行属性添加后就完成了保护的设备建模,这些属性可以显示,也可以不显示出来而隐藏在模型中,如图2所示。

最后,利用二次设备与一次设备的关联关系及设备容器类把各种保护和它们所保护的一次设备连接起来,形成完整的保护模型,所建模型如图3所示。变压器保护类下有六个继承类,它们继承变压器类中的属性,同时都有自己的固有属性,共同实现对一次设备变压器的保护。设备容器类(Conducting Equipment)将一二次设备关联起来,指出了变压器保护中各种控制信号的来源以及信号所控制的需要动作的开关(Breaker)。同时,一个变压器保护可以对应零个或多个开关,而一个开关也可以对应零个或多个抽象设备保护,这是根据不同的现场需求而决定的。作为对一次设备描述的变压器类,继承了电力系统资源的属性,它们共同继承了核心包中的Naming的属性,这样便形成了一个完整的一二次系统关联的简单模型。

以上所建立的变压器保护模型也是抽象和笼统的,实际应用的时候,不一定要用到模型中所有的类和属性,可以自行根据需要来选择。

4 尚需解决的问题

1)建模中如何对保护进行分类,使得建立的模型简单、清晰是个值得进一步讨论的问题;2)国际电工委员会先后几次制定了多个电力系统标准,它们分别从不同的方面描述了电力系统设备,采用不同的建模方法对电力系统进行建模。如何实现模型的统一,做到系统间的无缝连接也是一个尚需进一步考虑并解决的问题;3)CIM建模是面向对象的机制,而现有的商业数据库大都是关系数据库,不直接支持面向对象设计,所以需要自行设计数据库。

5 结语

随着电力系统信息一体化的不断完善和发展,对CIM的研究以及应用CIM模型对系统进行信息整合,为电力企业生产信息的开发利用提供了极大的便利。然而仅仅限于一次系统的CIM建模是远远不够的,必须对相应的二次系统进行建模研究,建立一二次系统完备的电网模型,才能适应我国目前电力企业的迅速发展。

摘要：针对目前电力系统存在的模型不统一问题,对CIM模型做了进一步的理解,并尝试提出一种对电力二次系统设备的CIM建模方法,构建电力二次设备的CIM模型,以变压器保护的CIM建模来验证该方法的正确性和可行性,为进一步建立完整的电力二次系统CIM模型奠定基础。

关键词：CIM建模,电力二次系统,变压器保护

参考文献

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[5]尹项根,曾克娥.电力系统继电保护原理与应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2003.

继电保护智能设备内部建模方法 篇9

采用面向对象建模技术的IEC61850标准将变电站的各种功能抽象为数据对象,并将这种数据对象按照智能设备(服务器)、逻辑设备、逻辑节点、数据和数据属性的树状结构进行描述[1]。适应这种面向对象设计的智能设备是基于变电站配置描述语言(SCL),即:IEC61850-6部分所规定的内容,来实现互操作性[2,3]。智能设备作为服务器具有网络通信、解释配置信息、响应自描述信息等功能。因此基于数据库的站级设备,可以识别和配置不同的智能设备,不同的智能设备之间也能够根据配置信息交换数据。智能设备内部的数据交换,也可以参照面向对象的方法来实现。但由于运算和存储能力的区别,一般的制造企业会更倾向于使用面向程序的自定义数据格式,以满足效率和空间的要求。本文将讨论一种基于数据库的智能设备内部建模方法,并以元件保护为例给出部分具体方案。

1 继电保护设备的描述

1.1 面向对象的保护设备

保护设备作为变电站一种特殊智能设备,按照面向对象设计的观点,一般包含多个逻辑设备[4]。以元件保护为例,传统的变压器保护或母线保护由模拟量采集、开关量采集及控制、保护算法和人机接口等功能构成,它们可以称为逻辑设备。新型的分布式母线保护是基于间隔保护和中央控制单元构成的,它将上述一系列逻辑设备分配到不同的智能设备当中,因此也体现了逻辑设备对象存在的客观性与独立性。图1为智能设备的对象表示,图2为由多智能设备构成的分布式母线保护。

由图2可见,分布式母线保护由面向间隔的智能设备和完成母线保护功能的中央处理单元组成。它们分别包含特定的逻辑设备,如:控制(分布在间隔中),保护(间隔设备为当地功能、中央处理单元为母线保护功能)、采集(可能包含在分布的间隔智能设备中,也可能为单独的采集设备)及人机接口。同样集中式保护(图1)也包含了所有这些逻辑设备。因此,保护设备作为一种特殊的智能电子设备,具有相对固定的逻辑设备对象,针对这些逻辑设备设计的配置软件,能够完整定义智能设备的内部模型。

1.2 保护设备的硬件构成

基于网络的保护设备需要实现网络通信、人机界面和保护算法等功能,这些功能在实时性和软件系统上存在差异,一般需要多颗CPU(或多核CPU)配合完成。例如使用偏重于通信的PowerPCTM、适合实时计算的DSP和侧重于显示的其他MCU来共同完成通用保护设备硬件平台设计。保护设备的硬件平台限制了其内部数据交换的方法和效率,如:多CPU的保护设备如果使用并行数据交换将效率优于串行数据交换;而双核CPU由于存在共享的存储空间、丰富的外设将更大限度地提高数据交换的效率。因此基于不同硬件系统的保护设备其内部建模方式也定不相同,内部数据交换效率越高,建模越简单;数据交换效率越低,建模越复杂,但会提高软件的可移植性。

图3为典型的继电保护智能设备内部构成。其中多CPU之间的配合可以采用以太网、高速的串行总线或并行数据交换(如图3中的双端口RAM)。

1.3 保护设备的软件流程

保护智能设备的软件可根据不同的实时性进行结构划分,参考IEC61131的相关规定,将同等实时性的任务按照程序组织单元(POU)进行划分,而程序组织单元之间的数据交换即为内部建模的关键点,它决定了数据流的通畅以及程序接口是否合理且易于实现。以图3所示硬件系统为基础实现的保护智能装置其程序组织单元可以进行如下划分:

图4中POU1代表实时性较高部分,一般由DSP完成,它是保护装置的实时数据源;POU3、POU4将通过数据接口访问POU1形成的实时数据;POU2产生的继电器定值数据与其他几个程序组织单元产生接口关系。

由于平面顺序表格最适于程序处理,因此最终的保护软件将以一系列的表格为数据接口格式,来定义程序组织单元之间的链接关系。

综上所述,内部建模就是将保护智能设备外在的对象描述映射到其内部各个程序组织单元之间的接口关系。由此我们可以设计1)按照对象描述的配置软件;2)严谨的、可变长度的内部程序组织单元数据交换格式;3)由对象描述到数据交换格式的映射。

2 基于数据库的配置软件

2.1 配置软件的基本元素

文献[2]给出的是基于IEC61850-6 SCL模型的配置器的设计与实现,它讨论的是站级设备与智能设备之间互操作性的问题。而基于数据库的智能设备配置软件对外可以形成符合SCL的自描述文件,对内产生不同的顺序表格引导程序组织单元交换数据。因此,该配置软件的输入信息应该是不同的对象,这些对象可以是预定义的逻辑设备,也可以是由多个逻辑节点组合的逻辑设备。对象的组织程度越高,配置就简化;对象划分越注重细节,配置就越灵活。

以传统元件保护为例,图1列出了它包含的逻辑设备,其中LD1是模拟量输入,LD2为保护功能,LD3为人机接口,LD4为开关量控制。显然LD1,LD3,LD4具有一定的通用性,对于LD1我们只需要对现有逻辑节点进行描述,如TVTR的数量、顺序、每个模拟量通道的变换系数、单位等特性,而无须增加更多的逻辑节点。与LD1相似,LD3,LD4具有相对固定的逻辑节点,因此配置软件对这部分应该以逻辑设备为模版(类描述)进行对象组织。LD2逻辑设备为保护功能,由于保护需要适应现场不同的需求进行不同的调整,如增加某些逻辑节点(过流段数、闭锁条件等),因此,此时配置软件要能够灵活使用逻辑节点作为基本对象。保护逻辑节点模版和其他逻辑设备模版将分类保存在数据库中的对象表中。配置软件则可以按照规则创建新的逻辑节点模版或逻辑设备模版。

2.2 多用途的数据库与配置软件

配置软件除定义智能设备之间交换的信息格式、内容以及内部数据交换格式外,它还可以为外部调试软件和其他较早使用的通讯规约(如:IEC60870-5-103)提供点表。图5为配置软件及统一数据库的示意图。

3 数据交换表实例

3.1 模拟量采集

模拟量采集设备由系统节点LLN0,LPHD1及TCTR,TVTR及MMXU等逻辑节点构成,这些逻辑节点的数据和数据属性由IEC61850-7-4给出定义。为了适应智能设备内部的数据接口,配置软件将逻辑节点对象的数据分配到不同的表格当中。如:由TCTR,TVTR导出模拟通道表,其中包含顺序、通道系数、补偿等信息。而MMXU也会根据TCTR或TVTR的输入产生新的计算模拟通道(如继电保护常用的序分量计算或变压器保护的角差转换等),因此无论是由采集产生的模拟通道还是计算得来的通道将统一存放在模拟通道表中并按照类型和指定顺序进行排序。我们利用模拟通道表的顺序索引生成录波通道表、各种幅值计算表(如离散傅立叶变换得到的各次谐波算法),它们分别是模拟量录波节点RADR和测量节点MMXU所描述的内容。

由图6可见,一个模拟量采集逻辑设备中的逻辑节点对象在保护智能设备中是以多个平面顺序表格进行描述的。一个对象可能对应多个表,同时,一个表格中也可能包含多个对象的信息。因此,智能装置内部建模是面向程序模块的,而不是面向对象,它的目的是定义严谨的程序接口以提高运行效率、节省空间。

3.2 保护功能

保护功能设备所包含的保护逻辑节点可以用定值表、动作信息表、信号表及变位事件表等数据表格构成。保护设备从外在进行观察是以对象的形式存在的,添加或删除任何逻辑节点将自动向上述表格中增加记录。而智能装置内部则全部用顺序表的索引来指示或保存逻辑节点的数据信息。

3.3 人机接口

保护设备的定值表、MMXU的测量值都需要在人机界面上进行显示,XCBR或XCWI的状态也可能需要通过人机的方式进行监视或控制。因此,人机设备将关联更多的描述表格,如:定值表、录波表、模拟量显示表、开关量表等用于设置、监视和控制的表格,这些表格来自不同逻辑设备中的逻辑节点对象,而不局限于人机设备,也就是说在人机设备接口格式固定的前提下,增加或删除某些设备的逻辑节点将直接影响人机设备的数据设置。

人机接口的界面显示也是一个重要问题,通过增加人机逻辑节点IHMI的数据和数据属性实现界面显示的自动配置。如:增加底图、帧显示顺序表、帧数据表等描述,他们不必要出现在智能设备之间的交互信息中,只是作为智能设备自身使用的信息存在。

4 结语

从面向对象的保护智能设备外在特性来说,它具有完善的自描述性和互操作性,而智能设备内部的数据组织必须满足智能设备的硬件结构所提供的最大效能。出于空间和效率的考虑必须将智能设备的对象描述映射为平面顺序表格的接口描述。因此,分析不同对象间的关联与约束以及程序组织单元间的联系,是内部建模必须要考虑的问题。不同的硬件结构、不同的软件思想将产生不同的智能设备内部模型,使用本文的方法可以帮助智能设备设计者合理地建立这种内部模型。利用本方法设计的配置软件将提高继电保护智能设备的开发效率。

摘要：讨论了一种面向对象的继电保护智能电子设备的内部建模方法。利用配置软件将智能电子设备的对象描述映射为面向程序模块的平面顺序表接口描述,配置软件的设计是基于对象之间的关联与约束及程序组织单元之间的关系来实现的。最后,以一个元件保护的内部建模为例,进一步说明了本文所提出的方法。

关键词：继电保护,智能电子设备,建模

参考文献

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[3]朱炳铨,任雁铭,姜健宁,等.变电站自动化系统实现IEC61850的过渡期策略[J].电力系统自动化,2005,29(23):54-57.ZHU Bing-quan,REN Yan-ming,JIANG Jian-ning,et al.Strategy for Implementation of IEC61850in Substation Automation System During Transitional Period[J].Automation of Electric Power Systems,2005,29(23):54-57.

石化企业设备三维建模技术初探 篇10

石化企业作为大型设备密集型企业, 其生产炼化设备普遍具有复杂的生产工艺和流程, 随着技术的发展和信息化建设的进行, 生产装置和工艺也在不断持续改进, 各类图纸 (地籍图、工艺流程图、设备图、管网图等) 的数量也日益庞大, 而现有图纸往往出现和装置实际不符的情况, 且大部分资料多以文字或者平面图纸的形式存在的, 可视化程度较低, 资料的缺失及信息的不直观, 时常造成设计重复、浪费, 施工接错、挖错, 抢修抢险无明确参考, 使安全隐患不易被及时准确的排查。

在这种情况下, 建立各种炼油、化工装置设备的三维模型数据库, 显示装置地下、地上的各类管线、实物的空间位置和各种参数, 实现“数字石化”为企业的生产、安全、机动、规划、土地等专业管理提供准确、直观的信息, 对于提高企业的专业管理水平, 具有重要意义。

1 三维设备建模方法

在石化企业三维建立的过程中, 其核心内容就是设备模型的建立。根据石化企业的复杂性, 可以将设备简单的分为两大主要类别———地上实物与地下管线。

1.1 三维建模的原则

要为石化企业设备进行三维建模, 必须从三维模型的思维方式入手围绕石化企业的空间地物进行有效表述, 只有确立明确的服务对象才能便于人们更好地进行信息的传递。但在三维模型的建立过程中切忌好大喜功, 而应本着高效便捷原则有针对性的设计建模。因此三维表达的原则:显而易见原则, 图标结合原则, 便于操作原则。

1.2 地上实物建模方法

1.2.1 实物模型的建立方法

实物模型建立的技术路线, 见图1。

1.2.2 基础数据的获取

基础数据的建立主要来源于被建模实物的外在平面数据和实际高度数据采集样本。其中实物的平面数据, 主要是指实物在三维俯视图中投影到地表平面的轮廓线。常用的平面数据有数字线划图等二维矢量数据。高度数据的获取有几种常用的方法[1]:一是基于研究算法从影像中直接提取实物的高度及其它信息;二是用激光测距系统结合CCD相机从地面获取实物的高度;三是用机载激光扫描系统结合空中影像, 经算法处理提取实物的高度数据;四是按层数粗略的估算实物的高度。

1.2.3 实物模型的建立

随着计算机技术和图形学技术的发展, 将二者有机结合可以通过一些建模软件来实现较精细和精细的三维建模数据库形成。但选择哪种层次的建模, 需要根据具体应用的条件和要求。从以下3个层次来介绍实物模型的建立。

1.2.3. 1 一般建模

采用这种建模, 可以满足基本的可视化要求。具体的操作方法是基于现有的实物平面轮廓线, 经过相关软件的修改, 导入到三维建模软件中, 然后直接拉伸至相应的高度 (z轴) , 得到实物的基本外表面模型。再通过纹理映射, 就可以得到完整的实物模型。

1.2.3. 2 精细建模

采用这种建模, 一般对模型的精度要求比较高或者是为了达到真三维建模。为了达到模型的高精度的要求, 在精细建模过程中, 会用到很多方法, 如实物的立体剖分的方法。因此, 精细建模建模时间长, 效率低, 但是可以获得真三维模型。

1.2.3. 3 混合建模

在进行大范围三维实物重建时, 仅仅采用上述两种建模方法, 满足不了建模的需求, 同样, 如采用精细建模方法, 会导致建模周期的加长, 对大量实物重复建模没有必要。所以, 可以采用两种建模层次相结合的方法来实现实物的重新建模。大部分实物采用一般建模, 少数比较有代表性的实物可以采用精细建模。这样既可以提高建模效率, 又能得到较好的效果。

1.2.4 实物纹理的采集与处理

实物纹理是实物建模的重要组成部分, 纹理数据主要是通过现场实地摄影相片获取, 并且直接关联到三维场景中, 所以纹理数据质量的高低决定着能否获得较逼真的表达效果。

1.2.4. 1 实物侧面纹理的采集与处理

实物侧面纹理是通过现场实地摄影相片获取的, 主要涉及实物侧面纹理的采集[2]。为了提高现场摄影工作的效率, 需要注意以下几个方面:

(1) 数据采集前, 需要熟悉纹理采集区域内的整体情况。

(2) 数据采集过程中, 必须严格按照要求完成现场调绘记录。由于现场摄影相片数量大, 必须在现场摄影过程中注意检查摄影相片与调绘记录一一对应的关系。

(3) 为了保证摄影相片的质量, 在现场摄影过程中, 必须注意摄影条件等因素的影响。

(4) 在后期纹理处理过程中, 必须确保实物主要立面的纹理图像清晰、真实完整。

1.2.4. 2 实物顶面纹理的采集与处理

三维模型的顶面纹理无法由现场实地摄影直接获得, 所以只有从原始分辨率的正射影像中采集, 这样可以提高效率, 降低难度, 同时保证了纹理数据的质量。

1.3 地下管线建模方法

1.3.1 多边形折线逼近法

用直线段表示形体的棱边, 用平面表示形体表面的方法。对于有弯曲外表的形体则用逼近法表示[3], 即利用连续的小直线段表示曲线。利用连续的小曲平面表示曲面, 也可利用“点一线一体”结构生成一个八棱柱来模拟圆柱体[4]。

1.3.2 管线表面的微分处理

在管线平面图中, 管线一般以管线中心线来表示, 如一段管线在图上显示为一条直线;而在管线三维透视图中, 同样的管线则可以用圆柱面来表示, 圆柱面的轴心即为管线中心线, 圆柱面半径为管线在截面处的半径。管线可以看作是直管与连接直管的接口组成[5]。现实生活中的管线是中空的.借助“点一线一体”的思想, 可以采用“点一面一体”的方法实现, 即由特征为点生成平面, 再利用折线逼近法用生成的平面逼近圆柱表面。

1.4 地下管网系统的应用研究

最近几年三维GIS技术发展迅速, 三维管网GIS技术也取得了一系列理论和应用成果, 除了在原来的二维GIS技术中增加三维功能, 使其能够表达现实世界中的三维对象;还有一些三维可视化系统用于虚拟漫游等场合 (如, 谷歌的Google Earth, 微软的Virtual Earth等) , 国内目前所开发的三维管网系统大多基于ESRI公司的Arc GIS Engine、北京超图的Super Map、北京灵图的VRMap、武汉中地的Map GIS等平台进行二次开发, 并在原有二维管网信息系统基础上加入三维显示模块, 如图2、图3、图4所示。

这些管网系统和软件都具有对三维模型进行创建、管理的能力, 具有管线的真三维图形显示漫游和局部简单查询功能, 能够满足地下管网建模的需要。

2 结束语

对石化企业设备建模过程中, 涉及到的实物及地下管线的建模方法进行了初步的总结和阐述。但是, 仍然还有很多问题需要考虑, 毕竟, 三维技术在石化企业的应用处于起步阶段, 在具体实践中所产生的问题, 还有待人们进一步进行研究。

摘要：随着三维技术在石化企业的应用, “数字石化”正在成为当前石化企业信息化发展的一种趋势, 它对石化企业信息化管理具有十分重要的意义。而石化企业三维建模是三维技术的基础, 它的核心内容是设备的建模, 其中包括地上实物、地下管线的建模。从其理论角度出发, 对石化企业设备的三维建模方法进行介绍。

关键词：数字石化,地上实物,地下管线,三维建模

参考文献

[1]施加松, 刘建中.3DGIS技术研究发展综述[J].测绘科学, 2005, 30 (5) :117—119.

[2]刘浩.数字城市三维景观再现系统的研究[D].天津:天津大学, 2006.

[3]王新成.高级图形处理技术[M].北京:中国科学技术出版社, 2001,

[4]何援军.计算机图形学[M].北京:机械工业出版社, 2006.

设备管理系统的建模论文 篇11

关键词：清分规则；多路径；路径权重

自动售检票系统（AFC）是基于计算机、通讯、网络、自动控制等技术，在轨道交通各线路为乘客提供便捷的售检票服务，同时实现轨道交通制票、售票、检票、计费、收费、统计、清分、管理等全过程的自动化系统。该系统一般分为5层架构：第一层，清算管理中心系统（ACC）；第二层，线路中心系统（LC），第三层，车站中心系统（SC），第四层，车站终端设备层（EQP），第五层，车站电子车票层。

其中，清算管理层为ACC清算管理中心系统，作为线网AFC系统最上一级，负责处理整个轨道交通网络票款收入的清分、所有数据的汇集处理，轨道交通系统全局运营参数及规则的制定和管理、轨道交通网络运营情况的监控、各线路级对外接口的制定、票务客服处理机对外信息服务和管理，同时，它还负责处理一卡通车票与市民卡公司的清算对账。清算管理功能是清算管理系统中的核心功能，需要根据制定的清分规则进行AFC交易数据的清分，并以批处理方式完成清分、结算及报表数据生成功能，并代表轨道交通运营商与市民卡公司进行一卡通扣值清算。

1　路网建模系统

路网建模系统是以城市轨道交通中的物理路网为基础，获取相应的站点、线路信息，并根据一定的规则建立路网模型。从该路网模型中，可以获取大量的有用信息。例如：任意站点间的所有路径、最短路径、各路径长度、各路径平均耗时等。

1.1　路网建模系统主要实现如下功能：

1.1.1 根据物理路网建立路网模型、生成路网拓扑图。

1.1.2　对路网模型中站点间距离、站点间平均耗时数据的查询与设置。

1.1.3　根据线网模型，计算任意车站间最小站数（最短站间距），为费率设置提供依据。

1.1.4　依据任意站点间所有路径的耗时、换乘次数数据自动计算各路径清分权重。

1.1.5 实现对任意站点间路径基础信息、权重信息的查询与可视化显示。

1.1.6 提供版本管理功能，对路网建模数据进行版本化管理，可根据实际需求选择相应的数据版本。

1.2　系统结构构成

1.2.1　站点编辑：系统从后台数据库中车站的相关信息（车站号、车站名称、车站类别等），通过一个图形编辑器，自动生成所有车站的模拟图形，用户可将车站的模拟图形按照站点的地理位置摆放，从而生成模拟线路图　。

1.2.2路径计算：系统从后台数据库中取得线路以及车站的相关信息（线路号、线路名称、车站号、车站名称、车站类别、站点之间的距离等），然后通过遍历算法，首先计算出任意两个站点之间行程信息，然后在根据数据结构图搜索算法，计算出一个行程所有可能的路径信息。

1.2.3路径查询和权重设置：从数据库中将一个行程（从出发站点到达目的站点）的所有路径展示出来，以供用户根据相应信息（最少站点、最短距离或最短时间）来设置清分权重。

1.3权重初始设置原则

路径权重主要指乘客有多条路径可以从A站到B站，综合考虑换乘方便性、路程长度、列车班次密度、列车舒适度等因素，根据经验设定每条路径权重。

客流在OD间不同出行路径上的权重分配的确定分三个阶段完成，第一阶段，用计算机模糊判断技术，对乘客搭乘地铁时实际通过的路径进行模拟判断，得出两站间的所有路径；第二阶段，通过阀值控制的方法进行有效路径的确认，采用带权重的加速分摊法对近似等有效路径进行分配；第三个阶段，跟据路程长度、列车班次密度、换乘方便性、列车舒适程度等乘客选择路径的不确定因素，对上一阶段计算出的客流在路径上权重进行修正。

1.3.1两个站点间只有一条路径，则此路径所得的权重为100%；

例如：迈皋桥站至大行宫站，迈皋桥站—新街口站--大行宫站。

2.1　清分应用

清分应用系统对交易数据合法性进行检查，包括交易完整性、重复性、连续性等内容，确保系统数据的准确、有效。根据路网建模系统的路径数据实现线网范围内客流和票款收入的清分功能，同时实现与外部系统交换在地铁使用的交易数据，完成清算、分账的任务，将清分规则应用到路网建模系统中，不仅能实现以上功能，还可以实现对可疑的换乘客流进行接受或者调整的特殊处理。

2.2　断面客流应用

终端设备上传至清分管理中心的客流信息中有进出站代码、进出站时间、上下行方向等信息，根据这些客流信息在路网建模系统中可以直接找到对应的路径信息，判断出乘客乘车交易的上下行信息，统计线网各个断面的每半小时的断面客流，同时可以对工作日、节日及假日分时段断面客流进行分析，为制定和调整本年度的各类列车时刻表及运输组织方式提供参考依据。

2.3　客流模型应用

2.4 票价指导应用

南京地铁目前共有两条线，线网运营85公里，共57个车站，其中一号线一期，设有16个车站，一号线南延线，设有15个车站；二号线设有26个车站；换乘站2个，目前南京地铁票价制定原则为0-8站，票价2元，之后每4站加1元，4元封顶。南京地铁的票价制定原则是最少站数原则，即任意两点之间不管有几条路径，票价的制定是按照最少站数的那条路径制定，通过路网建模系统遍历出57个车站中任意两点之间的最少站数，系统自动制定出任意两站之间的票价。

3　结束语

综上所述，路网建模系统是轨道交通行业票务清分系统中发挥着及其重要的作用。该系统通过对路网结构进行遍历来实现任意两点之间的路径搜索，通过设置各条路径权重和及其所属的子路径权重的方式来实现票款在各运营商之间的合理分配，通过检索任意两点之间的站数制定线网费率表，通过与列车时刻表及客流数据结合，动态显示每列列车客流形成过程，统计线网断面客流。该路网建模系统在南京地铁票务清分管理系统中得到广泛应用。

参考文献：

1.邵星杰 票卡清分客流分析系统的功能设计.《都市快轨交通》.2011年第5期

2.南京地下铁道有限责任公司.南京地铁票务清算管理中心（ACC）一期合同文件【G】.南京，2007.

设备管理系统的建模论文 篇12

配电网的根本目的是保证高可靠、高效益供电,其物理载体是所有新旧技术、新老设备和网络的集成[1],而设备和网络的健康水平则是所有其他工作的重要基础和支撑,是电网运行数据的采集源头,是智能电网建设必不可少的基石。因此,全面系统地掌握现有配电网设备的健康水平,处理好设备的老化、使用和维护三者之间的关系,是当前配电网工作的重中之重。

在传统的配电网可靠性评估中,通常以故障率、可用率等常规可靠性指标[2]作为衡量标准,但这种事后分析并不能有效指导配电网状态检修。文献[3]首次提出了电力系统健康诊断的概念,并定义其为通过对设备、网络与系统的状态实时进行扫描、建立其健康档案,实施动态跟踪,根据其特征量的变化诊断其健康程度,及时发现病灶并报警,必要时加以消除。

近年来,有不少专家学者提出了一种基于电气设备或电力网络实时健康状态的健康指数模型作为电网检修与规划的依据,并对某些高压设备建立了相关模型。但由于配电系统设备量大面广,设计、使用参差不齐,尚没有经济可行的方法来评估其健康状态。本文针对配电设备特点提出了一种基于役龄回退理论的设备级别健康指数建模思路,为配电设备资产管理、规划、检修和运行提供了一个全新视角。

1 配电系统检修概述

1.1 配电系统检修计划

总体上,电气设备的检修策略经历了从最初的事后检修(corrective maintenance,CM)向当前主导的定期检修(time based maintenance,TBM)以及状态检修(condition based maintenance,CBM)的变化过程。

文献[4]从风险角度指出,电网检修风险与故障风险二者统一于电网的安全经济运行水平。另一方面,电网检修风险与故障风险又是对立的,电网检修风险反映电网检修过剩,由于检修而引起的损失,对设备的使用过于保守;电网故障风险反映由于电网检修不足,设备发生故障而引起的损失,对设备的使用过于冒进。传统的事后检修与定期检修侧重点分别在于检修风险与故障风险,而状态检修则是对二者的一个折中,力求电网风险总和达到最低限度,因此越来越显现出其在电网检修计划制定中的优适性。

1.2 检修措施对设备状态及发展的影响分析

传统的检修计划中,及时的预防性检修(preventive maintenance,PM)措施能够延缓设备老化过程,从而延长设备的有效使用期。在以有的研究中,对于PM影响建立的模型分为Perfect PM与minimal PM两类。通常认为前者可以做到“修旧如新”,而后者仅能做到“修旧如旧”。后续的研究一般认为预防性检修的效果是介于“修旧如新”与“修旧如旧”之间的一种检修计划,即Imperfect PM[5]。本文以役龄回退理论来等效这种影响,具体见第3小节。

文献[5]中模型所研究的风险率(Hazard-rate)是一种与时间呈指数关系的性能指标,而本文中建立的健康指数也与时间成指数关系,因此二者是正相关的。经过检修后系统或设备的风险率变化率会比检修前更高,意味着健康指数变化率(即老化速率)也会相应的增大。事实上,设备的老化率总是随时间递增的,本文以检修时刻作为老化率变化的区分段,即将变化的老化率以每一区段的一个定值表示以简化计算。

综合考虑以上两方面影响,本文建立的健康指数模型见图1,显示经历状态检修之后,设备健康指数HI回到了δT时间前设备对应的健康指数,但是经历状态检修之后其老化速率却增大了。

2 设备寿命与健康指数研究

2.1 电气设备的设计寿命

文献[6]以变压器的设计标准为例,定义使用寿命是在某温度范围内正常工作条件下变压器连续运行时间。传统的标准(及目前还在使用的标准)中变压器的最大额定功率(界定容量)指的是,因变压器损耗产生的热量导致其绝缘强度下降到原有强度的50%之前,变压器在恒定负荷水平下连续运行7.42年期间的可承载功率水平。这个计算出的“寿命”并不是字面意义上的寿命,更贴切地说,它是“绝缘半衰期”。

以50MVA的变压器为例,根据电离(Arrhenius)理论,它的预期“绝缘半衰期”的表达式为:

式中:L为设备寿命,h;T为绕组热点温度;k1和k2为系数,其值可由相关统计表获取,见表1(数据均基于实验室的试验结果)。

根据式(1),假设热点温度为110℃(环境温度30℃+铁芯温升65℃+热点温升15℃),系数按表(1)中取值,可得预期绝缘半衰期为7.42年。然而,变压器每天的负荷都在不断变动,只在峰荷时达到50MW,而不是全天都在恒定的50MW,这种情况下的绝缘强度降至50%时的预期工作时间为39.3年,而不是7.42年。

当设备绝缘强度降至50%时,它未必会发生失效,但是作为低压设备可以获得的一个重要数据,在一定程度上,使用寿命可以代表设备的健康状况。以往经验表明,配电设备不论什么种类其性能都是与役龄密切相关的。设备的出厂额定寿命也是在此基础上设定的,因而可以作为设备运行状态的参考。

此外,设备所在线路的负荷水平、环境温度(大体上,随着温度的升高,工作寿命将随之降低,或者设备处理的负荷必须相应降低)、环境质量、空气湿度等因素也会对设备的健康性能造成一定的影响。

2.2 设备健康指数研究

对电力设备大量的故障数据研究表明,设备的故障率呈浴盆曲线[2]形状,见图2。

图2中,区域I为调试期,元件故障率随时间逐渐下降;区域II为有效寿命期,元件故障率接近常数,此时认为设备健康程度较高,大部分故障为外界因素干扰下的偶然故障;区域III为衰耗期,元件故障率呈上升趋势。元件的老化失效即发生在衰耗期,是与历史(即元件服役时间)有关的条件失效事件。

故障率表述的是设备自身健康程度及外界偶然因素的共同作用,是一种外部表象。而健康指数是用来刻画电力设备当前运行状态的性能指标,是仅与设备自身状况直接相关的,即如图3描述的设备状态随时间推移的劣化示意。

2003年D.Hughes首先在电力系统中提出健康指数的概念[7],由于当时英国的大量电气设备进入老化期,急需制定更换方案,故该模型的提出,是旨在估测设备剩余寿命,指导更换设备的。接下来的几年内在健康指数理论基础上,又逐渐扩展成为基于电网资产状态评估的风险防范管理体系(condition based risk management,CBRM)。其中,健康指数与风险评估的公式可以被量化表示,并且可以作为决策层进行设备资产管理决策的依据[8,9,10]。总体来讲,设备的健康指数按时间尺度是服从指数分布的,其初始健康指数计算公式如下:

式中:HIt为当前年或未来某年的健康指数;HI0为设备初始健康指数,由设备原始信息确定,包括原始技术规格、生产厂家、运行经验等;B为老化系数;T为当前或未来年份;T0为设备投运年份。

3 基于役龄分析的配电设备健康指数模型

3.1 役龄回退理论

式(2)合理地描述了电气设备在随着时间年限增长健康性能的变化特征,其不仅适用于高压设备,对低压设备也同样适用。

当前在高压设备中通常通过相关电气量与非电量的量测与分析来对以上公式进行修正。然而对于造价相对较低,分布更为广泛的配电网中低压设备来讲,无论是现场安装在线监测传感器,还是采用离线便携式测试仪表逐一测量都是不经济的。因此,需要从历史统计数据中挖掘有用信息,构建适合于配电设备及配电网络的健康指数模型。配电设备在运行过程中会经历不同程度的故障停运,及相应的维修与预防性检修过程。检修活动对可修复系统的影响即可从侧面反映配电设备的状态。

1 9 7 9 年M a l i k首次提出了改善因子的概念, 以此描述修理活动对系统失效率的影响。 1 9 9 8 年,L.T.Dedopoulos和Y.Smeers在Malik的基础上提出了役龄回退因子的概念[11],把修理活动对系统故障率的影响定位在系统服役年龄,并得到了广泛的应用。目前,大部分学者主要采用固定的役龄回退因子对可修复系统的役龄进行描述,并以此开展对可修复系统的保障工作研究。等效役龄计算公式如式(3)所示:

式中:Teq为等效役龄时间;T为检修间隔时间;c为役龄回退系数。

传统的方法虽然能描述役龄回退现象,但对于役龄回退因子的处理往往假定一致,掩盖了随着系统实际役龄和检修次数的增加,而造成的一种“检修疲劳”的现象[12]。本文设预防性维修间隔为Ti,针对当前状态检修模式下的配电设备,提出了一种新型的役龄回退计算方法,具体如下:

配电设备第1次检修后的等效役龄为:

第2次检修前的等效役龄为:

第2次检修后的等效役龄为:

……

第i次检修后的等效役龄为:

参照文献[3],役龄回退系数取值如下:

式中:gl为检修改善度,与检修水平有关(通常检修水平越高,取值越大,取值在3~6之间)。

但是,每次检修过程所能达到的效果是越来越小的,当i增大到一定程度时,此时再对设备进行维修,无论从经济上还是技术上讲都是没有意义的。

若在检修期间由于故障造成了停运,随后进行的维修只能使设备恢复到故障前的运行状况,并不会对其健康状况造成影响,因此故障后维修不会对设备役龄回退有影响。相反,某些故障还会对设备性能有破坏效果,这时大部分情况会选择损坏零部件的拆除更新。本文忽略其影响,认为故障后维修不会对设备等效役龄造成影响[13]。

本文中时间轴的确定是以检修时刻为分割点,将日历上的时间分为一系列时间区段(检修时间相对较短,在此忽略不计),方便进行役龄回退等效,见图4。

3.2 健康指数模型建立

对于量大面广的配电设备,当无法对各个设备进行诊断分析时,可以借助历史统计信息,建立设备的等效役龄模型。经过检修后,一方面设备的性能状态得以提升,本文以役龄回退来表征该效果;另一方面随着检修次数的增多,设备的老化、劣化速率也随之加快,这一部分在动态老化指数B中得以提现。

式(2)中,老化指数B0可由设备出厂信息反解得出,具体过程如下:

通常认为设备出厂时完全健康,取值为0.5,当设备逐渐老化退化直至无法使用时,认为其健康指数达到6.5以上,此处取7.0;式中,Texp为设备出厂时的预期寿命。本文以检修间隔时间作为时间轴分割依据,并设在经历i次状态检修后老化指数为Bi,如式(10)所示:

式中:aj为恶化增大系数,参照文献[4]其取值如下:

将等效役龄与动态老化指数代入式(2),可得在i次检修后又经历时间t时该设备的健康指数,如式(12)所示:

考虑到配电设备所在线路负荷情况及环境情况,可在式(12)得出的健康指数前添加修正系数V1、V2,即如式(13)所示:

表2为查阅相关资料后的建议修正参考,其中负荷系数为统计平均负荷与额定负荷比值。

至此,得出的修正后的设备级别健康指数便可以作为配电网络网络层面健康指数建模的基础,并能够为配电网检修提供参考,见表3。

通过健康指数分析,可以制定经济有效的检修方案尽可能延长对应于浴盆曲线上设备的“有效寿命期”,同时,减少由于设备自身因素导致的故障停运带了的风险,提高系统可靠性。

4 结语

本文针对配电网中、低压设备特点,提出了一种基于等效役龄的设备健康指数建模思路。该方法有别于高压设备的健康指数建模思路,没有引入大量的量测信息,而是基于设备运行记录及其本体信息构建模型,方便落地实施,并能够为配电网络的健康指数建模提供参考。当然,对简单易行的关键状态量测试在条件允许的状况下应该加入进来,从而可以更为客观、准确地描述配电设备的健康性能,为配电网检修决策提供依据。因此,未来的工作将着重于相对经济可靠的关键状态量监测与采集系统软、硬件的开发工作,以及对于该模型中役龄回退因子的精细化研究。

摘要：对当前配电网检修现状做了简单叙述,并介绍了基于电网资产状态评估的风险防范管理体系(CBRM)与健康指数(HI)理论及其在高压设备中应用的健康指数建模思路。由于配电设备量大面广、单体造价较低,高压设备健康指数的建模思路将不再适用。为此文章从另一个角度,在设备寿命研究的基础上考虑配电设备作为可修复元件在长期检修过程中的老化情况,引入了役龄回退理论,建立了适合于配电设备的健康指数模型。