浅谈设备树系统关系图及应用

戴建军，龚剑超

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江天台317200）

浅谈设备树系统关系图及应用

戴建军，龚剑超

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江天台317200）

根据生产管理系统信息化的设备树，提出一种采用拓朴图表示设备树系统内各要素间关系的方法。由此方法可建立一个系统化的设备树系统关系图。系统关系图可以较直观地表示设备树系统内各要素的关系。建立完善的设备树系统关系图，根据系统功能理清各系统之间及内部关系，有利于促进运维工作的系统化和标准化；有利于建立关键点安全措施库和系统危险点预控库；或通过软件可以重点突出某特定范围设备系统内各功能完成的过程及关键点。

设备树；系统关系图；系统化

0 前言

电力系统是一个由相互作用和相互依赖的大量电气及相关设备结合成的发电、变电、输电、配电和用电相结合的电网有机整体。发电厂作为发电功能的实现单元，是由发电设备按特定关系和要求结合而成的电力系统子系统。根据一般系统论，发电厂系统也具有整体性、关联性、层次性和统一性的特征。本文仅讨论发电厂系统设备信息化管理的设备树的系统特性。

1 发电厂系统设备树的系统关系描述需求

随着设备信息化管理的发展，设备树信息的日益完善，发电厂系统的构成要素的统计情况基本能达到全面性的要求，并以设备树的形式表现出来。

由此，对发电厂系统构成要素的关系的分析的需求逐渐突显出来。

而发电厂系统构成的设备具有封闭、稳定的特征，且设备功能具有明确的相互关系，这就意味着设备的功能相对明确、无歧义。

这就使我们对发电厂设备关系的描述中采用功能为线索的方式具有一定基础。

因此，通过对设备树各要素的关系的分析，当我们把设备树各要素的功能用特定关系线联结起来时，我们可以得到一个系统关系图。发电厂系统设备树的系统关系图是表示发电厂系统各要素关系的拓朴图。

2 设备树的系统化特性

2.1.体性

系统中各要素的特定组合或结构关系也是系统组成的要求之一，仅表示系统各要素并不能完全表示全系统。生产管理系统的设备树由发电厂的各个生产相关的系统组合而成，各系统执行电力生产相关的某个或某几个方面，其综合功能完成了发电厂生产检修运行整体功能，因此这个设备树具有整体性，即对系统的结构有明确的要求。

2.2.联性

关联性是指系统与其子系统之间、系统内部各子系统之间和系统与环境之间的相互作用、相互依存和相互关系。由于电力系统设备及环境的相对封闭的特点，系统的关联性主要表现在系统与其子系统之间和系统内部各子系统之间的关系，这类关系反应了系统功能的实现，而系统与环境之间的关系则主要反应了系统的稳定性。

2.3.次性

一个系统总是由若干子系统组成的，该系统本身又可看作是更大的系统的一个子系统，这就构成了系统的层次性。生产管理系统的设备树的层次性体现在发电厂的各子系统均具有一定同型性，或者具有相似的表现、或者具有近似的原理、或者具有相近的目标功能解释，可向上归敛收束到相对集中的大系统中，并共同完成电力生产的总体目标。如监控系统及其子系统在表现形式上同样具有输入/输出系统、逻辑处理系统、人机交互界面等组织结构。

3 设备树系统关系图的系统化特性

系统关系图就是把标注要素系统功能的要素框分层分布在系统框图中，并由特定关系连接线连接系统各要素系统功能，以描述系统关系的拓朴图。

3.1.统关系图的整体性

设备树系统关系图的整体性表现在相关功能的承续特性和组织结构的完整性和同型性。在实际设备上，反应于设备系统为明确功能目标实现而组织的设备状态数据采集、系统控制判断和系统控制执行功能模块，对于自动化设备还应包括反馈机制。对应于发电的总体功能，发电设备组合十分严密，尤其是一次主系统和机械系统，各组成部分息息相关，在特定运行条件下，设备只能作为一个整体来看。这部分系统构成，在系统关系图中以特定层次给以表示，这里命名为主系统运行层。即系统关系图中的主系统运行层其实是一组不宜分割的设备的集合，是一个完整功能实现的整体。

3.2.统关系图的关联性

设备树系统关系图的关联性表现在相关系统的关系均由关系连接线表示，同时由关系连接线表示出两者间关系的性质、方向。设备树系统关系图的关系连接线在实际设备上对应于设备间的电缆、光缆和各类油、水、气管路。关系连接线初步可分为信息传导、使能和执行两类。两类关系连接线均带有方向，如信息传导从信息发送端指向信息接收端，部分信息传导为互相收发信息的，也可以画作双向箭头表示。

3.3.统关系图的层次性

对应于运行维护工作实践，设备树系统关系图按人工的干预程度，可分别分层：

（1）设备运行状态

1）主系统运行层：发电设备运行时不可进行操作、维护的电气主设备构成主系统运行层。主系统运行层的设备在设备运行状态时主要关注设备的整体性，属于运行维护的黑箱部分，不是系统关系图的关注重点，因此，设备主体可根据主设备构成进行大范围的合并。主系统运行层是设备树系统控制的信息采集源头，是系统功能实现的信息采集层，同时也反馈系统控制指令执行的结果。主系统运行层是自动控制系统的被控元件和测量元件的集合体。

2）自动控制系统层：发电设备运行时可通过自动控制元件间接进行操作、维护的电气控制回路设备构成自动控制系统层。自动控制系统层的设备在设备运行状态时主要关注设备的测量和控制功能实现，属于间接运行维护设备，是系统关系图功能实现的核心，设备关系连接十分细致。自动控制系统层是系统功能实现的控制层。自动控制系统层是自动控制系统的控制元件和测量元件的集合体。

3）手动控制系统层：发电设备运行时可直接进行操作、维护的回路和元件构成手动控制系统层。手动控制系统层的设备在设备运行状态时可直接人工干预，是实际控制指令的执行层。一般情况下，可以认为手动控制系统层是在系统高度自动化的同时，仍需保留的手动控制回路和人为干预系统的其他手段。手动控制系统层是自动控制系统的执行元件和测量元件的集合体。

（2）设备检修状态

由于设备处于检修状态时，不存在主系统运行层这种不宜分割的设备集群，系统的功能线索也不能直接套用，因此，设备检修状态时仅对各子系统检验或试验的系统进行分析。这部分内容不在本文中详细讨论。

1）主系统运行层：设备检修状态时各子系统检验或试验的主体系统设备构成主系统运行层。

2）自动控制系统层：设备检修状态时各子系统检验或试验的自动控制功能设备构成自动控制系统层。

3）手动控制系统层：设备检修状态时各子系统检验或试验的实际控制指令的执行设备构成手动控制系统层。

（3）通过上述讨论可知：设备树系统关系图分为三层，既对应了人工干预程度，又分别对应系统主体的信息采集功能、控制功能和反馈执行功能等。电力系统的自动控制系统中存在大量相似的同型系统。

4 设备树系统关系图的绘制

4.1.统关系图的层次及设备框图的要求

首先，设备树系统关系图的绘制需要确定设备的层次位置及设备所具有的功能。设备层次根据设备受人工干预程度确定，在一定程度上反应了运行维护在各层的工作侧重点。

（1）对于主系统运行层：由于本层强调的是系统的整体性，对系统功能的信息采集有较详细的要求，而对设备物理组成的细节不太关注，因此，在设备框图中应尽可能合并相关设备范围，并且对信息采集的功能应尽量分类标明。

（2）对于自动控制系统层：由于本层是系统控制功能的核心，对于系统功能的实现的关联性的表现最为直观，相关设备之间的关系也最复杂，因此，应尽可能分解相关设备组成和功能，从而明确系统控制功能的核心元件。对于自动控制系统层的核心控制功能，应以特定方式归纳标示，如采用红色框表示。

（3）对于手动控制系统层：由于本层是控制指令的执行层，分解本层的关系可以细化控制指令执行过程，对事故处理和故障消缺具有积极意义，因此，应尽可能分解设备功能实现的过程。

（4）由于分层的原因，大量设备屏柜在不同层同时存在，应纵向对齐排列，明确为统一的主体，必要时以虚线框标示。

4.2.统关系图的关系连接线的要求

其次，设备树系统关系图的绘制需要确定各设备间的关系，并以适当的关系连接线表示出来。由于系统关系统图的关系连接线在实际设备上对应于设备间的电缆、光缆和各类油、水、气管路，在实际关系连接线确认时，也应同时确认所对应的物理连接及相应控制措施要点。

（1）对于主系统运行层：本层的主要关系为信息采集和控制指令执行，与本层相连的关系连接线主要表现：一是指向自动控制系统层的信息传导关系，即CT、PT、温度、压力等测量采样的传感器连接线缆和管路；二是执行元件影响主系统的最终连接关系，即开关、闸刀、导叶、球阀等。

（2）对于自动控制系统层：由于本层是系统控制功能的核心，关系连接线形式也最复杂多变，在有条件的情况下，一是应尽可能地分解设备关系的性质分类，对状态采集信息传输，经变换的信息数据传输，控制指令传输，电源连接等各类性质的关系分别设定不同形式（如线型）的关系连接线，二是应尽可能地分解设备关系的功能分类，对调速功能，电压调节功能等各类功能的关系分别采用有别于性质的不同形式（如颜色）的关系连接线。

（3）对于手动控制系统层：由于本层是控制指令的执行层，凡指向本层的系统连接线，包括自动控制系统层指向本层和本层之间的系统关系均为使能和执行关系。

4.3.统关系图的图例

以下图1为发电厂系统关系图的监控系统与保护系统关系的部分简化示例。

图1.控系统与保护系统关系的部分简化示例

5 设备树系统关系图的应用

设备树系统关系图的建立，可以对设备树系统化提供一个全面系统的分析平台，对提高设备信息化管理具有积极意义。

（1）可以根据系统功能理清各系统之间及内部关系，促进运维工作的系统化和标准化。

系统关系的本质联系是反应在系统功能上的，但设备运维的实践是对应于实际物理设备主体的，因此框图化的物理设备主体和设备框内功能子框的组织形式是一种有效的设备关系表示形式，一方面可以明确全系统的功能连接关系，另一方面也把相应设备屏柜框住的功能及相关联系突显出来。通过系统关系图的分析，让运维工作人员直观了解此设备是做什么用的，能影响哪些设备，能被哪些设备影响。系统关系图对设备运维系统化的基础工作有良好的促进作用。

一个完整全面的系统关系图，是一个相对稳定的系统结构，在主设备或相关控制设备更换、改造的情况下，系统关系也基本不会发生大的变化，基本上只是命名、编号的变动，只有极少数涉及原理的改动，才会影响到系统关系图。因此，在针对系统关系图建立的系统标准化作业过程，在相当程度上具有普遍意义，对设备运维的标准化作用较大。

（2）可以由系统关系图列出系统分界点及相关隔离措施，建立关键点安全措施库和系统危险点预控库。

系统关系图理清了系统的各种联系，同时也就能较快地把各种连接关系的主次及相关控制措施整理出来。并且由此整理的安全措施具有全面、主次分明以及可以分级控制的特点，在某一功能系列上，不仅可以列出全部的关联点，可以分出影响到系统主体的主要功能的关联点，还可以由某一特定功能，追朔到上级甚至更上级的控制关系部分，引入多级风险控制的机制。

在加强系统与环境关系的分析，以及加强检修状态下的系统关系的分析的情况下，系统关系图也可以用在危险点预控上，而且由此建立的危险点预控库也比较容易做得全面。

（3）通过软件可以重点突出系统关系图的关注部分。

由于全面的系统关系图是一个庞大复杂的网状结构，系统关系图难以在少量图纸上主次分明、各种形式关系分类明确，关系连接线的起止和相关控制措施要点详细明确地表现出来，因此，系统关系图宜采用子系统分解后分别建立子系统关系图，层层组织合并，最终统一组合分析的方式构建。由此建立的系统关系图，也难以直接读大图的方式解读，而是需要通过软件，选定关注范围，对所关注的范围临时分解出需要的系统关系图子图，以重点突出系统关系图的关注部分，屏蔽无关信息。

采用这种方式解读的系统关系图在使用和本图维护更新上更加便利，也更容易与生产管理系统对接。

6 小结

设备树系统是发电厂生产管理系统的重要组成部分，一个有效的设备树系统关系图能大大提高设备树在生产管理实践中的利用率，加强生产管理过程中的风险预控和设备管理标准化实施。设备树系统关系图，是具有一个核心和几条主干的多层复合网状结构，是一个设备网系统，能相对全面地反应发电厂系统的功能及实现过程。因此，深入研究发电厂设备系统关系图，具有重要意义。

[1]钱学森.论系统工程（新世纪版）[M].上海：上海交通大学出版社，2007.

[2]冯·贝塔朗菲.一般系统论基础发展和应用[M].林康义，译.北京：清华大学出版社，1987.

[3]龚剑超.浅谈设备管理信息化需求[J].水电站机电技术，2015,38（11）:61-64.

TP393

B

1672-5387（2017）09-0080-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.09.028

2017-06-19

戴建军（1970-），男，高级工程师，从事电气二次管理工作。