梯級水電廠遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)中狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)規(guī)劃與研制

萬 元 ，魏志鵬

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

0 引言

實(shí)現(xiàn)水電廠由傳統(tǒng)的‘計(jì)劃維修’方式到更科學(xué)的‘狀態(tài)檢修’方式轉(zhuǎn)變，是國內(nèi)乃至國際水電行業(yè)多年來一直為之奮斗的目標(biāo)。而要實(shí)現(xiàn)‘狀態(tài)檢修’，機(jī)組及公用開關(guān)站運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累、分析是一個必經(jīng)階段。實(shí)時(shí)監(jiān)測和定性定量分析是此后中國水電事業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路[1]。

由于梯級水電廠群遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)收集了遠(yuǎn)程水電廠幾乎全部的狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些信息能夠反映水電廠設(shè)備的運(yùn)行健康狀態(tài)，因此有必要利用遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)收集的海量信息，建立的一套遠(yuǎn)程狀態(tài)診斷系統(tǒng)，該狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)引入設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷領(lǐng)域，是一種通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接將分布于各機(jī)組及公用開關(guān)站的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集監(jiān)測及分析診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水電廠設(shè)備運(yùn)行狀況的在線監(jiān)測，既可以實(shí)時(shí)反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，也可以對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷分析，以豐富的專家經(jīng)驗(yàn)支持電廠運(yùn)行，并提供檢修指導(dǎo)。即可在電站局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測及分析，也可以在互聯(lián)網(wǎng)上遠(yuǎn)程使用狀態(tài)監(jiān)測及趨勢分析系統(tǒng)[2]。

五凌電力有限公司（以下簡稱：五凌公司）積極推進(jìn)梯級水電廠群遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)建設(shè)[3]，本文以此為契機(jī)，規(guī)劃了水電廠設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測的主要功能，并在五凌公司梯級電廠遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)上建立了狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)硬件平臺與軟件平臺，目前，該子系統(tǒng)中泵設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與分析功能已經(jīng)投入試運(yùn)行，成功地檢測出遠(yuǎn)程水電廠的兩次故障。

1 狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)功能規(guī)劃

梯級水電廠遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)幾乎收集了水電廠機(jī)組及輔助設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)，目前，對于國內(nèi)已建成的遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)主要是為實(shí)現(xiàn)水電廠的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，沒有對狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)分析，只能給出實(shí)時(shí)報(bào)警或者一些簡單信息的趨勢分析，這無疑造成了信息的浪費(fèi)。因此，有必要對遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)收集的信息實(shí)施深層次的分析，以評價(jià)水電廠機(jī)組及輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷，提高水電廠的自動化維護(hù)水平。水電廠設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的具體原理見圖1所示。

圖1 水電廠設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷原理

主要通過以下兩個步驟實(shí)現(xiàn)水電廠設(shè)備遠(yuǎn)程診斷與分析。

（1）結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)地試驗(yàn)結(jié)果、典型案例分析結(jié)果等信息，采用關(guān)聯(lián)分析、對比分析等多種策略，對集控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行離線分析與總結(jié)，抽象出水電廠設(shè)備遠(yuǎn)程診斷的運(yùn)行特征提取策略與遠(yuǎn)程分析與診斷策略。

（2）利用運(yùn)行特征提取策略從集控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中提取反映機(jī)組運(yùn)行健康狀態(tài)的特征信息，利用分析與診斷策略對提取的特征進(jìn)行計(jì)算與分析，最終評價(jià)水電廠設(shè)備的運(yùn)行健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障診斷。

目前，已設(shè)計(jì)的水電廠設(shè)備遠(yuǎn)程診斷和分析的功能包括以下幾方面。

1）結(jié)合機(jī)組水頭、負(fù)荷等運(yùn)行狀態(tài)，對油泵、備用油泵、漏油泵、技術(shù)供水泵、取水泵、各種氣泵、各種排水泵等啟/停時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)泵啟/停時(shí)間及專家定義的閾值，對泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動診斷。

2）在油泵啟動過程中，對油位上升速度進(jìn)行分析，以評價(jià)油泵的健康狀態(tài)；在油泵停止過程中，分析壓油槽油位的下降速度，以檢測是否存在漏油故障；根據(jù)高壓油箱補(bǔ)氣過程中油壓上升速度，以評價(jià)氣泵的補(bǔ)氣性能，根據(jù)高壓油箱非補(bǔ)氣過程中油壓的下降速度，診斷是否存在嚴(yán)重的漏氣故障；

3）結(jié)合振動擺度測量裝置，分析在各種水頭、機(jī)組負(fù)荷下，機(jī)組大軸擺度、上下機(jī)架及定子鐵心及機(jī)架振動、尾水壓力及渦殼壓力等信息量的特性，診斷機(jī)組是否存在運(yùn)行穩(wěn)定性故障。

4）在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，自動計(jì)算上導(dǎo)油箱油位、下導(dǎo)油箱油位、水導(dǎo)油箱油位，推力油箱油位每日的下降速度，診斷是否存在相應(yīng)設(shè)備的漏油事故；在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)頂蓋排水泵處于停泵狀態(tài)下，計(jì)算頂蓋積水水位的上升速度，檢測頂蓋密封情況，統(tǒng)計(jì)頂蓋排水泵工作過程中，頂蓋水位的消落速度，評價(jià)頂蓋排水泵的排水性能。

5）建立機(jī)組溫度分析策略，實(shí)現(xiàn)測溫回路故障的自動診斷功能，分析機(jī)組定子鐵心及線圈溫度、導(dǎo)軸承溫度等與機(jī)組視在功率的關(guān)系，完成溫度異常的自動診斷。分析主變繞組與主變視在功率、周圍環(huán)境溫度的關(guān)系，比較在同視在功率下主變繞組的溫度變化趨勢，實(shí)現(xiàn)主變故障的有效診斷。

要實(shí)現(xiàn)水電廠設(shè)備的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測，首先必須建立相應(yīng)的專家診斷知識庫，建立狀態(tài)特征與相應(yīng)故障的對應(yīng)關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障診斷與故障原因定位。

目前，已建立了壓油泵、備用壓油泵異常啟停的與故障對應(yīng)關(guān)系。具體見表1所示[1]。

表1 壓油泵、備用壓油泵異常啟停與故障對應(yīng)表

因此，實(shí)時(shí)采集壓油泵、備用壓油泵啟停時(shí)間，根據(jù)表1中列出的壓油泵、備用壓油泵異常啟停的與故障對應(yīng)關(guān)系，便可有效診斷機(jī)組相應(yīng)的故障。

2 系統(tǒng)硬件及軟件

2.1 硬件平臺

狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)以大型數(shù)據(jù)庫Oracle 10g為數(shù)據(jù)倉庫，以H9000 V4.0計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)為主要監(jiān)測分析數(shù)據(jù)來源。為了擴(kuò)展系統(tǒng)功能，系統(tǒng)為在線監(jiān)測、故障診斷等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接入功能，可將其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全高效接入本系統(tǒng)。

系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程分析功能，可同時(shí)使用多臺WEB發(fā)布服務(wù)器聯(lián)合運(yùn)行以提高系統(tǒng)可靠性，各WEB服務(wù)器采用IIS 6.0 Internet信息服務(wù)單元為趨勢分析系統(tǒng)提供Web數(shù)據(jù)服務(wù)，可滿足大量用戶同時(shí)使用。為了減輕Web服務(wù)器負(fù)擔(dān)，保證系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行，Web服務(wù)器只提供數(shù)據(jù)檢索及部分?jǐn)?shù)據(jù)操作與高級趨勢分析等服務(wù)，一般的數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)運(yùn)算處理由客戶端完成，從而提高了服務(wù)器的可靠性及時(shí)效性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)的具體硬件結(jié)構(gòu)見圖2所示：

圖2 系統(tǒng)硬件平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在安全I(xiàn)II區(qū)建立系統(tǒng)的硬件平臺（數(shù)據(jù)分析服務(wù)器），符合《電力系統(tǒng)二次安防若干規(guī)定》。建立系統(tǒng)平臺的根據(jù)包括以下幾個方面[2]：

（1）數(shù)據(jù)分析服務(wù)器是課題研究的物質(zhì)基礎(chǔ)，集中監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過站內(nèi)通訊服務(wù)器經(jīng)正向隔離裝置發(fā)送到數(shù)據(jù)分析服務(wù)器，作為數(shù)據(jù)分析服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來源。

（2）集中監(jiān)控系統(tǒng)安全I(xiàn)II區(qū)建立了web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)分析服務(wù)器可以從web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中獲得歷史數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對各種電力設(shè)備的運(yùn)行信息進(jìn)行歷史趨勢反演，找到趨勢劣化的嫌疑設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷。

（3）WEB發(fā)布服務(wù)器通過防火墻對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，用戶只需要訪問WEB服務(wù)器，即可實(shí)現(xiàn)對泵設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷分析。

（4）遠(yuǎn)程集控中心收集電廠遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的方法則是通過兩臺遠(yuǎn)程通信服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程通信服務(wù)器通過電力專用通信通道（主用通道）和電信專用通信通道（備用通道）與電廠監(jiān)控系統(tǒng)相連，接收各個電廠監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，電廠監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程通信服務(wù)器采用IEC60870-5-104協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

2.2 軟件平臺

軟件采用VC#2005設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)融合了B/S與C/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，成功地解決了單獨(dú)采用B/S或C/S結(jié)構(gòu)不能完全滿足要求的問題[4]。軟件平臺設(shè)計(jì)采用全開放式軟件設(shè)計(jì)方法，故障類型、檢測條件與方法、邏輯推理機(jī)制、故障定位準(zhǔn)則等全部可在后臺配置，前臺軟件僅顯示診斷結(jié)果，從而增加了軟件的靈活性。整個軟件平臺分為配置軟件，后臺軟件與客戶端軟件。

（1）配置軟件設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)需要有良好的擴(kuò)展性、通用性及可移值性，狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)的所有參數(shù)設(shè)置及相關(guān)量條件設(shè)置采用獨(dú)立的軟件設(shè)計(jì)，用戶可以通過WEB或應(yīng)用程序進(jìn)行靈活配置。數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取及各參數(shù)配置設(shè)置豐富、配置靈活、使用方便，友好的人機(jī)交互界面，滿足現(xiàn)場專家的需求。圖3為泵故障類型配置軟件。

圖3 泵故障類型配置

（2）后臺分析軟件設(shè)計(jì)

后臺分析軟件運(yùn)行在后臺分析診斷服務(wù)器，由于是后臺運(yùn)行，因此要求軟件安全、可靠、報(bào)警準(zhǔn)確。在設(shè)計(jì)開發(fā)本軟件時(shí)，通過了詳細(xì)的分類分析處理及多種容錯方法，使軟件具有高度的安全可靠性，能夠根據(jù)用戶的配置實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確診斷泵設(shè)備，為前臺客戶端提供可靠的分析診斷數(shù)據(jù)等，經(jīng)過一段的測試運(yùn)行證明后臺分析診斷準(zhǔn)確可靠。

（3）客戶端程序界面設(shè)計(jì)

客戶端軟件是人機(jī)交互的主要界面，因此要求軟件設(shè)計(jì)除具有安全可靠外，還需要有友好的人機(jī)交互，能夠適應(yīng)不同用戶的需要，既要功能豐富又要操作簡便。為了使系統(tǒng)具體良好的通用性、可擴(kuò)展性，在設(shè)計(jì)時(shí)使用了通用配置文件，用戶不需要單獨(dú)為客戶端界面做額外的配置工作，只要配置了泵數(shù)據(jù)，就可以在客戶端方便的監(jiān)測各泵設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及后臺實(shí)時(shí)診斷數(shù)據(jù)，并可以自定義界面外觀等。軟件主界面友好簡潔，但這并不意味著功能單一，用戶可以在需要時(shí)從界面上查看更為詳細(xì)的啟停統(tǒng)計(jì)圖形、啟停詳細(xì)數(shù)據(jù)表、故障類型參數(shù)等，很好的滿足了用戶的需求。圖4為泵設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測的客戶端主界面。

圖4 泵設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測的客戶端主界面

3 系統(tǒng)的工程試運(yùn)行

目前，本文建立的水電廠設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)中泵設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與分析功能已經(jīng)投入試運(yùn)行，成功地檢測出遠(yuǎn)程水電廠的兩次故障。

五凌公司某水電廠的高壓氣系統(tǒng)包括高壓氣罐氣壓與高壓氣機(jī)（共三臺輪換啟動），2011-6-23日02:41:00，1號高壓氣機(jī)啟動后，持續(xù)運(yùn)行30 min后不停運(yùn)，在1號泵運(yùn)行過程中，高壓氣罐氣壓在泵開始啟動過程中持續(xù)上升，上升到快接近停泵壓力后，即使1號高壓氣機(jī)啟動，壓力值卻持續(xù)降低，高壓氣機(jī)的運(yùn)行無法使高壓氣罐到達(dá)停泵壓力，并且，在該段時(shí)間內(nèi)，該水電廠（共裝有4臺機(jī)組）1號～4號機(jī)組的補(bǔ)氣閥沒有開啟，即高壓氣罐沒有向1號～4號機(jī)組的調(diào)速壓油槽裝置補(bǔ)氣，啟動狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)對相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖5所示，系統(tǒng)監(jiān)測的結(jié)果與現(xiàn)場維護(hù)人員的人工監(jiān)測結(jié)果完全一致，都診斷為高壓氣系統(tǒng)漏氣故障。

同一水電廠2011-6-23日15:14:46時(shí)刻，在1 h之內(nèi)，3號、1號高壓氣機(jī)連續(xù)啟動，泵啟動的間隔時(shí)間短，高壓氣罐氣壓力下降速度很快，并且，在該段時(shí)間內(nèi)，該電廠1號～4號機(jī)組的補(bǔ)氣閥沒有開啟，即高壓氣罐沒有向1號～4號機(jī)組的調(diào)速壓油槽裝置補(bǔ)氣，啟動高壓氣系統(tǒng)遠(yuǎn)程分析平臺對相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖5所示，系統(tǒng)監(jiān)測的結(jié)果與現(xiàn)場維護(hù)人員的人工監(jiān)測結(jié)果完全一致，都診斷為高壓氣系統(tǒng)漏氣故障。

圖5 故障診斷結(jié)果

通過電廠兩次實(shí)際故障的有效檢測，證明了本文建立的狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)語

鑒于實(shí)施狀態(tài)檢修是是國內(nèi)外水電行業(yè)多年來重點(diǎn)研發(fā)的項(xiàng)目這一情況，本文提出了利用梯級水電廠遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源構(gòu)建水電廠遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測平臺的新思路，規(guī)劃了系統(tǒng)的功能，構(gòu)建了狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)的硬件平臺與軟件平臺，從應(yīng)用情況上來說，效果較為明顯，不僅節(jié)約了工程成本，避免了信息的浪費(fèi)，還為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研制者提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。目前，狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)的部分功能已投入試運(yùn)行，效果良好。

當(dāng)前，水電廠設(shè)備的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與故障診斷研究成果不是很多，技術(shù)上還不完全成熟，本文建立的水電廠遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)研究和實(shí)踐可為水電機(jī)組在線監(jiān)測與分析提供參考。

[1]趙 晶.水輪機(jī)調(diào)速油系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與分析[碩士論文][D].湖北:華中科技大學(xué),2007.

[2]田啟榮，胡春林，萬 元，等.跨流域水電廠群遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)高級功能規(guī)劃與應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù).2011（3）.

[3]魏志鵬，萬 元.五凌公司多流域水電廠群集中監(jiān)控系統(tǒng)的整體規(guī)劃與建設(shè) [A].中國水力發(fā)電工程學(xué)會梯級調(diào)度控制專委會2010年年會[C]，2010.

[4]羅 云，李朝暉.面向維護(hù)的水力發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視方法[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2007,31（1）.