白鶴灘電站智能化建設(shè)實(shí)踐

楊廷勇，張官祥

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

1 引言

隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)日漸成熟，并在企業(yè)管理與生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。白鶴灘作為全球單機(jī)容量第一、總裝機(jī)容量第二的巨型水電站，順應(yīng)智能化應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，建設(shè)目標(biāo)是運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，對(duì)電站海量數(shù)據(jù)資源進(jìn)行深度挖掘與高級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，通過(guò)機(jī)組智能化運(yùn)維管理，實(shí)現(xiàn)工作效率、工作質(zhì)量及管理水平提升。

2 現(xiàn)狀分析

系統(tǒng)架構(gòu)方面，水電站主、輔系統(tǒng)一般都是自成體系，獨(dú)立組網(wǎng)，各系統(tǒng)間以硬接線為主進(jìn)行信息交互，存在以下問(wèn)題：

（1）各系統(tǒng)間界限不明，存在竄電風(fēng)險(xiǎn)；

（2）電纜敷設(shè)任務(wù)繁重，投資大；

（3）盤(pán)柜內(nèi)接線復(fù)雜，增加了設(shè)備故障點(diǎn)和設(shè)備維護(hù)工作量；

（4）設(shè)備后期如需增加信號(hào)，改動(dòng)工作量大；

（5）信號(hào)傳輸量有限，不滿足智能電站數(shù)據(jù)分析需求。

功能應(yīng)用方面，各電站依托各類信息系統(tǒng)開(kāi)展設(shè)備設(shè)施狀態(tài)診斷分析并取得了一定的成績(jī)。診斷分析實(shí)施依托各電廠技術(shù)骨干的專業(yè)技能與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)人工分析計(jì)算，并以各信息系統(tǒng)的部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)為輔，一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估分析，但系統(tǒng)智能分析功能欠缺。非實(shí)時(shí)的人工計(jì)算某些程度上能夠發(fā)現(xiàn)并預(yù)測(cè)設(shè)備健康狀態(tài)，但主要依靠運(yùn)維人員從海量的數(shù)據(jù)資源中提取設(shè)備特征數(shù)據(jù)，并不能實(shí)時(shí)全面掌控設(shè)備設(shè)施健康狀態(tài)，無(wú)法滿足電站本質(zhì)安全要求。

3 白鶴灘智能體系設(shè)計(jì)

3.1 體系架構(gòu)

白鶴灘電站體系結(jié)構(gòu)分為4 個(gè)層次，分別為數(shù)字設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)平臺(tái)層和高級(jí)應(yīng)用層，如圖1 所示。

圖1 白鶴灘電站體系架構(gòu)示意圖

數(shù)字設(shè)備層：通過(guò)數(shù)字輸入設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)樞紐電站基礎(chǔ)設(shè)施、機(jī)械、電氣設(shè)備、環(huán)境等對(duì)象的監(jiān)測(cè)與控制，為整個(gè)體系提供基礎(chǔ)數(shù)字化信息。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)原則為“分區(qū)分層、資源共享、全景上傳”，即I、II、III 區(qū)分別建立通信骨干網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層次分為現(xiàn)地局域網(wǎng)、廠房匯聚網(wǎng)及廠站中心網(wǎng)3 層，各系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)地局域網(wǎng)數(shù)據(jù)匯聚后接入廠房匯聚骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)全景數(shù)據(jù)上傳和系統(tǒng)間信息共享，提升了網(wǎng)絡(luò)資源復(fù)用率，同時(shí)采用分層分區(qū)、加密隔離等安全策略，保障了各系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立性和安全性，解決了“信息孤島”問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)了電站全景數(shù)據(jù)采集，為智能分析提供了數(shù)據(jù)支持。網(wǎng)絡(luò)層示意圖如圖2 所示。

圖2 白鶴灘電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)平臺(tái)層：系統(tǒng)采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建立私有企業(yè)云平臺(tái)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)智能需求，構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚分析的服務(wù)體系，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業(yè)云平臺(tái)。本系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用層就是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建立，如同3 所示。

高級(jí)應(yīng)用層： 本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的高級(jí)應(yīng)用有智能預(yù)警、智能巡檢、設(shè)備智能維護(hù)、智能報(bào)表等，建設(shè)目標(biāo)是提升工作效率，解放勞動(dòng)生產(chǎn)力，全面提高電站智能化水平。

3.2 主要功能

圖3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)示意圖

白鶴灘電站智能化建設(shè)功能設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)圍繞“三類”人，即“輔助人、替代人、超越人”?！拜o助人”指系統(tǒng)做出基本判斷，提供詳細(xì)分析報(bào)告及數(shù)據(jù)事件支撐，為人工決策提供信息支撐；“替代人”是指由系統(tǒng)完成以前人工完成的相關(guān)工作，運(yùn)維人員的主要工作是不斷完善系統(tǒng)算法機(jī)理，使系統(tǒng)相關(guān)結(jié)果更完善；“超越人”是指由系統(tǒng)完成以前人工完成的相關(guān)工作，在工作內(nèi)容、工作頻次、工作質(zhì)量等方面超越人工。相關(guān)主要功能如下：

3.2.1 故障預(yù)警

模塊工作原理為：當(dāng)設(shè)備運(yùn)行于某一穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘方法，對(duì)該工況下設(shè)備的歷史大數(shù)據(jù)特征值進(jìn)行學(xué)習(xí)，總結(jié)出該工況下設(shè)備的健康基準(zhǔn)值，將該值與設(shè)備當(dāng)前值比較，利用偏差分析法計(jì)算兩者相對(duì)偏差，形成動(dòng)態(tài)預(yù)警帶，從而判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正常。根據(jù)相對(duì)偏差的大小，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分為正常運(yùn)行階段、早期預(yù)警階段、缺陷階段和故障階段，工作原理如圖4 所示。

圖4 故障預(yù)警工作原理圖

可見(jiàn)，故障預(yù)警的核心思想是實(shí)現(xiàn)設(shè)備動(dòng)態(tài)預(yù)警，與傳統(tǒng)固定閾值報(bào)警有著本質(zhì)區(qū)別，具體如下：

（1）早期異常識(shí)別方面：設(shè)備早期異常特征非常不明顯，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)定的報(bào)警閾值，因此傳統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法產(chǎn)生報(bào)警信息，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)行人員也不易發(fā)現(xiàn)。新系統(tǒng)通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘計(jì)算出設(shè)備當(dāng)前工況的健康基準(zhǔn)值，能夠精準(zhǔn)識(shí)別出設(shè)備早期異常，產(chǎn)生預(yù)警信息，如圖5 所示。

（2）報(bào)警定值確定方面：傳統(tǒng)閾值報(bào)警的定值需要行業(yè)專家或者設(shè)備廠家提供，需要極強(qiáng)的專業(yè)性，動(dòng)態(tài)報(bào)警健康基準(zhǔn)值由設(shè)備歷史大數(shù)據(jù)特征值學(xué)習(xí)總結(jié)而來(lái)，是基于設(shè)備自身歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，而不是簡(jiǎn)單的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，更貼近設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況。

圖5 設(shè)備早期異常識(shí)別示意圖

（3）定值適應(yīng)性方面：傳統(tǒng)閾值報(bào)警的定值是預(yù)先設(shè)定的一個(gè)固定值，不隨設(shè)備運(yùn)行工況變化而變化，“以不變應(yīng)萬(wàn)變”；新系統(tǒng)定值是根據(jù)設(shè)備不同運(yùn)行工況計(jì)算而來(lái)，會(huì)隨設(shè)備運(yùn)行工況的改變發(fā)生相應(yīng)的變化，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性。

（4）報(bào)警處理及設(shè)備損壞方面：新系統(tǒng)能夠產(chǎn)生早期預(yù)警，而傳統(tǒng)系統(tǒng)只能夠產(chǎn)生缺陷報(bào)警，因此新系統(tǒng)故障預(yù)警后有更多的故障處理時(shí)間，對(duì)設(shè)備損壞也小很多。

故障預(yù)警功能定位為“輔助人”，主要提供預(yù)警信息，具體確認(rèn)及處理故障需要人工完成。

3.2.2 設(shè)備狀態(tài)分析

設(shè)備狀態(tài)分析模塊主要任務(wù)是代替人工對(duì)設(shè)備工作狀況進(jìn)行健康趨勢(shì)分析，模擬人工分析方法對(duì)各系統(tǒng)核心參數(shù)進(jìn)行健康狀態(tài)計(jì)算，包括日分析、周分析和月分析等類型，并按照預(yù)定格式和內(nèi)容自動(dòng)形成設(shè)備狀態(tài)分析報(bào)告。模塊工作基本過(guò)程與人工分析過(guò)程一致，具體如下：

（1）對(duì)象選?。焊鶕?jù)分析需求，按照系統(tǒng)選取分析對(duì)象。

（2）參數(shù)確定：從對(duì)象參數(shù)中選取能夠表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的典型參數(shù)，包括相關(guān)設(shè)備參數(shù)。

（3）數(shù)據(jù)治理：調(diào)取對(duì)象歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，以排除干擾數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（4）趨勢(shì)識(shí)別：繪制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)趨勢(shì)圖，自動(dòng)識(shí)別設(shè)備圖形變化趨勢(shì)，包括緩慢或快速上升、下降、突變等趨勢(shì)。

（5）報(bào)告生成：抽取設(shè)備運(yùn)行相關(guān)事件、數(shù)據(jù)及曲線，形成設(shè)備狀態(tài)診斷分析報(bào)告，并形成初步分析結(jié)論。

3.2.3 智能巡檢

智能巡檢功能是建立一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的、跨平臺(tái)的、一體化的管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)白鶴灘電站設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)巡檢與監(jiān)視，包含以下內(nèi)容：

（1）機(jī)組設(shè)備、計(jì)算機(jī)主機(jī)、交換機(jī)、路由器等實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程管理與診斷；

（2）操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)報(bào)警及錯(cuò)誤日志信息管理及分析；

（3）應(yīng)用程序遠(yuǎn)程監(jiān)視、報(bào)警及錯(cuò)誤日志信息管理分析；

（4）電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視；

（5）日常自動(dòng)巡檢內(nèi)容及頻率定制管理；

（6）通信報(bào)文智能分析；

（7）運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析。

智能分析最終目標(biāo)是達(dá)到全部信息在安全Ⅲ區(qū)匯集，在Ⅲ區(qū)局域網(wǎng)內(nèi)任意一臺(tái)工作站或服務(wù)器上就能夠完成對(duì)全廠主要設(shè)備運(yùn)行信息的自動(dòng)收集和報(bào)警信息的自動(dòng)推送，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行維護(hù)設(shè)備狀態(tài)的高密度、全覆蓋的巡檢與監(jiān)視。

4 結(jié)論

結(jié)合水電行業(yè)實(shí)際情況和當(dāng)前人工智能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，白鶴灘電站智能化建設(shè)目標(biāo)定位為“三類人”，并據(jù)此將相關(guān)功能劃分定位，功能設(shè)計(jì)緊密結(jié)合電站人員日常工作內(nèi)容，切實(shí)減少、減輕人工勞動(dòng)量，對(duì)于提高勞動(dòng)效率、提升工作質(zhì)量、解放勞動(dòng)生產(chǎn)力都將發(fā)揮積極的促進(jìn)作用。