基于相似理論的智能監(jiān)盤系統(tǒng)研究

邱志勤

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

1 概述

水電站智能監(jiān)盤系統(tǒng)需實現(xiàn)對水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備、GIS開關(guān)站、泄洪設(shè)施進(jìn)行智能監(jiān)控，全面提取設(shè)備數(shù)據(jù)，獲取各設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確信息，實現(xiàn)對電站設(shè)備在運(yùn)行時進(jìn)行全過程監(jiān)視。智能監(jiān)盤系統(tǒng)必須滿足安全性原則、適應(yīng)性原則和高效性原則。安全性，該電站智能監(jiān)盤系統(tǒng)可以部署于安全I(xiàn)區(qū)或II區(qū)，且按滿足電力網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)要求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)從計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實時獲取監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲于智能監(jiān)盤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器。通過該智能監(jiān)盤系統(tǒng)結(jié)合水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，不斷提升運(yùn)行監(jiān)盤效率，降低電站運(yùn)行人員的監(jiān)盤強(qiáng)度，提高電站的安全穩(wěn)定水平。

2 智能監(jiān)盤系統(tǒng)功能需求

2.1 數(shù)據(jù)處理功能

對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)視，提取設(shè)備特征信息，實時掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，形成龐大的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)設(shè)定的監(jiān)視策略實現(xiàn)自動監(jiān)視、運(yùn)行趨勢的自動分析及異常趨勢的自動報警。為運(yùn)維人員提供更準(zhǔn)確、更可靠的數(shù)據(jù)信息，甄選電站最重要、最關(guān)心的監(jiān)控信息。對所有被控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、采集、計算，實現(xiàn)獨立于人工干預(yù)之外的主動智能監(jiān)視。

2.2 智能狀態(tài)趨勢分析

提取設(shè)備運(yùn)行特征曲線，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)，建立設(shè)備健康圖譜，定期形成設(shè)備健康評估報告。

采用變量相關(guān)性分析方法，針對不同設(shè)備、同一設(shè)備的不同工況建立獨立的個性化閾值，使得參數(shù)的報警閾值更具有實際意義。

2.3 提高監(jiān)盤效率

根據(jù)運(yùn)行管理要求定期進(jìn)行自動巡盤，對全站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)情況進(jìn)行分析對比，并形成報告供設(shè)備管理人員參考?？蓪λ袡C(jī)電設(shè)備的任意時間段自動生成運(yùn)行狀態(tài)分析報告。根據(jù)運(yùn)行設(shè)備分析需要，定期自動生成各系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行分析報告，對機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行全面評估。具備完善的報表生成功能，且報表可編輯修改。例如：開/停機(jī)次數(shù)、并網(wǎng)時間自動統(tǒng)計；生產(chǎn)日報、電量報表定點自動生成；泄洪閘門每次操作時間、次數(shù)、運(yùn)行時間等自動統(tǒng)計；泵的啟動次數(shù)、運(yùn)行時間、啟動周期等自動統(tǒng)計。根據(jù)現(xiàn)場工作需要，可自定義重點關(guān)注設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)報警值，輔助現(xiàn)場工作的安全開展。

2.4 其他功能

根據(jù)現(xiàn)場工作需要，可自定義重點關(guān)注設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)報警值，輔助現(xiàn)場工作的安全開展?？芍悄軈^(qū)分誤報警、傳感器故障及設(shè)備本身故障報警。對具體的設(shè)備報警設(shè)置多種觸發(fā)信號條件，根據(jù)動作信號進(jìn)行分析判斷，給出準(zhǔn)確的報警信號。系統(tǒng)的聲光報警功能應(yīng)具備獨立的復(fù)歸開關(guān)，即可在事故信號保持的情況下單獨復(fù)歸聲音報警或光字報警，且復(fù)歸后其他信號觸發(fā)時，應(yīng)再次啟動相應(yīng)的聲光報警，同時還具備徹底關(guān)閉聲音報警的功能。多個事故信號同時觸發(fā)的聲光報警在其中某一信號復(fù)歸時聲音報警或光字報警不復(fù)歸。多個語音報警同時發(fā)生時，應(yīng)該能夠區(qū)分重要程度，優(yōu)先播報高級別報警。系統(tǒng)頻繁發(fā)出報警，可以組合取消該報警信號，具備一鍵全部復(fù)歸功能?？梢蚤]鎖檢修設(shè)備光字、聲音報警，避免檢修設(shè)備頻繁報警干擾正常設(shè)備監(jiān)視。在保證信息安全的前提下，可將顯示終端延伸至集控中心。設(shè)備光字、報警聲音應(yīng)能保持至故障信號消失或人為干預(yù)，系統(tǒng)報警聲音大小可調(diào)。系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確記錄聲光報警功能閉鎖信號的操作人員及時間。智能監(jiān)控及輔助決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫應(yīng)以計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為主要數(shù)據(jù)來源，并實現(xiàn)自動從計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫同步更新至本系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)具備與電站時鐘同步系統(tǒng)自動對時的功能。

3 水電站智能監(jiān)盤研究重點

3.1 水電站機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控

根據(jù)設(shè)備的運(yùn)維特性，梳理、篩選所有特征參數(shù)，實現(xiàn)所有狀態(tài)遠(yuǎn)方采集和監(jiān)視，建立設(shè)備聯(lián)動機(jī)制，實現(xiàn)設(shè)備的智能監(jiān)視。

對于該問題，涉及到以下幾個關(guān)鍵技術(shù)，先進(jìn)行資源整合與信息共享，對設(shè)備對象的信息建模，根據(jù)運(yùn)維特性，梳理、篩選所有特征參數(shù)，建立綜合告警技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備智能監(jiān)視。①統(tǒng)一管理。要實現(xiàn)所有狀態(tài)遠(yuǎn)方采集和監(jiān)視，建立設(shè)備聯(lián)動機(jī)制，實現(xiàn)設(shè)備的智能監(jiān)視，必須先打破信息孤島、實現(xiàn)信息共享、形成業(yè)務(wù)流程的有效互動，必須全面整合一體化平臺數(shù)據(jù)、模型與功能，建立資源、數(shù)據(jù)、模型、服務(wù)、展示與分析的統(tǒng)一管理。②統(tǒng)一數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是所有業(yè)務(wù)功能的核心。傳統(tǒng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生信息孤島，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法共享的最大根源就是沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理。為了解決信息共享困難的問題，打破傳統(tǒng)信息孤島的現(xiàn)狀，必須建設(shè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)一體化平臺實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、處理、存儲和管理。統(tǒng)一數(shù)據(jù)必須實現(xiàn)統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)總線，各專業(yè)應(yīng)用都可以注冊實時數(shù)據(jù)總線，發(fā)布、接收實時數(shù)據(jù)；統(tǒng)一數(shù)據(jù)必須實現(xiàn)統(tǒng)一的歷史數(shù)據(jù)存儲，一體化平臺對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行抽取與處理，將整編結(jié)果集中存儲在同一個數(shù)據(jù)庫中，形成數(shù)據(jù)中心。③統(tǒng)一模型。傳統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的水電站信息模型，導(dǎo)致系統(tǒng)與系統(tǒng)之間通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)工作量大等問題。為了解決這些問題，必須建立實用、標(biāo)準(zhǔn)的水電站設(shè)備信息模型，并在各應(yīng)用功能中充分運(yùn)用，確保各業(yè)務(wù)信息的標(biāo)準(zhǔn)性、一致性與可共享性。④統(tǒng)一服務(wù)。在統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心與統(tǒng)一模型的基礎(chǔ)上，一體化平臺必須建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，改善業(yè)務(wù)集成，消除數(shù)據(jù)冗余，歸并整合業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)源端業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)邏輯統(tǒng)一、分布合理、干凈透明。統(tǒng)一服務(wù)包括數(shù)據(jù)服務(wù)與模型服務(wù)，各應(yīng)用模塊能夠通過服務(wù)接口獲取平臺內(nèi)所有的業(yè)務(wù)模型和數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的融合與跨業(yè)務(wù)流程互動。⑤統(tǒng)一分析。一體化平臺必須通過匯總、清洗、轉(zhuǎn)換、分析全部業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的方法，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)分析服務(wù)，實現(xiàn)跨專業(yè)數(shù)據(jù)的高效計算、智能分析和深度挖掘，為進(jìn)一步的智能應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

3.2 水電站機(jī)電設(shè)備趨勢分析

水電站機(jī)電設(shè)備趨勢分析包括突變分析、長期運(yùn)行分析、縱向環(huán)比分析以及橫向?qū)Ρ确治龅妊芯俊?/p>

為了提高報警有效性和運(yùn)維人員工作效率，使運(yùn)維人員能夠更加高效地掌控全廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，逐步出現(xiàn)以邏輯組合為觸發(fā)條件的綜合報警。綜合報警主要采用面向?qū)ο蟮姆绞剑瑢⑾嚓P(guān)的信息放在一起形成邏輯對象，通過相關(guān)信號狀態(tài)的邏輯組合或順序組合來確定報警的必要性。通過綜合報警，將原先系統(tǒng)中大量的過程信息過濾掉，只留下其中確實出現(xiàn)故障的報警信息，極大提升了水電站監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平。

不過綜合報警主要針對實時斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行報警，且報警限值必須人為確定。在電站實際運(yùn)行環(huán)境下，隨著實際生產(chǎn)環(huán)境的變化，某些物理量實際報警限值也會跟隨變化。比如在水電站剛投產(chǎn)的時候，由于水頭不高，機(jī)組定子溫度運(yùn)行在一個區(qū)間，當(dāng)投產(chǎn)若干年后，水頭上升，機(jī)組定子溫度就會運(yùn)行在另外一個區(qū)間。如果始終采用相同的報警限值，就會出現(xiàn)誤報警的情況。采用綜合報警的方式監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，就需要不斷的對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修正，導(dǎo)致大量的人工維護(hù)成本。

隨著人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，特別是各種前沿算法研究的持續(xù)深入，開始出現(xiàn)基于機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的報警系統(tǒng)。例如：基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的報警系統(tǒng)，“利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過誤差反向傳播，進(jìn)行自動學(xué)習(xí)”，自動從機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)中，“找出最接近于發(fā)電機(jī)組融合溫度表示的最佳溫度匹配狀態(tài)”。該類型的報警系統(tǒng)，充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，無需人為干預(yù)，動態(tài)的從歷史數(shù)據(jù)中找到相關(guān)物理量合適的運(yùn)行區(qū)間，并在生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀況越限時觸發(fā)報警，充分利用了實際生產(chǎn)設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，減輕了人工維護(hù)成本。

智能監(jiān)盤系統(tǒng)支持通過深度學(xué)習(xí)算法，挖掘歷史數(shù)據(jù)中的設(shè)備運(yùn)行規(guī)律，全面監(jiān)視并發(fā)現(xiàn)全廠設(shè)備的運(yùn)行異常，通過報警光字與語音方式提醒運(yùn)行人員注意，降低運(yùn)行人員工作負(fù)擔(dān)，提升水電站運(yùn)行管理水平。

采用智能趨勢算法(如聚類分析算法等)對設(shè)備變化趨勢(如緩變量)、變化率異常自動識別并及時產(chǎn)出告警，解決機(jī)組漏水、漏油、軸承溫度緩慢異常變化等問題。從多維度和不同工況分析設(shè)備性能和效率。通過設(shè)備突變趨勢分析、設(shè)備緩變趨勢分析、縱向趨勢分析、橫向趨勢分析進(jìn)行預(yù)警。①水庫水量預(yù)測，建立發(fā)電量和水庫水位的模型，可以預(yù)測剩下的水還能夠發(fā)多長時間的電。②溫度量趨勢預(yù)測，提供模擬量變化斜率監(jiān)視報警，如推力瓦溫上升速度過快，則進(jìn)行報警學(xué)習(xí)時間范圍設(shè)定。由于電站歷史數(shù)據(jù)中，包含正常數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)（包括檢修狀態(tài)，機(jī)組非正常運(yùn)行狀態(tài)等），故提出自學(xué)習(xí)可人工設(shè)定學(xué)習(xí)時間范圍。③泵動作時間和間隔變化趨勢，對經(jīng)常運(yùn)行的泵進(jìn)行動作時間和動作間隔統(tǒng)計比較，分析趨勢，提前告警可能出問題的泵。

4 智能監(jiān)盤系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

4.1 智能監(jiān)盤系統(tǒng)整體架構(gòu)

智能監(jiān)盤系統(tǒng)部署在安全I(xiàn)II區(qū)，由數(shù)據(jù)服務(wù)器、報警工作站、交換機(jī)、防火墻、隔離裝置、入侵檢測系統(tǒng)、顯示器、聲光報警器等組成（圖1）。數(shù)據(jù)的傳輸速率、數(shù)據(jù)的完整性應(yīng)滿足要求。

圖1 智能鍵盤系統(tǒng)整體架構(gòu)

4.2 智能監(jiān)盤系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

（1）報警功能后臺模塊包括：

1）實時數(shù)據(jù)接口：采用UnixC語言實現(xiàn)；接受監(jiān)控組播消息，并將數(shù)據(jù)存儲在報警功能的內(nèi)存結(jié)構(gòu)中。

2）綜合報警計算：采用UnixC語言實現(xiàn)；按照模型定義計算定義了綜合報警的節(jié)點。

3）健康區(qū)間報警：采用Java語言實現(xiàn)；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，掌握物理量實際運(yùn)行情況下的健康區(qū)間，如果超出該區(qū)域運(yùn)行則進(jìn)行報警。

4）趨勢報警計算：采用Java語言實現(xiàn)；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，掌握物理量變化的緩變與突變趨勢進(jìn)行報警。

5）健康報警與趨勢報警接口：采用UnixC語言實現(xiàn)；為健康區(qū)間報警和趨勢報警計算提供報警共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)接口。

6）報警層次計算：采用UnixC語言實現(xiàn)；按照設(shè)備樹，對最底層設(shè)備對象的節(jié)點報警狀態(tài)進(jìn)行逐層的統(tǒng)計和整理，底層報警觸發(fā)上一級對象的報警。

7）報警數(shù)據(jù)服務(wù)：采用UnixC語言實現(xiàn)；發(fā)布報警狀態(tài)信息，接收報警控制命令。

（2）報警功能前臺模塊包括：

1）報警主畫面：展示報警的整體情況，各LCU的主設(shè)備情況，并能索引到具體報警。

2）報警列表：以列表方式展示報警的詳細(xì)信息，如果存在趨勢和健康報警，可以索引打開趨勢和健康區(qū)間報警的曲線界面。

3）故障樹：以樹形方式展示報警的詳細(xì)信息，如果存在趨勢和健康報警，可以索引打開趨勢和健康區(qū)間報警的曲線界面。

4）模型定義：根據(jù)基礎(chǔ)測點，自動形成內(nèi)部模型樹；支持導(dǎo)入KKS模型；支持切換KKS模型、內(nèi)部模型的不同展示方式；常規(guī)報警在內(nèi)部模型樹創(chuàng)建成功后即可實現(xiàn)報警功能，同時支持自定義的報警組態(tài)。

5）報警數(shù)據(jù)接口：與報警系統(tǒng)后臺交互，獲取數(shù)據(jù)或下發(fā)控制。

5 智能監(jiān)盤數(shù)據(jù)

智能監(jiān)盤系統(tǒng)主要為實現(xiàn)重要模擬量趨勢監(jiān)測、重要輔助設(shè)備啟停事件統(tǒng)計、關(guān)鍵報警信號提示預(yù)警3大主要功能。功能需求如下：

5.1 實現(xiàn)重要模擬量變化趨勢監(jiān)測

當(dāng)實測值超過模擬量監(jiān)測設(shè)定閾值時，智能監(jiān)盤顯示界面對應(yīng)子模塊閃動報警提示，同時在監(jiān)視畫面對應(yīng)事件報警欄有相關(guān)報警信息推送，提醒監(jiān)盤人員及時查看處理。報警模塊變化顏色和報警事件顏色根據(jù)需要關(guān)注程度進(jìn)行區(qū)分：特別重要事件以紅色顯示，重要事件以黃色顯示，一般關(guān)注事件以綠色顯示。根據(jù)自主科研項目前期進(jìn)行的主要模擬量梳理，對發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中需要進(jìn)行變化趨勢監(jiān)測的模擬量梳理。

5.2 實現(xiàn)重要輔助設(shè)備啟停事件統(tǒng)計

機(jī)組重點需要統(tǒng)計機(jī)組開停機(jī)次數(shù)、并網(wǎng)時間；機(jī)組技術(shù)供水泵運(yùn)行時間、運(yùn)行次數(shù)。如表1所示。

表1

5.3 實現(xiàn)關(guān)鍵報警信號提示預(yù)警功能

通過前期的監(jiān)控事件點表報警事件梳理，整理出二灘水電站紅色事件、黃色事件、綠色事件關(guān)鍵報警信號，紅、黃、綠3色分別對應(yīng)第一、第二、第三優(yōu)先關(guān)注等級。在975條紅色報警事件、4 231條黃色報警事件、183條綠色報警事件中，針對每臺機(jī)組發(fā)電機(jī)部分梳理出35條紅色關(guān)鍵報警事件、50條黃色關(guān)鍵報警事件、7條綠色關(guān)鍵報警事件。對以上梳理出的各關(guān)注等級報警事件按系統(tǒng)劃分形成表格提示預(yù)警。

6 結(jié)語

基于人工智能、大數(shù)據(jù)的大型水電站智能監(jiān)盤系統(tǒng)[4～6]研究，重點是要設(shè)計合理的模型，確保數(shù)據(jù)處理的安全性和相應(yīng)的快速性。在布置智能監(jiān)盤系統(tǒng)時，要做好與計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的隔離，滿足網(wǎng)絡(luò)安全要求。智能監(jiān)盤的功能設(shè)置要適應(yīng)運(yùn)行人員的需要，以便達(dá)到智能監(jiān)盤的需求。