火電廠電量水量平衡管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱曉瑾 封立林 年珩

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.023

摘? 要：針對(duì)現(xiàn)今火電廠中電量、水量在線監(jiān)測(cè)和平衡管理所面臨的問題，提出了一種火電廠電量、水量平衡監(jiān)測(cè)和信息化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示、故障診斷與告警、安全趨勢(shì)分析等具體功能，并采用了基于改進(jìn)Pearson相關(guān)系數(shù)法的安全趨勢(shì)分析方法。該系統(tǒng)可應(yīng)用于指導(dǎo)電量、水量平衡調(diào)度，為火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：平衡監(jiān)測(cè);信息化管理;火電廠;系統(tǒng)設(shè)計(jì);改進(jìn)Pearson相關(guān)系數(shù)法

中圖分類號(hào)：TP311.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：2096-4706（2021）08-0078-04

Design on Power and Water Quantity Balance Management System in?Fossil-fuel Power Station

ZHU Xiaojin1，F(xiàn)ENG Lilin2，NIAN Heng3

（1.Zhejiang Zheneng Taizhou No.2 Power Generation Co.，Ltd.，Taizhou? 317109，China;

2.Zhejiang Zheneng Electric Power Co.，Ltd.，Hangzhou? 310007，China;3.Zhejiang University，Hangzhou? 310058，China）

Abstract：Aiming at the faced problems of online monitoring and balance management for power and water quantity in fossil-fuel power station at present，this paper puts forward a design scheme for power and water quantity balance monitoring and informatization management system in fossil-fuel power station，which includes data acquisition，data processing，data display，fault diagnosis and alarm，safety trend analysis and other specific functions. And a safety trend analysis method based on improved Pearson correlation coefficient method is adopted. The system can be used to guide the balance scheduling of the power and water quantity，and provide technical reference for the power and water quantity balance management system in fossil-fuel power station.

Keywords：balance monitoring;informatization management;fossil-fuel power station;system design;improved Pearson correlation coefficient method

0? 引? 言

現(xiàn)階段，我國(guó)在電力生產(chǎn)方式方面大體展現(xiàn)出多樣化發(fā)展的趨勢(shì)，但作為傳統(tǒng)發(fā)電主體的火力發(fā)電廠在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，仍然將占據(jù)著我國(guó)發(fā)電行業(yè)的主體地位。然而，隨著國(guó)家對(duì)于生態(tài)環(huán)境問題的日益重視，對(duì)于傳統(tǒng)火電行業(yè)的生產(chǎn)流程也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。完善傳統(tǒng)火力發(fā)電的發(fā)電流程，更高效率地優(yōu)化對(duì)火力發(fā)電過程中生產(chǎn)物料的利用，已經(jīng)成為火電行業(yè)發(fā)展的重要方向。

隨著我國(guó)對(duì)于火電行業(yè)能效環(huán)保要求的不斷提高，火電廠所面臨的水資源利用效率和生態(tài)環(huán)境問題變得日益凸顯^[1]。因此，深入研究火電廠水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水平衡的高效運(yùn)行，是對(duì)現(xiàn)代火力發(fā)電廠的重要要求之一。此外，我國(guó)正處于現(xiàn)代化建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)于電氣網(wǎng)絡(luò)的性能要求也越來越高。目前，大部分火電廠仍保持運(yùn)行的傳統(tǒng)電氣設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中無法實(shí)現(xiàn)高效的電量監(jiān)測(cè)和安全管控要求。因此，還必須提高對(duì)火電廠電氣網(wǎng)絡(luò)和信息化管理技術(shù)的研究和優(yōu)化力度^[2]。

由于國(guó)家保護(hù)生態(tài)環(huán)節(jié)政策的要求和提高火電廠能效指標(biāo)的需求^[3，4]，火電廠亟須一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和信息化管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電量、水量平衡管理的合理高效運(yùn)行，提高火電廠水電平衡信息化管理的運(yùn)行效率。近年來，信息技術(shù)與數(shù)字管理技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在眾多工業(yè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，火力發(fā)電行業(yè)也不例外^[5，6]?，F(xiàn)階段，火力發(fā)電廠的水電管理系統(tǒng)逐漸朝著智能化、信息化和數(shù)字化方向發(fā)展，不僅實(shí)現(xiàn)了水電平衡管控效率的有效提升，而且有效保障在線管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行安全。

鑒于以上問題，本文以浙江某火電廠為依托，結(jié)合其實(shí)際基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)，開發(fā)了基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)，在線監(jiān)測(cè)火電廠發(fā)電過程中的電量、水量平衡關(guān)系，實(shí)時(shí)管理生產(chǎn)過程中的水電平衡。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合圖形化數(shù)據(jù)展示極大地提高了數(shù)據(jù)可讀性和信息化管理能力，為火電廠信息化管理監(jiān)測(cè)提供了全新的模式。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文所設(shè)計(jì)的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)是以安全、穩(wěn)定、節(jié)能為目標(biāo)的信息化智慧管理平臺(tái)，融合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、故障預(yù)警、任務(wù)分配、設(shè)備全生命周期管理等功能，以專業(yè)化技術(shù)、專家型應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)水電智慧管理?；痣姀S電量、水量平衡管理系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)儀表、采集終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理層、高級(jí)應(yīng)用層五部分組成。其硬件部分按設(shè)計(jì)規(guī)模配置，具有可擴(kuò)展性，并留有后期接口，而相應(yīng)的應(yīng)用軟件則按最終規(guī)模設(shè)計(jì)。

1.2? 理論支撐

火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)對(duì)公司內(nèi)所有電能表、水表進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，包括關(guān)口電能表、#1和#2機(jī)主設(shè)備電能表、10 kV系統(tǒng)的電能表、380 V系統(tǒng)的電能表，化學(xué)制水、工業(yè)水、生活水、回用水、自來水五大管網(wǎng)的電磁流量計(jì)、水表等，將采集來的各種數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)形式傳送至火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算與分析，建立公司級(jí)電量、水量平衡管理模型。

在本文的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，借鑒了電力系統(tǒng)信息交互標(biāo)準(zhǔn)化的成熟經(jīng)驗(yàn)，基于DL/T 890.301CIM標(biāo)準(zhǔn)建立了母線、變壓器、斷路器、電力電纜、電力負(fù)荷等電力設(shè)備模型，并拓展水管道、水閥門、水泵、蓄水池、水負(fù)荷等水資源輸送、存儲(chǔ)、消費(fèi)設(shè)備模型。然后根據(jù)設(shè)備之間的連接關(guān)系，按照從源端到荷端的方向深度遍歷，分別將電網(wǎng)和水網(wǎng)各設(shè)備參數(shù)及其連接關(guān)系入庫，即建立了電氣、水網(wǎng)絡(luò)模型。

通過對(duì)火電廠的電量、水量平衡管理模型進(jìn)行建模，電網(wǎng)和水網(wǎng)各設(shè)備的物理參數(shù)和相互之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系將以數(shù)學(xué)模型的方式填入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，以便于后續(xù)的高級(jí)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)用。

1.3? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)是具有完整能源監(jiān)控、管理、分析和優(yōu)化功能的管控一體化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)整體組成架構(gòu)一共包括5個(gè)層級(jí)，自底向上分別是：

用戶層：用于輸入能源系統(tǒng)各部分相關(guān)能源數(shù)據(jù)，包括燃電力系統(tǒng)、水系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)等;

數(shù)據(jù)層：為了滿足大數(shù)據(jù)采集需要，滿足異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合和綜合展示，在數(shù)據(jù)層要構(gòu)建混合硬件平臺(tái)。支持混合操作系統(tǒng)，采用中間件技術(shù)保證系統(tǒng)的可移植性，并采用分布式網(wǎng)絡(luò)通信來增加系統(tǒng)的靈活性和可靠性。在數(shù)據(jù)層構(gòu)建大數(shù)據(jù)采集控制與管理分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型數(shù)據(jù)的采集處理、監(jiān)視控制，以及大數(shù)據(jù)的管理分析功能，打造一體化的多能全數(shù)據(jù)分析中心;

平臺(tái)層：在統(tǒng)一應(yīng)用支撐平臺(tái)基礎(chǔ)上結(jié)合在線監(jiān)測(cè)、運(yùn)行管理、移動(dòng)服務(wù)等功能，為能源管控系統(tǒng)的運(yùn)行提供平臺(tái)支撐。同時(shí)平臺(tái)層的軟件模塊具備開放性，支持不同層面應(yīng)用功能的二次開發(fā);

應(yīng)用層：主要由六大應(yīng)用組成，包括數(shù)據(jù)視圖、在線監(jiān)測(cè)、電量平衡報(bào)表、水量平衡報(bào)表、告警管理、信息管理;

服務(wù)層：借助平臺(tái)以及基礎(chǔ)應(yīng)用，提供包括電廠水電平衡分析、管網(wǎng)壓力與安全趨勢(shì)分析、電廠故障診斷預(yù)警、能源需求側(cè)智能互動(dòng)等服務(wù)。

1.4? 功能設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)的具體功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示、故障診斷與告警，以及安全趨勢(shì)分析等環(huán)節(jié)。

1.4.1? 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)用于對(duì)電量、水量平衡管理系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集量測(cè)。其中電量數(shù)據(jù)采集對(duì)象包括一次設(shè)備的有功、無功、電壓、電流等模擬量，以及開關(guān)位置、隔離刀閘位置、接地刀閘位置等開關(guān)狀態(tài)量;二次設(shè)備的保護(hù)信號(hào);一次、二次設(shè)備的狀態(tài)信號(hào);上層系統(tǒng)下發(fā)的控制信號(hào)以及終端上傳的數(shù)據(jù)等。

水量數(shù)據(jù)采集對(duì)象包括各種水資源在管道中的流量、壓力等模擬量，以及水泵、閥門狀態(tài)量;水質(zhì)量指標(biāo)以及終端上傳的數(shù)據(jù)等。

1.4.2? 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)數(shù)據(jù)類型，分為模擬量處理、狀態(tài)量處理、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、數(shù)據(jù)記錄等，其中：模擬量處理包括數(shù)據(jù)有效性檢查、數(shù)據(jù)過濾、零漂處理、上下限值處理、數(shù)據(jù)變化率處理和單位轉(zhuǎn)換等;狀態(tài)量處理包括雙位遙信處理、誤遙信處理、人工輸入、動(dòng)作計(jì)時(shí)和動(dòng)作計(jì)數(shù)等;統(tǒng)計(jì)計(jì)算：根據(jù)調(diào)度運(yùn)行的需要，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以靈活定制計(jì)算公式，比如數(shù)值統(tǒng)計(jì)、極值統(tǒng)計(jì)、次數(shù)統(tǒng)計(jì)等;數(shù)據(jù)記錄：根據(jù)事件類型、線路、設(shè)備類型、動(dòng)作時(shí)間等條件對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分類檢索、顯示和打印輸出。

1.4.3? 數(shù)據(jù)展示

數(shù)據(jù)的圖形化展示為組態(tài)化界面，支持圖元編輯、圖形編輯、圖形展示，在圖形界面上可視化展示各電氣、水網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在系統(tǒng)中的位置、測(cè)量數(shù)據(jù)和運(yùn)行工況。圖形化展示使用戶可以方便地與系統(tǒng)交互，實(shí)時(shí)展示能源信息，監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行情況、查詢有關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、下達(dá)命令，以及執(zhí)行各應(yīng)用的相關(guān)操作。

1.4.4? 故障診斷與告警

系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的報(bào)警信息，可以通過報(bào)警界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。用戶可在實(shí)時(shí)報(bào)警界面內(nèi)察看到系統(tǒng)當(dāng)前的所有報(bào)警，也可設(shè)置條件檢索任意時(shí)段任意類型的歷史報(bào)警。

報(bào)警信息在線綜合處理、顯示與推理，支持匯集和處理各類告警信息，對(duì)大量報(bào)警信息進(jìn)行分類管理和存儲(chǔ)，對(duì)不同需求形成不同的報(bào)警顯示方案，利用形象直觀的方式提供全面綜合的報(bào)警提示，方便用戶的運(yùn)行監(jiān)視。

1.4.5? 安全趨勢(shì)分析

結(jié)合管道模型和歷史故障信息，通過采集在供水高峰時(shí)間段的水管壓力不穩(wěn)定的工況數(shù)據(jù)，建立基于非機(jī)理性的故障診斷模型。根據(jù)該模型能夠分析出水管壓力不穩(wěn)定故障相關(guān)的特征工況，并通過與實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)的對(duì)比實(shí)現(xiàn)對(duì)水管網(wǎng)絡(luò)漏水段的快速定義。此外，還可通過對(duì)水管網(wǎng)絡(luò)壓力健康度進(jìn)行評(píng)估與預(yù)警，以避免類似故障的再次發(fā)生。水管網(wǎng)絡(luò)安全趨勢(shì)分析的整理工作流程如圖2所示。

Pearson相關(guān)系數(shù)法是一種被廣泛應(yīng)用的相似度分析方法，因此本文采用該方法對(duì)比分析管道水壓的采樣信號(hào)和參考信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水管網(wǎng)絡(luò)的安全趨勢(shì)分析。參考文獻(xiàn)^[7]，Pearson相關(guān)系數(shù)法的傳統(tǒng)計(jì)算公式可以表示為：

其中，P1_i是當(dāng)前時(shí)刻之前10毫秒內(nèi)第i個(gè)時(shí)刻管道水壓的采樣值，P2_i是當(dāng)前時(shí)刻之前20毫秒至10毫秒管道水壓第i個(gè)時(shí)刻管道水壓的采樣值，n是兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)管道水壓所對(duì)比點(diǎn)的總數(shù)，i和j是自然數(shù)。

在水管網(wǎng)絡(luò)的水壓檢測(cè)中，由于被用于比較的水壓曲線采用了平均值處理，且穩(wěn)態(tài)參考水壓是一個(gè)帶有紋波的恒定值。因此，如果直接對(duì)采樣水壓和穩(wěn)態(tài)計(jì)算水壓進(jìn)行對(duì)比，相關(guān)系數(shù)將隨水壓紋波的變化而變化，可能出現(xiàn)大量的誤報(bào)警。為防止誤報(bào)警的發(fā)生，本章采用采樣水壓的累加值進(jìn)行安全趨勢(shì)分析中的相關(guān)系數(shù)分析，采樣水壓曲線和穩(wěn)態(tài)參考水壓曲線的第i個(gè)對(duì)比值可分別表示為：

由于Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)絕對(duì)值不敏感。當(dāng)水壓曲線不同而水壓變化率相同時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)高度相關(guān)性。因此，在安全趨勢(shì)分析中需要消除由這種現(xiàn)象引起的干擾。本文設(shè)計(jì)并引入了一個(gè)調(diào)整因子p來優(yōu)化Pearson相關(guān)系數(shù)法，參數(shù)p被設(shè)計(jì)為：

p的所在區(qū)間為[0，1]，p越大，相關(guān)性越高，反之p越小，相似性越低。最終，改進(jìn)后的Pearson相關(guān)系數(shù)可以表示為：

r=r₀×p

基于所建故障診斷模型和改進(jìn)Pearson相關(guān)系數(shù)法，本文對(duì)水管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全趨勢(shì)分析的具體流程包括5個(gè)步驟，所對(duì)應(yīng)的流程圖如圖3所示。

（1）在每條管道兩個(gè)終端中上以1毫秒/次的頻率采集終端的管道水壓，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)水壓;

（2）使用改進(jìn)Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)比當(dāng)前時(shí)刻之前10毫秒內(nèi)管道水壓與當(dāng)前時(shí)刻之前20毫秒至10毫秒管道水壓的相似程度;

（3）所用改進(jìn)Pearson相關(guān)系數(shù)法通過多數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)比，能夠有效防止由于單點(diǎn)采樣誤差、短時(shí)運(yùn)行工況波動(dòng)等引起的誤判斷，其采樣時(shí)間可以根據(jù)數(shù)據(jù)精度靈活選取;

（4）所用改進(jìn)Pearson相關(guān)系數(shù)法可用于檢測(cè)、判斷系統(tǒng)水管水壓的穩(wěn)定情況，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)處于亞健康狀態(tài)的水管并進(jìn)行相應(yīng)的安全預(yù)警;

（5）如果某個(gè)端口的管道水壓的相似程度低于設(shè)定閾值，表示此端口內(nèi)水管網(wǎng)絡(luò)的水壓處于波動(dòng)的不穩(wěn)定狀態(tài)，可以判斷此時(shí)該條管道處于亞健康狀態(tài)，并發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

2? 應(yīng)用示范

本文研究的火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)在浙江某火力發(fā)電廠得到了應(yīng)用，該火力發(fā)電廠的電氣網(wǎng)絡(luò)具體圖形化展示界面如圖4所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試顯示，該系統(tǒng)能夠有效地調(diào)度火電廠電量、水量的動(dòng)態(tài)平衡。并且，通過對(duì)電量、水量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)處理，該系統(tǒng)能夠?qū)㈦娋W(wǎng)絡(luò)的全廠電能流動(dòng)關(guān)系和水網(wǎng)絡(luò)的全廠水耗分布關(guān)系進(jìn)行可視化展示，具體的圖形化展示界面如圖5、圖6所示。

根據(jù)該火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)的試運(yùn)行情況反饋可以看出，所設(shè)計(jì)信息化管理系統(tǒng)能夠有效地解決火電廠現(xiàn)場(chǎng)電量、水量平衡的調(diào)度管理問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的采集檢測(cè)。并且，結(jié)合圖形化展示界面實(shí)現(xiàn)了平衡管理信息的動(dòng)態(tài)展示和交互控制。

3? 結(jié)? 論

通過將數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信息化處理技術(shù)與平衡管理技術(shù)相結(jié)合，對(duì)火電廠電量、水量的動(dòng)態(tài)平衡情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于電網(wǎng)絡(luò)和水網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一調(diào)度管理。同時(shí)，火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)中的故障診斷與告警系統(tǒng)及時(shí)記錄了數(shù)據(jù)故障情況，提高了平衡管理的質(zhì)量和水平，降低了電量、水量平衡調(diào)度過程中的故障發(fā)生率，實(shí)現(xiàn)了火電廠現(xiàn)場(chǎng)平衡管理系統(tǒng)的規(guī)范化、信息化和科學(xué)化。因此，該火電廠電量、水量平衡管理系統(tǒng)是以安全、穩(wěn)定、節(jié)能為目標(biāo)的信息化智慧管理平臺(tái)，該系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用具有良好的推廣前景。

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作者簡(jiǎn)介：朱曉瑾（1974—），女，漢族，浙江臺(tái)州人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：發(fā)電廠繼電保護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用。

收稿日期：2021-02-28